Untersuchung zu den Auswirkungen von dynamischer Beleuchtung in einem Klassenraum am Gymnasium Miesbach

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1 Untersuchung zu den Auswirkungen von dynamischer Beleuchtung in einem Klassenraum am Gymnasium Miesbach Verfahrensbeschreibung zur Durchführung der Studie Durchführung: Schulleitung Gymnasium Miesbach: StD Rainer Dlugosch Fachkoordinator Natur und Technik: StD Günter Bliemsrieder Wissenschaftliche Beratung: Prof. Dr. med. Dipl.-Ing. Herbert Plischke Hochschule München, Fakultät für angewandte Naturwissenschaften und Feinwerktechnik, Stiftungsprofessur Licht und Gesundheit Lothstraße München, Germany und Generation Research Program Prof.-Max-Lange-Platz Bad Tölz Tel.: Fax: Technische Beratung: Dipl.-Phys. Dieter Lang OSRAM GmbH Corporate Technology - Research and Innovation CT RI APP LQ Marcel-Breuer-Str 6, D München Tel.: Fax: Mobile: Mail: D.Lang@osram.de 1

2 Einleitung Im Jahre 2001 haben Brainard [1] und Thapan [2] unabhängig, aber nahezu zeitgleich aufgrund Ihrer Forschungsergebnisse die Existenz eines bisher unbekannten dritten Photorezeptors im menschlichen Auge belegt. Ein Jahr später wurde dieser Rezeptor auch durch mikrobiologische Untersuchungen nachgewiesen [3]. Das diesen Rezeptoren eigene Photopigment Melanopsin vermittelt die Lichtempfindlichkeit dieser in der Netzhaut gelegenen Zellen (intrinsic photosensitive Retinal Ganglion Cells - iprgcs). Die dieser Entdeckung nachfolgende Forschung hat wesentliche neue Erkenntnisse über die biologischen Wirkungen von Licht erbracht. Diese Wirkungen, welche über die retinalen Ganglienzellen vermittelt werden, bestimmten so elementare Abläufe wie die Wach-Schlaf- Steuerung, hormonelle Zyklen und andere über den Tag veränderliche, sogenannte circadiane Rhythmen. Die Chronobiologie, die spätestens seit Ende der 60-er Jahre eine anerkannte Wissenschaft ist, aber doch lange Zeit keine breite Beachtung gefunden hat, hat sich seither zu einem der am stärksten wachsenden Forschungsgebiete entwickelt. Auch die Lichtindustrie hat die Notwendigkeit gesehen, mit speziell auf biologische Wirkungen hin optimierten Lichtsystemen den erkannten Bedürfnissen zu entsprechen. Damit sich die Erkenntnisse aus der biologischen und medizinischen Forschung in die Technik integrieren lassen, ist es notwendig die Erkenntnisse aus der Laborforschung in Feldtests zu bestätigen. Es zeigte sich in einer amerikanischen Studie, dass mangelndes Tageslicht im Schulumfeld die innere Uhr des Menschen verschieben kann und die Schüler morgens wesentlich weniger leistungsfähig sind [5]. Dagegen wurde in Hamburg, begleitet vom Universitätsklinikum Eppendorf, eine Studie zu dynamischer Beleuchtung durchgeführt, die den positiven Effekt von steuerbarem künstlichem Licht auf den Lernerfolg zeigte[6]. In Bayern wurden noch keine dynamischen Lichtanlagen in Schulen eingesetzt. Durch die Möglichkeit der Kooperation des Gymnasiums Miesbach, dem Landratsamt Miesbach, dem Generation Research Program der Universität München und der Firma OSRAM hat sich nun die Chance ergeben, eine erste dynamische Lichtanlage in einer Schule zu installieren, die nicht nur neueste Energieeffizienz- und Beleuchtungskriterien erfüllt, sondern auch gesundheitliche Belange der Schüler und Lehrer nach neuesten Erkenntnissen der Wissenschaft berücksichtigt. Diese Belange sind von einer interdisziplinären Arbeitsgruppe im DIN, dem Normenausschuss NA AA "Wirkung des Lichts auf den Menschen" erarbeitet. Das Bewertungsverfahren ist in der Vornorm DIN V [4] beschrieben und wurde in die Planung und Realisierung der Beleuchtungsanlage für zwei Klassenräume im Gymnasium Miesbach einfließen. Auch die in der DIN SPEC [7] herausgegebenen Planungsempfehlungen für biologisch wirksame Beleuchtung wurden berücksichtigt,. Natürlich müssen bei der Einführung von neuen Technologien - auch Beleuchtungstechnologien - die Nutzer und die Verantwortlichen über die eingesetzte Technik und die Begleitforschung aufgeklärt und um ihr Einverständnis gebeten werden. Durch die weitreichende Erfahrung mit klinischen und nicht-klinischen Studien kann das GRP und die Hochschule München mit Prof. Plischke wissenschaftliche Expertise anbieten. Erfahrung des GRP mit bisherigen Studien Das Generation Research Program (GRP) der Ludwig-Maximilians-Universität München verfügt über gute und fundierte Erfahrungen im Bereich der Lichtforschung. Zusammen mit sieben weiteren europäischen Partnern aus Ungarn, Rumänien, Italien, Österreich und Deutschland hat das GRP das Projekt Ambient Assisted Living for an Ageing Population durchgeführt 1. Das Projekt hatte eine Laufzeit von insgesamt 27 Monaten und war mit aufwendigen Feldtests verbunden. Darin wurde der Einfluss eines sich auf die Physiologie des jeweiligen Menschen anpassende Lichtsystems, das mit einem Biofeedbacksystem 1 2

