Übersicht. Innere Uhr und Alltag Verschiebung durch Licht. Übersicht. Biologische Lichtwirkungen: Grundlagen zur technischen

Transkript

1 Biologische Lichtwirkungen: Grundlagen zur technischen Beschreibung und kritische Gedanken zur Anwendung Ch. Schierz Technische Universität Ilmenau Fakultät für Maschinenbau Fachgebiet Lichttechnik Seite Seite 2 Innere Uhr und Alltag Verschiebung durch Licht 23-4 Uhr: geringste g Leistungsfähigkeit Uhr: stärkste Reaktion auf Allergietests 22 0 nachts Uhr: Aufmerksamkeit 2 ist am größten Uhr: Leber baut Alkohol besondes gut ab 18 abends morgens Uhr: Zeit für Sport Uhr: geringste Schmerzempfindlichkeit mittags Uhr: höchster Blutdruck Uhr: Husten ist am häufigsten 3-4 Uhr: Sorgen sind am bedrohlichsten h 8-11 Uhr: größte Leistungsfähigkeit 4-6 Uhr: längste Reaktionszeit 8-11 Uhr: Niesreiz ist am häufigsten Seite Seite 4

2 Reiz-Wirkungs-Kurven J.M. Zeitzer et al., 2000 J.M. Zeitzer et al., Suppression von Melatonin [%] Verschiebung der circadianen Rhythmik [h] subjektive Munterkeit [rel. Einheiten] Gemeinsames Photopigment Melanopsin melanopische Lichtwirkung Seite 5 C. Cajochen et al., Hornhaut-Beleuchtungsstärke [lx] Seite 6 Melatonin-Suppression Spektrale Empfindlichkeit Luxmeter Biologische Lichtwirkungen Erste Vornorm spektra ale Emp pfindlich hkeit relative r 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 00 0,0 K. Thapan et al., 2001 G.C. Brainard et al., 2001 DIN V , Melatoninsuppression s mel () Hellempfindlichkeit V() Wellenlänge [nm] Seite Seite 8

3 Melanopischer Wirkungsfaktor a mel,v Melanopische (biologisch) zu photopische (visuell) Bestrahlung Wirkungsfaktor a mel,v und Farbtemperatur T cp E mel E v a mel,v / 683 lm W E v = Beleuchtungsstärke in Lux E tä mel = melanopische Bestrahlungsstärke in W/m 2 a mel,v 580 () () S s mel d ( ) ( ) S V d mel,v aktor a m rkungsfa Wir Faustregel: a mel,v T cp / 7500 K D. Gall, 2002 nach DIN SPEC 67600:2013 T cp [K] Seite Seite 10 Transmissionsgrad des Auges Einfluss des Alters Alter [Jahre] 0, S. Lerman, 1980 van de Kraats et al., 2007 raler Tran nsmissio onsgrad spektr 1,0 08 0,8 15 Jahre 0,6 0,4 75 Jahre 02 0,2 0, Wellenlänge [nm] Seite Seite 12

4 Altersabhängiger Wirkungsfaktor k mel,trans (A) Berechnung für melanopische (biologische) Lichtwirkungen E (A) E k (A) mel,trans mel mel,trans E mel = melanopische Bestrahlungsstärke in W/m 2 E mel,trans = um Linsenverdunkelung reduzierte melanopische Bestrahlungsstärke in W/m 2 k mel,trans (A) S (, A) () () S (, A=25) ( ) ( ) s mel s mel d d Relative Wirksamkeit von Lichtspektren CIE A (Glühlampe) (2856 K) Photopisch Melanopisch Alter CIE D65 (Tageslicht) (6504 K) Photopisch Melanopisch Alter CIE F12 (3-Narrow) (3000 K) Photopisch Melanopisch Alter Photopisch CIE F2 (Std) (4230 K) Melanopisch Alter Seite Seite 14 Hornhaut- Beleuchtungsstärke ist nicht gleich Retina- Beleuchtungsstärke Hornhaut Retina Seite Seite 16

5 Melanopsin-Zellen Verteilung auf Netzhaut (Makaken) Melanopsin-Zellen Verteilung auf Netzhaut (Makaken) -2 ] Zellen ndichte [mm mittlere Netzhaut-Exzentrizität t t ität [mm] D.M. Dacey et al., 2005 nach D.M. Dacey et al., Sehwinkel [ ] Seite Seite 18 Projekt LuxBlick Ergebnisse Beleuchtungsstärke tä E Blausensor -Daten B Uhrzeit Uhrzeit Verhältnis a cv B/E [nach Gall, 2002] Uhrzeit Seite Seite 20

