24 января 2017, вторник

Справочно-информационный центр

Избыточная доза синего света в спектре светодиодного освещения может ухудшить зрение

В.А. Капцов, д.м.н., член-корр. РАН, ФГУП ВНИИЖГ Роспотребнадзора, 

В.Н. Дейнего, руководитель проекта, ООО «Новые энергетические технологии», г. Москва

 

                                                                                                              «Каждый имеет право на охрану здоровья»
                                                                                                              Статья 41 Конституции РФ

В статье рассмотрены условия формирования избыточной дозы синего света при светодиодном освещении. Показано, что оценки светобиологической безопасности, проводимые по ГОСТ Р МЭК 62471-2013, нуждаются в уточнении с учетом изменения диаметров зрачка глаза при светодиодном освещении и пространственного распределения светопоглощающего синий свет (460 нм) пигмента в желтом пятне сетчатки глаза. Приведены методические принципы расчета избыточной дозы синего света в спектре светодиодного освещения относительно солнечного света. Указано, что сегодня в США и Японии изменяется концепция светодиодного освещения и создаются светодиоды белого света, минимизирующие риски нарушения здоровья человека. В частности, в США эта концепция распространяется не только на общее освещение, но и на мониторы компьютеров и автомобильные фары.

В настоящее время все шире директивно внедряется светодиодное освещение в школы, детские сады и медицинские учреждения. Для оценки светобиологической безопасности светодиодных светильников используется ГОСТ Р МЭК 62471-2013 «Лампы и ламповые системы. Светобиологическая безопасность». Он подготовлен Государственным унитарным предприятием Республики Мордовия «Научно-исследовательский институт источников света имени А.Н. Лодыгина» (ГУП Республики Мордовия НИИИС им. А.Н.Лодыгина») на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного стандарта МЭК 62471:2006 «Светобиологическая безопасность ламп и ламповых систем» (IEC 62471:2006 «Photobiological safety of lamps and lamp systems») и является идентичным ему (см. п.4. ГОСТ Р МЭК 62471-2013).

Такой трансфер внедрения стандарта говорит о том, что в России нет собственной профессиональной школы по светобиологической безопасности.

Оценка фотобиологической безопасности является крайне актуальной для обеспечения безопасности детей (поколения) снижения угроз национальной безопасности.

 

Сравнительный анализ солнечного и искусственного освещения

В основе оценки светобиологической безопасности источника света лежит теория рисков и методология количественной оценки предельных норм воздействия опасного синего света на сетчатку глаза. Предельные значения показателей светобиологической безопасности рассчитываются для установленного предела облучения диаметра зрачка 3 мм (площадь зрачка 7 мм2). Для этих значений диаметра зрачка глаза определены значения функции B(λ) - взвешенная спектральная функция опасности от синего света, максимум которой приходится на спектральный диапазон излучения 435-440 нм.

Теория рисков негативного влияния света и методология расчетов фотобиологической безопасности была разработана на базе основополагающих статей основателя фотобиологической безопасности искусственных источников света доктора Дэвида Слини (David H. Sliney).

 

Дэвид Слини (David H. Sliney) в течение многих лет был руководителем отдела Центра по укреплению здоровья и профилактической медицины армии США и возглавлял проекты по фотобиологической безопасности. В 2007 году он закончил службу и вышел на пенсию. Его научные интересы сосредоточены на предметах, связанных с УФ-воздействием на глаза, взаимодействий лазерного излучения и тканей, лазерных опасностей и применения лазеров в медицине и хирургии. Дэвид Слини служил в качестве члена, консультанта и председателя многочисленных комиссий и учреждений, которые разрабатывали стандарты безопасности для защиты от неионизирующих излучений, в частности от лазеров и других высокоинтенсивных источников оптического излучения (ANSI, ISO, ACGIH, IEC, ВОЗ, НКРЗ, и ICNIRP). Он, в соавторстве издал Справочник «Безопасность с лазерами и другими оптическими источниками», Нью-Йорк, 1980. В 2008-2009 годах доктор Дэвид Слини служил президентом Американского общества по фотобиологии.