3 verknüpft war, untersucht. Das Ergebnis dieser Untersuchung zeigte, dass sowohl Wohlbefinden, wie auch Lebensqualität und mentale Leistungsfähigkeit verbessert werden konnten. Die gewonnenen Erfahrungen und Produkte (Lichtsystem in Kombination mit Biofeedback oder auch als Stand-Alone-Version) in diesem Bereich werden derzeit weiterentwickelt. Dabei liegt der Fokus jedoch nicht nur auf der Unterstützung durch individuelles Licht beim älteren Menschen, sondern es gibt noch sehr viel breitere Einsatzszenarios, wie beispielsweise in Schulen. Vom GRP wurde in Zusammenarbeit mit der Verwaltungs-Berufsgenossenschaft eine 2-jährige Studie zu dynamischen Lichtsystemen für Schichtarbeiter in einem nordbayerischen Glaswerk durchgeführt. Die Ergebnisse werden in Kürze publiziert. Erfahrung von OSRAM mit bisherigen Studien Die Firma OSRAM arbeitet seit etwa 10 Jahren auf wissenschaftlicher Basis an dem Thema der biologischen Wirkung von Licht auf Menschen. Unter anderem wurden Forschungsprojekte zur Wirkung von Licht auf Menschen in Altenheimen, an Büro- und Industriearbeitsplätzen sowie in verschiedenen Kliniken durchgeführt. Die dafür verantwortliche Forschungsabteilung ist in ein internationales Netzwerk von Wissenschaftlern eingebunden, die an diesem Fachgebiet arbeiten. Unter anderem ist Herr Dieter Lang, der dieses Projekt technisch betreut, Vorsitzender des Normenausschusses FNL 27 Wirkung des Lichts auf den Menschen beim DIN Deutsches Institut für Normung. Ziele Gesamtziel der Untersuchung ist die bisher in Studien festgestellte Verbesserung der infrastrukturellen Lernbedingungen für die Schüler und Lehrer in zwei Klassenräumen im Gymnasium Miesbach mit geringer natürlicher Beleuchtung nachvollzogen werden können. Eine ähnliche Pilotstudie wurde in Ulm unter der wissenschaftlichen Leitung von Prof. Manfred Spitzer durchgeführt. Ziel ist eine langjährige Erhebung und Auswertung von Daten durch die Schule selbst (Schüler, P-Seminar, Lehrer) mit der wissenschaftlichen Unterstützung der Hochschlule München, Fakultät für angewandte Naturwissenschaften und Mechatronik, Stiftungsprofessur Licht und Gesundheit, Prof. Herbert Plischke. Im Schuljahr 2013/2014 sollen die ersten zwei Erhebungsphasen stattfinden. Für weitere Phasen in den nächsten Schuljahren, werden abhängig von den Zwischenergebnissen (Durchführbarkeit und Effektivität der Instrumente) weitere Befragungen geplant und durch ein Amendment zur Verfahrensbeschreibung beantragt. Studienteilnehmer Teilnehmer der Studie sind alle Schüler, die freiwillig an dieser Studie teilnehmen möchten und sich regelmäßig in den beiden Klassenzimmern aufhalten. Die Eltern werden über die neue Technik aufgeklärt und um ihr Einverständnis zur Befragung der Schüler gebeten. Ein Klassenraum mit ähnlicher Lichtsituation bezüglich dem natürlichem Licht und derzeitiger Standard-Beleuchtung, kann als Vergleichsraum genutzt werden. Lichtkonzept Es wurde durch Vermittlung der Universität München in zwei Klassenzimmern des Gymnasiums Miesbach eine moderne dynamische Lichtanlage von der Firma OSRAM installiert. Es soll in den kommenden Schuljahren über eine Farbtemperatur-, und Intensitäts- Steuerung die mittlerweile wissenschaftlich bewiesenen, wichtigen nicht-visuellen Effekte des Tageslichts nachempfunden werden und so jahreszeitlich abgestimmt den Schülern eine Unterstützung gegeben werden. Die Lichtsteuerung wurde von der Fa. Osram geliefert und 3