6 Circadiane Phase Zeitliche Integration Zusammenfassung 1 technische Beschreibung D.W. Rimmer et al., 2000 [h] Pha asenversc chiebung k 20k 30k 40k 50k Belichtung [lx h] Höhere melanopische Wirkungen ergeben sich durch: o Höhere Beleuchtungsstärken E v bzw. Bestrahlungsstärken o Mehr Blauanteile (höherer Wirkungsfaktor a mel,v bzw. Farbtemperatur) o Flächige Lichtquellen (großflächige Leuchten, Wände, Decke) o Zeitlich veränderliches, dynamisches Licht, aber nicht Dosis o Licht nach vorangehender Dunkelheit oder melanopisch unwirksamem Licht o Licht am Morgen (zur Synchronisierung der inneren Uhr) Für die Herstellung eines Messgeräts fehlen noch (u.a.): o Information über die Richtungsbewertung o Information über die zeitliche Integration (z.b. über einen Tag) o Einfluss anderer Rezeptoren (Zapfen, Stäbchen) Der Einfluss des Alters ist deutlich wichtiger als bei der photometrischen (visuellen) technischen Bewertung Seite Seite 22 Dynamisches Licht an die Chronobiologie angepasst? rke / lx Be eleuchtu ungsstär kaltes Licht (5000 K) warmes Licht (3000 K) 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 Guten Morgen Mittagszeit Tief nach Happy hour Mittagspause Philips, Seite Seite 24

7 Ergonomie am Arbeitsplatz Hawthorne Effekt Leistungsbereitschaft Leistungsfähigkeit Gelenke Sinne Körper Psyche Mensch Muskeln TAPPA TAP!? BEEP BEEP Arbeit Arbeitsaufgabe Arbeitsplatz Arbeitsumwelt Arbeits- organi- sation Testraum mit Relaismontage ca Western Electric (AT&T) Hawthorne-Werk Illinois (USA), ca Gesundheit Wohlbefinden Beanspruchung Belastung Arbeitserfolg Gerät zur Leistungsaufzeichnung FJ F.J. Roethlisberger, W. Dickson, 1939 Bilder: President and Fellows of Harvard College, 2007 Beleuchtungsstudie, Seite Seite 26 Hawthorne Effekt Beispiel Feldstudie in Industrie Probleme, mit genügend Schwung die üblichen Alltagsaufgaben zu erledigen? Menschliche Leistung als Regelgröße biologische Beleuchtung gefühlte erwartete Leistung Konzentration, Motivation Anstrengung gefühlte aktuelle Leistung S1 S2 S3 S4 S5 Leistungsbereitschaft visuelle Beleuchtung K. Bieske et al., 2011 Tätigkeit Arbeitserfolg Seite Seite 28