Разработанные Дэвидом Слини основополагающие принципы лежат в основе современной методологии фотобиологической безопасности искусственных источников света. Этот методологический паттерн автоматически перенесен и на светодиодные источники света. На нем воспитана большая плеяда последователей и учеников, которые продолжают распространять эту методологию на светодиодное освещение. В своих трудах они пытаются через классификацию рисков обосновывать и продвигать светодиодное освещение. Их работы поддерживают Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia и другие производители светодиодного освещения. В настоящее время в сферу интенсивных исследований и анализа возможностей (и ограничений) в области светодиодного освещения вовлечены:
• государственные учреждения, такие как Минэнерго США, Минэнерго РФ;
• общественные организации типа Illuminating Engineering Society of North America (IESNA), Alliance for Solid-State Illumination and Technologies (ASSIST), International Dark-Sky Assosiation (IDA) и НП ПСС РФ;
• крупнейшие фирмы-производители Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia и российские производители «Оптоган», «Светлана Оптоэлектроника»;
• а также ряд НИИ, университетов, лабораторий: Lighting Research Center at Rensselaer Polytechnic Institute (LRC RPI), National Institute of Standards and Technology (NIST), American National Standard Institute (ANSI), а также НИИИС им. А.Н.Лодыгина», ВНИСИ им. С.И. Вавилова.

 

С точки зрения определения избыточной дозы синего света представляет интерес работа «Оптическая безопасность светодиодного освещения» (CELMA‐ELC LED WG(SM)011_ELC CELMA position paper optical safety LED lighting_Final_July2011). В этом европейском отчете в соответствии с требованием стандарта EN 62471 проведено сравнение спектров солнечного света со светом искусственных источников света (лампой накаливания, люминесцентными и светодиодными лампами). Через призму современной парадигмы гигиенической оценки рассмотрим представленные в этом европейском отчете данные с целью определения избыточной доли синего света в спектре светодиодного источника белого света. На рис. 1 представлен спектральный паттерн светодиода белого света, который состоит из кристалла, излучающего синий свет, и желтого люминофора, которым он покрыт для получения белого света.

.

image001.jpg

Рис. 1. Спектр света белого светодиода.

 

На рис. 1. также указаны реперные точки, на которые должен обращать внимание гигиенист при анализе спектра света от любого источника. С этой точки зрения рассмотрим спектры солнечного света (рис. 2).

 

image002.jpg

Рис.2. Спектр солнечного света в зависимости от времени суток.

 

Из рисунка видно, что в интервале цветовой температуры от 4000 К до 6500 К соблюдаются условия «меланопсинового креста». На энергетическом спектре света амплитуда (А) на 480 нм должна быть всегда больше, чем амплитуда на 460 нм и 450 нм.

При этом доза синего света 460 нм в спектре солнечного света с цветовой температурой 6500 К на 40% больше, чем у солнечного света с цветовой температурой 4000 К.

Эффект «меланопсинового креста» наглядно виден из сравнения спектров ламп накаливания и светодиодной лампы с цветовой температурой 3000 К (рис.3).

 

image003.jpg

Рис. 3. Эффект «меланопсинового креста»

 

Избыточная доля синего света в спектре светодиодного спектра по отношению к доле синего света в спектре лампы накаливания превышает более 55%.

Учитывая выше сказанное, сравним солнечный свет при Тк = 6500 К (6500 К-предельная цветовая температура для сетчатки глаз по Дэвиду Слини, а по санитарным нормам менее 6000 К) со спектром лампы накаливания Тк =2700 К и спектром светодиодной лампы с Тк =4200 К при уровне освещенности 500 люкс. (рис. 4).

image004.jpg

Рис. 4. Сравнение спектров солнечного спектра, лампы накаливания и светодиодных ламп.

 

Из рисунка видно следующее:

- светодиодная лампа (Тк = 4200 К) имеет выброс на 460 нм больше, чем у солнечного света (6500 К);

- в спектре света светодиодной лампы (Тк = 4200 К) провал на 480нм на порядок (в 10 раз) больше, чем в спектре солнечного света (6500 К);

- в спектре света светодиодной лампы (Тк = 4200 К) провал на 480 нм в разы больше, чем в спектре света лампы накаливания (Тк = 2700 К).

Известно, что при светодиодном освещении диаметр зрачка глаза превышает предельные значения - 3 мм (площадь 7 мм2) по ГОСТ Р МЭК 62471-2013 «Лампы и ламповые системы. Светобиологическая безопасность».

Из данных, приведенных на рис.2, видно, что доза синего света 460 нм в спектре солнечного света для цветовой температуры 4000 К намного меньше, чем доза синего света 460 нм в спектре солнечного света при цветовой температуре 6500 К.

Из этого следует, что дозы синего света 460 нм в спектре светодиодного освещения с цветовой температурой 4200 К будет значительно (на 40%) превышать дозу синего света 460 нм в спектре солнечного света с цветовой температурой 4000 К при одинаковом уровне освещенности.