4 nach den Empfehlungen des Normungsausschusses NA AA und den bisherig aus Studien gewonnenen Erkenntnissen programmiert. Messungen und ethische Belange Erhoben werden Parameter über Fragebögen und (in späteren Erhebungen) je nach Durchführbarkeit mit Schlaftagebüchern und objektiven Messungen wie Speichel-Melatonin Werten. Die Messungen sollen durch Schüler selbst vorgenommen werden (in einem P- Seminar) und so die Inhalte wissenschaftlicher Arbeit den Schülern näher gebracht werden. Es werden keine personenbezogenen Daten weitergegeben, die ethischen Kriterien zur Durchführung von Studien gemäß den Regularien an der Universität München werden strikt beachtet. Wissenschaftliche Unterstützung kommt von der Hochschule München, Fachbereich Licht und Gesundheit. Die Teilnahme an der Erhebung ist freiwillig und Lehrer und Schüler und Eltern werden über je eine eigene Probandeninformation über den Datenschutz und ethische Belange aufgeklärt. Jeder Proband gibt seine eine Einverständniserklärung schriftlich auf dem Einwilligungsformular ab. Die Formulare mit dem persönlichen Einverständnis werden nicht mit den Erhebungsinstrumenten verknüpft und getrennt in der Schule bis zum Ende der Erhebungsperiode gelagert. Datenschutz Die Fragebögen werden anonymisiert erhoben, die Bögen erhalten nur eine laufende Nummer, die sicherstellen soll, dass bei der Eingabe nicht doppelt erfasst wird. Die Digitalisierung erfolgt durch Schüler des P-Seminars. Die Schüler erhalten auch eine Einführung in die wissenschaftliche Auswertung und Präsentation von Erhebungsdaten. Die Sammlung der Daten und weitere wissenschaftliche Bewertung erfolgt in der Hochschule München bei Prof. Plischke. Es werden nur anonymisierte Daten aus dem Schulbereich nach außen gebracht. Ergebnisse und Präsentation Die Ergebnisse aus der Begleitforschung sollen in einer Veranstaltung des Gymnasiums Miesbach (unter Mitarbeit der P-Seminar Schüler) vorgetragen werden. Studiendesign: Als Studiendesign wurde aus Machbarkeitsbeschränkungen (der normale Schulbetrieb soll so wenig wie möglich beeinträchtigt werden) eine Querschnittsstudie mit Vergleichsgruppe gewählt, d.h. Die Ergebnisse von den zwei 9. Klassen mit dem dynamischen Lichtsystem (Verumgruppe VG) werden mit der 9. Klasse mit dem Standard Lichtsystem (Kontrollgruppe KG) verglichen. Zeitplan: Studienphasen für das Schuljahr 2013/2014 Vorgesehener Zeitrahmen Studienphase 1: vom bis Vorgesehener Zeitrahmen Studienphase 2: vom bis Testtermine (voraussichtlich): Je zwei Testtermine pro Phase (gegen Anfang und Ende) T1 bis T4 4

5 Berichte Zwischenbericht zum Erläuterungen zu Tests: Die Klassen werden während der Testphasen nicht aufgeteilt oder umgesetzt. Es werden vier Mal die gleichen Tests verwendet. Eingesetzte Tests: 1. d2-test (Aufmerksamkeits-Belastungs-Test) 2. ZVT- Test: Zahlen-Verbindungs-Test (kognitive Leistungsgeschwindigkeit) 3. Fragebogen: Fragebogen zur Beleuchtungssituation mit allgemeinen Fragen (unabhängig von Lichtverhältnissen) Fragen zum Chronotyp, Abfrage Sichtigkeit, Abfrage Koffeinkonsum und studienbeeinträchtigende Symptome (z. B. chronische Kopfschmerzen) Stanford Sleepiness Scale (SSS) zur Abfrage der aktuellen Schläfrigkeit Literatur: [1] Brainard, G. C. et al.: Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor. J Neurosci 2001, 21(16): [2] Thapan, K., J. Arendt, et al. (2001). "An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel nonrod, non-cone photoreceptor system in humans." J Physiol 535(Pt 1): [3] Berson, D. M., F. A. Dunn, et al. (2002). "Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock." Science 295(5557): [4] Norm DIN V : Juni 2009 : Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik Teil 100: Über das Auge vermittelte, nichtvisuelle Wirkung des Lichts auf den Menschen Größen, Formelzeichen und Wirkungsspektren [5]Mariana G. Figueiro and Mark S. Rea; Lack of short-wavelength light during the school day delays dim light melatonin onset (DLMO) in middle school students, Neuroendocrinol Lett 2010; 31(1):92 96 [6]Wessolowski, N., Barkmann, C. & Schulte-Markwort, M. (2009). Wirksamkeit von dynamischem Licht im Schulunterricht. Ergebnisbericht Kurzform Verfügbar unter: [ ][7] DIN SPEC 67600:April 2013, Biologisch wirksame Beleuchtung Planungsempfehlungen 5