Biologische Lichtwirkungen und deren messtechnische Erfassung

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1 Kolloquium für Prof. Dr. Dietrich Gall 8. September 2017 und deren messtechnische Erfassung Dr. Cornelia Vandahl TU Ilmenau Fachgebiet Lichttechnik

2 Lichtwirkungen auf den Menschen LICHT Licht zum Sehen Biologische Wirkung Seite 2

3 Inhalt Eigenschaften des nicht-visuellen Systems Kennzahlen zur Beschreibung Messmethoden Messbeispiele Seite 3

4 Lichtwirkungen Körper Auge Zwischenhirn - Hypophyse Großhirn Nebennierenrinde physiologische Funktion *Stoffwechselproz. *Blutzucker * Elektroly. haush. *Fettstoffwechsel * Eiweisstoffwechsel * Leistungsbereitschaft *Ermüdung *Erholung * Eosinophinenzahl * Wasserhaushalt * Sexualhormone *Kreislauf * Schilddrüsentätigkeit Stimmung * Gemütszustand * Akzeptanz Visuelle Wahrnehmung * Informationsverarbeitung * Mentales Konzept * Wiedergabe Sehfunktion * Helligkeit *Kontrast *Form * Farbe * Bewegung u. a. m. (Lindner 1978) Seite 4

5 Hollwich 1981 In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass der Münsteraner Anatom H. Becher (1955) ein flächenhaft über die ganze Netzhaut ausgebreitetes Kerngebiet im III.Neuron nachgewiesen hat, das den Stäbchen und Zapfen vorgelagert ist ( heliotropes Bewirkungssystem ). Die Existenz einer retino-hypothalamischen Bahn wurde bereits mehrfach zweifelsfrei bestätigt. Trotz diesen zustimmenden Aussagen... über die von mir erstmals hervorgehobene Doppelrolle des menschlichen Auges (Anmerkung: 1948) hat sich die Lichtindustrie... völlig einseitig auf den Sehvorgang orientiert. Seite 5

6 Lichtempfindliche Ganglienzellen (Foster 2005) Seite 6

7 Lichtwirkungen über das Auge (Brainard 2004) Seite 7

8 Wirkungsspektrum für die Melatoninunterdrückung (Brainard2001) Seite 8

9 Melatoningehalt (Blutserum) Melatoningehalt im Blut Bestrahlungszeit (3 h) E = 600 lx E = 200 lx E<10lx Tageszeit (McIntyre 1989) Seite 9 Lichtwirkungen auf den Menschen

10 Eigenschaften des nicht-visuellen Systems Hohe Wirksamkeit von blauem Licht Hohe Wirksamkeit von großen hellen Flächen im Blickfeld Seite 10

11 Licht und biologische Rhythmen Die Steuerung der biologischen Rhythmen erfolgt durch das circadiane System Diese wird durch Licht (hell-dunkel) synchronisiert Das System kann durch falsche Signale gestört werden Weitreichende Einflüsse auf Wachheit, Aktiviertheit, Schlafqualität und Gesundheit Seite 11

12 Melatoninrhythmus MAX Munterkeit MIN Melatonin (Schlafhormon) Uhrzeit (Halbritter, Licht und Gesundheit 2004) Seite 12

13 Lichtwirkungen auf den Menschen Seite 13

14 Nicht-visuelle Lichtwirkungen Melatoninunterdrückung in der Nacht Verschiebung der circadianen Phase Änderung der circadianen Amplitude Aktivierung mit Licht Steuerung des Pupillenreflexes Seite 14

15 Parameter Spektrale Verteilung des Lichtes Örtliche Verteilung auf den Netzhaut Zeitpunkt und Zeitdauer der Beleuchtung die Beleuchtungsszenarien der vorangegangenen Stunden und Tage (hinsichtlich Beleuchtungsniveau, Spektrum, Zeitverlauf) Seite 15

16 gemittelte circadiane Wirkungskurve c( ) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 c( λ ) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, λ [nm] Thapan u.a. (2001) Brainard u.a. (2001) (Gall)

17 Circadiane Metrik nach Gall Circadian bewertete Größe: X ec X c( ) d e Lichttechnische Größe: X v k X v( ) d m e Circadianer Wirkungsfaktor: a cv X X e e c( ) v( ) d d Seite 17

18 Spektrale Messung X ec X c( ) d e Spektralradiometer Seite 18

19 a cv -Werte einiger Lampen (Gall)