8 Lernerfolg Leistungserbringung Beispiel Hochsprung Fosbury-Flop Weltrekord Frauen (1987): 2,09 m Weltrekord Männer (1993): 2,45 m Hat ein Schüler, dadurch dass er mit biologischem Licht mehr Leistung erbringt, mehr gelernt? Was ist Gesundheit? Naturvölker: Kranke sind von einem bösen Geist besessen. Gesundheit ist somit die Abwesenheit vom Dämon Krankheit. Friedrich Nietzsche: Gesundheit ist dasjenige Maß an Krankheit, das es mir noch erlaubt, meinen wesentlichen Beschäftigungen nachzugehen. Gesund ist, wer vergessen hat, weil er seine Behinderung nicht mehr spürt. Verfassung der WHO (1948): Gesundheit ist ein Zustand des vollständigen körperlichen, geistigen und sozialen Wohlergehens und nicht nur das Fehlen von Krankheit oder Gebrechen. Soziologie i (T. Parsons, 1951): Gesundheit ist ein Zustand optimaler Leistungsfähigkeit eines Individuums, für die wirksame Erfüllung der Rollen und Aufgaben für die es sozialisiert worden ist. Gesundheitskommission des US-Präsidenten (1953): Gesundheit ist keine Situation; sie ist eine Anpassung. Sie ist kein Zustand, sondern ein Prozess. Der Prozess passt den Einzelnen nicht nur an die physikalischen sondern auch an die sozialen Umwelten an. Gesundheitswesen und Humanökologie (J.M. Last, 1997): Gesundheit ist ein Gleichgewichtszustand zwischen Menschen und ihrer physikalischen, biologischen und sozialen Umwelt, vereinbar mit vollständiger zweckgerechter Aktivität Seite Seite 30 Schichtarbeit Lichtarme Arbeitsplätze ThyssenKrupp, Dortmund, 2009 Schichtarbeit Prinzip Rhythmusverschiebung Prinzip: - Die innere Uhr wird mit Hilfe von Lichtexpositionen so schnell wie möglich an die Schichtzeiten angepasst. Vorteile: - Arbeitnehmer sind wacher und haben höhere Leistungsbereitschaft. - Schlafdauer und -qualität des Tagschlafes wird erhöht - Stimmung verbessert sich. Nachteile: - Im besten Fall nur 1 bis 3 Stunden Verschiebung pro Nacht möglich. -Tagorientiertes Freizeitverhalten wirkt Phasenverschiebung entgegen. g - Nicht sorgfältig geplante Lichtgaben (z.b. falscher Zeitpunkt), können Rhythmus ganz zum Erliegen bringen. - Daraus resultierender niedriger Melatonin-Spiegel steht im Verdacht, krebsfördernd zu wirken. - Mögliche negative Langzeiteffekte sind bisher nicht untersucht worden. C. Vandahl, K. Bieske, S. Neuhäuser, Ch. Schierz, Seite Seite 32

9 Schichtarbeit Prinzip Rhythmusfixierung + Aktivierung Prinzip: - Für wenige Tage mit Nachtschicht wird die innere Uhr möglichst unbeeinflusst gelassen. Bei kritischen Situation erfolgt jedoch Aktivierung mit Licht. Vorteile: - Aktivierung kann ohne Rhythmusverschiebung Wachheitsgrad erhöhen. - Besonders sinnvoll bei Wachheits- bzw. Leistungstief, dann wenn kritische bzw. risikoreiche Tätigkeiten ausgeführt werden. Nachteile: -Prinzipiell ist es nicht möglich, Arbeitsplätze ausreichend zu beleuchten, ohne den circadianen Rhythmus der Arbeitnehmer zu beeinflussen. - Die Beibehaltung des gewohnten Rhythmus kann nur durch möglichst geringe g Beleuchtungsniveaus mit wenig Blauanteil erreicht werden. - Dauernde Aktivierung zum Zeitpunkt des Wachheits- und Leistungstiefs könnte zu gesundheitlichen Problemen führen. - Fehlende Rhythmusanpassung führt im Allgemeinen zu mehr Schlafproblemen als bei teilweiser oder vollständiger Anpassung. Zusammenfassung 2 kritische Gedanken zur Anwendung (unvollständig) Welche sinnvollen melanopischen Wirkungen hat Licht am Tag? Kann man die meistens in der Nacht ermittelten Studienergebnisse auf den Tag übertragen? Was ist ein zulässiges Ziel für biologisches biologisches Licht am Tag? Wird mit biologischem Licht in der Nacht der Nachtschichtarbeit Vorschub geleistet? Oder dem Krebs? Was hat biologisches i Licht für langfristige Nachteile? Können die finanziellen Kosten für biologisches Licht nicht effektiver zugunsten der Beschäftigten verwendet werden? Kann mit biologischem Licht zur falschen Zeit bzw. falschen Lichtspektren und Lichtintensitäten Schaden angerichtet werden? Bezüglich Studiendesign: Ist erhöhte Leistungsbereitschaft durch Hawthorne-Effekt bedingt? Sind abhängige objektive Größen wirklich objektiv? Wird tatsächlich das gemessen, was man als Vorteil verkauft? Seite Seite 34 Schlussfolgerung Von der Grundlagenforschung zur Anwendungspraxis: Die melanopischen Wirkungen von Licht sind durch die Grundlagenforschung gut abgesichert. Um sie in der Lichtanwendung zweckmäßig zu berücksichtigen, besteht noch ein erheblicher Bedarf an Transferforschung. Univ.-Prof. Dr. Christoph Schierz TU Ilmenau Fakultät Maschinenbau Fachgebiet Lichttechnik Prof.-Schmidt-Str. 26 / PF Ilmenau christoph.schierz@tu-ilmenau.de sc e Seite Seite 36