Wie beeinflussen LEDs das Sehvermögen?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Der Artikel diskutiert die Bedingungen für die Bildung einer Überdosis an blauem Licht unter LED-Beleuchtung. Es wird gezeigt, dass die nach GOST R IEC 62471-2013 durchgeführten Bewertungen der photobiologischen Sicherheit unter Berücksichtigung der Veränderung des Pupillendurchmessers des Auges unter LED-Beleuchtung und der räumlichen Verteilung des Lichts zu klären sind -Absorption von blauem Licht (460 nm) Pigment in der Makula der Netzhaut.

Die methodischen Grundlagen zur Berechnung der Überdosierung von blauem Licht im Spektrum der LED-Beleuchtung in Bezug auf Sonnenlicht werden vorgestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass sich heute in den USA und Japan das Konzept der LED-Beleuchtung ändert und Weißlicht-LEDs entwickelt werden, die das Risiko von Gesundheitsschäden minimieren. Insbesondere in den USA erstreckt sich dieses Konzept nicht nur auf die Allgemeinbeleuchtung, sondern auch auf Computermonitore und Autoscheinwerfer.

LED-Beleuchtung wird heute immer häufiger in Schulen, Kindergärten und medizinischen Einrichtungen eingesetzt. Zur Bewertung der photobiologischen Sicherheit von LED-Leuchten, GOST R IEC 62471-2013 „Lampen und Lampensysteme. Photobiologische Sicherheit". Es wurde vom Staatlichen Einheitsunternehmen der Republik Mordwinien „Wissenschaftliches Forschungsinstitut für Lichtquellen, benannt nach A. N. Lodygin "(Staatliches Einheitsunternehmen der Republik Mordwinien NIIIS benannt nach AN Lodygin") auf der Grundlage seiner eigenen authentischen Übersetzung ins Russische der internationalen Norm IEC 62471: 2006 "Photobiologische Sicherheit von Lampen und Lampensystemen" (IEC 62471: 2006.) "Photobiologische Sicherheit von Lampen und Lampensystemen") und ist damit identisch (siehe Abschnitt 4. GOST R IEC 62471-2013).

Eine solche Übertragung der Standardimplementierung legt nahe, dass Russland keine eigene Fachschule für photobiologische Sicherheit hat. Die Bewertung der photobiologischen Sicherheit ist äußerst wichtig, um die Sicherheit von Kindern (der Generation) zu gewährleisten und Gefahren für die nationale Sicherheit zu verringern.

Vergleichende Analyse von Solar- und Kunstlicht

Die Bewertung der photobiologischen Sicherheit einer Lichtquelle basiert auf der Risikotheorie und einer Methodik zur Quantifizierung der Grenzwerte der Exposition gegenüber gefährlichem blauem Licht auf der Netzhaut. Die Grenzwerte der Indikatoren der photobiologischen Sicherheit werden für die angegebene Expositionsgrenze des Pupillendurchmessers von 3 mm (Pupillenfläche von 7 mm2) berechnet. Für diese Werte des Augenpupillendurchmessers werden die Werte der Funktion B (λ) bestimmt - die gewichtete spektrale Gefahrenfunktion von blauem Licht, deren Maximum auf den spektralen Strahlungsbereich von 435-440 nm fällt.

Die Theorie der Risiken negativer Lichtwirkungen und die Methodik zur Berechnung der photobiologischen Sicherheit wurde auf der Grundlage der grundlegenden Artikel des Begründers der photobiologischen Sicherheit künstlicher Lichtquellen, Dr. David H. Sliney, entwickelt.