20 Circadianer Wirkungsfaktor in der Morgendämmerung (Gall)

21 Circadianer Wirkungsfaktor in der Abenddämmerung (Gall)

22 Circadiane Wirkungsfaktoren von Monitoren Standard Farbwertanteile circ. Wirkungsfaktor (a cv ) Blau Grün Rot Blau Grün Rot x y x y x y EBU / HDTV 0,15 0,06 0,29 0,60 0,64 0,33 10,8 0,18 0,03 NTSC 0,14 0,08 0,21 0,71 0,67 0,33 9,8 0,11 0 (Gall nach Porsch 2003)

23 Integrale Messung X ec X c( ) d e Messung mit c( )-angepassten Empfängern auch ortsaufgelöst möglich Seite 23

24 Farbmessgerät HCT-99 rel. spektrale Empfindlichkeit 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Wellenlänge (nm) c( ) z( ) Seite 24

25 a cv -Werte einiger Bio -Lampen (z/y-wert) Lampe TRUE LITE 58W (AURU-LIGHT) a cv 0, 932 NARVA VITAL 58W/955 0, 984 BIO-LICHT 58W/5700 K 0, 936 Biolux OSRAM 58W/ , 17 PHILIPS TLD 58W/965 1, 19 (Gall)

26 Farbe und energetische Wirkung des Lichtes (Gall)

27 Ortsaufgelöste Messung: LMK color (Technoteam) Seite 27

28 Messbeispiel 1 Leuchtstofflampe 6000 K Spektrale Messung: CCT = 4805 K L = 1050 cd/m 2 L ec = 0,875 W/m 2 (c( )-bewertet) a cv = 0,57 LMK color a cv = 0,51 HCT-99 a cv = 0,69 Lichttechni k

29 Messbeispiel 2 Leuchtstofflampe 3000 K Spektrale Messung: CCT = 2895 K L = 179,5 cd/m 2 L ec = 0,084 W/m 2 (c( )-bewertet) a cv = 0,32 LMK color a cv = 0,35 Lichttechni k

30 Messbeispiel 2 Leuchtdichte [cd/m²] Circadiane Leuchtdichte [cd c /m²] Lichttechni k

31 Messbeispiel 2 Circadianer Wirkungsfaktor Lichttechni k

32 Mobile Langzeitzeitmessungen Mobiler Gesichtsfeldsensor (Kaltenbach, Vollmer, 2003) LuxBlick (Wolf, 2008) Seite 32

33 Mobile Langzeitzeitmessungen General Lighting Reflector Top Luminaire Left Bottom Luminaire Right Seite 33

34 Lichtwirkungen im Altenheim (TU Ilmenau 2006) Seite 34 Lichtwirkungen auf den Menschen

35 Lichtwirkung auf Alzheimerpatienten (van Someren 1997) Seite 35 Lichtwirkungen auf den Menschen

36 Beleuchtungsszenario im Altenheim Parameter der Lichtsteuerung Phase II Aussteuerung in % :00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 Uhrzeit Lampen 8000 K 3000 K (Bieske2006) Seite 36

37 Phasenvergleiche Mean and standard deviation (6 test persons) 6 * * 5 parameter value ** *** *** *** 1 0 I II I II I II I II I II I II I II vitality daily newspaper orientation affective stability_f1 affective stability_f2 naps sleep quality at night parameter / phase (Bieske2006)

38 Prüfungen Durchschnittsprüfungsnoten LT/TO I (Mittelwerte) , 509 Studierende 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 Prüfungszeit Uhr 08 : : : : 00 12: : : 00 15:00 16: : 00 Prüfungszeitraum Juli Prüfungszeitraum September/ Oktober (Gall, TU Ilmenau)

39 DIN SPEC (2015): s mel ( ) Seite 39

40 ((()))Melanopische Wirkung des Lichts nach DIN SPEC (2015) Melanopisch bewertete Größe: Melanopischer Wirkungsfaktor: s mel ( ) XmelXsd m el X samexv d lmelbewertungsgröße,v d Seite 40

41 Vergleich spektraler Empfindlichkeiten Seite 41

42 Ortsaufgelöste Messung: LMK color 1,2 rel. spektrale Empfindlichkeit 1 0,8 0,6 0,4 0,2 s mel ( ) s Ka ( ) Wellenlänge (nm) (Technoteam) Seite 42

43 DIN SPEC (2013) Planungsempfehlungen für biologisch wirksame Beleuchtung Beispielszene für die Beleuchtung im Altenheim Seite 43

44 Zusammenfassung Seit der Entdeckung der lichtempfindlichen Ganglienzellen im Jahr 2001 sind die nichtvisuellen Lichtwirkungen immer mehr in den Fokus der Lichtanwendung gerückt Prof. Gall hat dieses Thema dank seiner intensiven Arbeit von Beginn an mit geprägt In heute verfügbaren Empfehlungen finden sich viele Spuren seines Handelns Seite 44

45 Vielen Dank Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dietrich Gall Seite 45