Эта разница между дозами и составляет избыточную дозу синего света при светодиодном освещении относительно солнечного света с той же цветовой температурой и заданным уровнем освещенности. Но эта доза должна быть дополнена дозой синего света от эффекта неадекватности управления зрачком в условиях светодиодного освещения с учетом неравномерности распределения пигментов, поглощающих синий свет 460 нм, по объему и площади. Именно избыточная доза синего света приводит к ускорению деградационных процессов, которые увеличивают риски раннего ухудшения зрения по сравнению с солнечным светом при прочих равных условиях (заданного уровня освещенности, цветовой температурой и эффективной работы желтого пятна сетчатки и т.п.)

 

Физиологические особенности строения глаза, влияющие на безопасное восприятие света

Схема защиты сетчатки глаза сформировалась в условиях солнечного света. При спектре солнечного света происходит адекватное управление диаметром зрачка глаза на закрытие, что приводит к уменьшению дозы солнечного света, попадающего на клетки сетчатки. Диаметр зрачка у взрослого человека изменяется от 1,5 до 8 мм, что обеспечивает изменение интенсивности падающего на сетчатку света примерно в 30 раз.

Уменьшение диаметра зрачка глаза приводит к уменьшению площади световой проекции изображения, которая не превышает площадь «желтого пятна» в центре сетчатки. Защита клеток сетчатки от синего света осуществляется пигментом желтого пятна (с максимум поглощения 460 нм) и формирование которого имеет свою эволюционную историю.

У новорожденных область желтого пятна светло-желтого цвета с нечеткими контурами.

С трех месячного возраста появляется макулярный рефлекс и уменьшается интенсивность желтого цвета.

К одному году определяется фовеолярный рефлекс, центр становится более темным.

К трех - пятилетнему возрасту желтоватый тон макулярной области почти сливается с розовым или красным тоном центральной зоны сетчатки.

Область желтого пятна у детей 7-10 лет и старше, как и у взрослых, определяется по бессосудистой центральной зоне сетчатки и световым рефлексам. Понятие «желтое пятно» возникло в результате макроскопического исследования трупных глаз. На плоскостных препаратах сетчатки видно небольшое пятно желтого цвета. Долгое время химический состав пигмента, окрашивающего эту зону сетчатки, был неизвестен. В настоящее время выделены два пигмента - лютеин и изомер лютеина зеаксантин, которые называют пигментом желтого пятна, или макулярным пигментом. Уровень лютеина выше в местах большей концентрации палочек, уровень зеаксантина - в местах большей концентрации колбочек. Лютеин и зеаксантин относятся к семейству каротиноидов группе натуральных пигментов растительного происхождения. Считается, что лютеин выполняет две важные функции: во-первых, он поглощает вредный для глаз голубой свет; во-вторых, является антиоксидантом, блокирует и удаляет образующиеся под действием света активные формы кислорода. Содержание лютеина и зеаксантина в макуле распределено по площади неравномерно (в центре максимум, а по краям в разы меньше), это значит и защита от синего света (460 нм) минимальна по краям. С возрастом количество пигментов снижается, в организме они не синтезируются, их можно получить только с пищей, поэтому общая эффективность защиты от синего света в центре желтого пятна зависит от качества питания.

 

Эффект неадекватности управления зрачком

На рис. 5. приведена общая схема сравнения проекций светового пятна галогенной лампы (по спектру близка к солнечному спектру) и светодиодной лампы. При светодиодном свете площадь засветки больше, чем от галогенной лампы.

 

image005.jpg

Рис. 5. Сравнение площади световой засветки сетчатки галогенной и светодиодной лампой.

 

По разнице выделенных площадей засветки рассчитывается дополнительная доза синего света от эффекта неадекватности управления зрачком в условиях светодиодного освещения с учетом неравномерности распределения пигментов, поглощающих синий свет 460 нм, по объему и площади. Данная качественная оценка избыточной доли синего света в спектре белых светодиодов может стать методической основой для количественных оценок в будущем. Хотя из этого ясно техническое решение о необходимости заполнения провала в области 480 нм до уровня ликвидации эффекта «меланопсинового креста». Такое решение было оформлено в виде авторского свидетельства на изобретение (Светодиодный источник белого света с комбинируемым удаленным фотолюминесцентным конвектором. Патент № 2502917 от 30.12.2011.). Это обеспечивает приоритет России в области создания светодиодных источников белого света с биологически адекватным спектром. К большому сожалению, эксперты Минпромторга РФ данное направление не приветствуют, что является основанием не финансировать работы в данном направлении, которое касается не только общего освещения (школ, роддомов и т.п.), но и подсветку мониторов и автомобильных фар.

При светодиодном освещении происходит неадекватное управление диаметром зрачка глаза, что создает условия для получения избыточной дозы синего света, которая негативно воздействует на клетки сетчатки (ганглиозные клетки) и ее сосуды. Негативное воздействие избыточной дозы синего света на эти структуры потверждено работами ФГБУН Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН и ФАНО.