David H. Sliney war viele Jahre als Abteilungsleiter im Zentrum für Gesundheitsförderung und Präventivmedizin der US-Armee tätig und leitete photobiologische Sicherheitsprojekte. 2007 beendete er seinen Dienst und ging in den Ruhestand. Seine Forschungsinteressen konzentrieren sich auf Themen im Zusammenhang mit der UV-Exposition der Augen, Laserstrahlung und Gewebeinteraktionen, Lasergefahren und dem Einsatz von Lasern in Medizin und Chirurgie. David Sleeney war Mitglied, Berater und Vorsitzender zahlreicher Kommissionen und Institutionen, die Sicherheitsstandards zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung, insbesondere Lasern und anderen hochintensiven optischen Strahlungsquellen (ANSI, ISO, ACGIH, IEC, WHO.) entwickelt haben, NCRP und ICNIRP). Er ist Co-Autor des Safety Handbook with Lasers and Other Optical Sources, New York, 1980. Von 2008-2009 war Dr. David Sleeney Präsident der American Society of Photobiology.

Die von David Sleeney entwickelten Grundprinzipien liegen der modernen Methodik zur photobiologischen Sicherheit künstlicher Lichtquellen zugrunde. Dieses methodische Muster wird automatisch auf LED-Lichtquellen übertragen. Es hat eine große Galaxie von Anhängern und Studenten hervorgebracht, die diese Methodik weiterhin auf LED-Beleuchtung ausweiten. In ihren Schriften versuchen sie, die LED-Beleuchtung durch die Klassifizierung von Risiken zu begründen und zu fördern.

Ihre Arbeit wird von Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia und anderen LED-Beleuchtungsherstellern unterstützt. Derzeit umfasst das Feld der intensiven Forschung und Analyse der Möglichkeiten (und Grenzen) im Bereich der LED-Beleuchtung:

• Regierungsbehörden wie das US-Energieministerium, das RF-Energieministerium;

• öffentliche Organisationen wie die Illuminating Engineering Society of North America (IESNA), Alliance for Solid-State Illumination and Technologies (ASSIST), International Dark-Sky Association (IDA) und NP PSS RF;

• die größten Hersteller Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia und

Russische Hersteller Optogan, Svetlana Optoelectronica;

• sowie eine Reihe von Forschungsinstituten, Universitäten, Labors: Lighting Research Center at Rensselaer Polytechnic Institute (LRC RPI), National Institute of Standards and Technology (NIST), American National Standard Institute (ANSI) sowie NIIIS im. AN Lodygin , VNISI ihnen. S. I. Wawilow.

Aus Sicht der Bestimmung einer Blaulicht-Überdosierung ist die Arbeit "Optische Sicherheits-LED-Beleuchtung" (CELMA-ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA-Positionspapier optische Sicherheits-LED-Beleuchtung_Final_Juli2011) von Interesse. Dieser europäische Bericht vergleicht die Spektren des Sonnenlichts mit künstlichen Lichtquellen (Glüh-, Leuchtstoff- und LED-Lampen) gemäß den Anforderungen der EN 62471. Betrachten Sie durch das Prisma des modernen Paradigmas der hygienischen Bewertung die in diesem europäischen Bericht präsentierten Daten, um den Überschussanteil von blauem Licht im Spektrum der LED-Weißlichtquelle zu bestimmen. In Abb. 1 zeigt das Spektralmuster einer Weißlicht-LED, die aus einem blaues Licht emittierenden Kristall und einem gelben Leuchtstoff besteht, mit dem er beschichtet ist, um weißes Licht zu erzeugen.

In Abb. 1. Außerdem sind die Bezugspunkte angegeben, auf die der Hygieniker bei der Analyse des Lichtspektrums einer beliebigen Quelle achten sollte. Betrachten Sie unter diesem Gesichtspunkt die Spektren des Sonnenlichts (Abb. 2).

Die Abbildung zeigt, dass im Bereich der Farbtemperatur von 4000 K bis 6500 K die Bedingungen des "Melanopsin-Kreuzes" eingehalten werden. Im Energiespektrum des Lichts muss die Amplitude (A) bei 480 nm immer größer sein als die Amplitude bei 460 nm und 450 nm.