Выше выявленные эффекты по неадекватному управлению диаметром зрачка глаза рапространяются на люминесцентные и энергосберегающие лампы (рис. 6). При этом имеет место быть повышенная доля УФ-света при 435 нм («Оптическая безопасность светодиодного освещения» CELMA‐ELC LED WG(SM)011_ELC CELMA position paper optical safety LED lighting_Final_July2011)).

image006.jpg

Рис.6. Спектры люминесцентных ламп с различными значениями коррелированной цветовой температуры.

 

В ходе экспериментов и измерений, проведенных в школах США, а также в российских школах (НИИ гигиены и охраны здоровья детей и подростков НЦЗД РАМН) было установлено, что с уменьшением коррелированной цветовой температуры искусственных источников света увеличивается диаметр зрачка глаза, что создает предпосылки для негативного воздействия синего света на клетки и сосуды сетчатки. С увеличением коррелированной цветовой температуры искусственных источников света уменьшается диаметр зрачка глаза, но не достигает значений диаметра зрачка при солнечном свете. Избыточная доза УФ-синего света приводит к ускорению деградационных процессов, которые увеличивают риски раннего ухудшения зрения по сравнению с солнечным светом при прочих равных условиях.

Повышенная доза синего в спектре светодиодного освещения влияет на здоровье человека и функционирование зрительного анализатора, что увеличивает риски инвалидизации по зрению и здоровью в трудоспособном возрасте.

 

Концепция создания полупроводниковых источников освещения с биологически адекватным светом

В противовес консерватизму экспертов Минпромторга РФ и Инновационного центра «Сколково» культивируемая авторами статьи концепция создания полупроводниковых источников белого света с биологически адекватным светом набирает сторонником по всему миру. Например, в Японии компанией Toshiba Material Co., LTD созданы светодиоды по технологии TRI-R (рис. 7 ).

image007.jpg

Рис.7. Технология TRI-R.

 

Такая комбинация фиолетовых кристаллов и люминофоров позволяет синтезировать светодиоды со спектрами, близкими к спектру солнечного света с различной цветовой температурой, и устранить вышеуказанные недостатки в спектре светодиода (синий кристалл, покрытый желтым люминофором).

На рис. 8. представлено сравнение спектра солнечного света (TK = 6500 К) со спектрами светодиодов по технологии TRI-R и технологии (синий кристалл, покрытый желтым люминофором).

image008.jpg

Рис. 8. Общая картина сравнения спектров света(Источник: http://trir-pj.com/technology/).

 

Из анализа представленных данных видно, что в спектре белого света светодиодов по технологии TRI-R устранен провал на 480 нм и отсутствует избыточная доза синего.

Итак, проведение исследований по выявлению механизмов воздействия света определенного спектра на здоровье человека является государственной задачей. Игнорирование этих механизмов приводит к много миллиардным издержкам.

 

Выводы

  1. В Санитарные Правила записывают нормы из светотехнических нормативных документов, путем перевода европейских стандартов. Эти стандарты формируются специалистами, не всегда являющимися независимыми и проводящими свою национальную техническую политику (национального бизнеса), которая часто не совпадает с национальной технической политикой России.

  2. При светодиодном освещении происходит неадекватное управление диаметром зрачка глаза, что ставит под сомнение корректность фотобиологических оценок по ГОСТ Р МЭК 62471-2013.

  3. Государство не финансирует опережающие исследования по влиянию технологий на здоровье человека, из-за чего врачи-гигиенисты вынуждены адаптировать нормы и требования под технологии, которые продвигается бизнесом по технологиям трансфера.

  4. Технические решения по разработке светодиодов светильников и экранов ПК должны учитывать обеспечение безопасности глаз и здоровья человека, принять меры по исключению эффекта «меланопсинового креста», который имеет место для всех ныне существующих энергосберегающих источников света и подсветки устройств отображения информации.

  5. При светодиодном освещении с белыми светодиодами (синий кристалл и желтый люминофор), которые имеют провал в спектре на 480 нм, идет неадекватное управление диаметром зрачка глаза.

  6. Для родильных домов, детских учреждений и школ должны разрабатываться светильники с биологически адекватным спектром света, учетом особенностей детского зрения и проходить обязательную гигиеническую сертификацию.

Мероприятия

Январь
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
1
2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14 15
16 17 18 19 20 21 22
23 24 25 26 27 28 29
30 31

Есть вопросы
по энергосбережению?

Задайте вопрос эксперту
или позвоните оператору
8 800 301 61 77