Gleichzeitig ist die Dosis von blauem Licht 460 nm im Spektrum des Sonnenlichts mit einer Farbtemperatur von 6500 K um 40% höher als die von Sonnenlicht mit einer Farbtemperatur von 4000 K.

Deutlich erkennbar ist die Wirkung des „Melanopsin-Kreuzes“aus einem Vergleich der Spektren von Glühlampen und LED-Lampen mit einer Farbtemperatur von 3000 K (Abb. 3).

Der Überschussanteil von blauem Licht im Spektrum des LED-Spektrums im Verhältnis zum Anteil von blauem Licht im Spektrum einer Glühlampe beträgt mehr als 55 %.

Vergleichen wir in Anbetracht des oben Gesagten das Sonnenlicht bei Tc = 6500 K (6500 K ist die limitierende Farbtemperatur für die Netzhaut nach David Sleaney und nach Hygienestandards weniger als 6000 K) mit dem Spektrum einer Glühlampe Tc = 2700 K und das Spektrum einer LED-Lampe mit Tc = 4200 K bei einer Beleuchtungsstärke von 500 Lux. (Abb. 4).

Die Abbildung zeigt Folgendes:

- LED-Lampe (Tc = 4200 K) hat eine Emission von 460 nm mehr als Sonnenlicht (6500 K);

- im Lichtspektrum einer LED-Lampe (Tc = 4200 K) ist der Einbruch bei 480 nm um eine Größenordnung (10-mal) größer als im Spektrum des Sonnenlichts (6500 K);

- im Lichtspektrum einer LED-Lampe (Tc = 4200 K) ist der Dip um ein Vielfaches größer als im Lichtspektrum einer Glühlampe (Tc = 2700 K).

Es ist bekannt, dass der Durchmesser der Pupille des Auges bei LED-Beleuchtung die Grenzwerte überschreitet - 3 mm (Fläche 7 mm2) gemäß GOST R IEC 62471-2013 „Lampen und Lampensysteme. Photobiologische Sicherheit.

Aus den in Abb. 2 gezeigten Daten ist ersichtlich, dass die Dosis von 460 nm blauem Licht im Spektrum des Sonnenlichts bei einer Farbtemperatur von 4000 K viel geringer ist als die Dosis von 460 nm blauem Licht im Spektrum des Sonnenlichts bei eine Farbtemperatur von 6500 K.

Daraus folgt, dass die Dosis von 460 nm blauem Licht im Spektrum von LED-Beleuchtung mit einer Farbtemperatur von 4200 K die Dosis von 460 nm blauem Licht im Spektrum des Sonnenlichts mit einer Farbtemperatur von. deutlich (um 40 %) übersteigen wird 4000 K bei gleicher Beleuchtungsstärke.

Dieser Dosisunterschied ist die Überdosierung von blauem Licht unter LED-Beleuchtung im Vergleich zu Sonnenlicht mit derselben Farbtemperatur und einer bestimmten Beleuchtungsstärke. Diese Dosis sollte jedoch durch eine Dosis blauen Lichts aufgrund der Wirkung einer unzureichenden Kontrolle der Pupille unter LED-Beleuchtungsbedingungen ergänzt werden, unter Berücksichtigung der ungleichmäßigen Verteilung von Pigmenten, die 460 nm blaues Licht in Volumen und Fläche absorbieren. Es ist eine übermäßige Dosis von blauem Licht, die zu einer Beschleunigung von Abbauprozessen führt, die das Risiko einer frühen Sehbehinderung im Vergleich zum Sonnenlicht unter sonst gleichen Bedingungen (eine bestimmte Beleuchtungsstärke, Farbtemperatur und effektive Arbeit der Makula-Netzhaut) erhöhen, etc.)

Physiologische Merkmale der Struktur des Auges, die die sichere Wahrnehmung von Licht beeinträchtigen

Die Netzhautschutzschaltung wurde im Sonnenlicht gebildet. Mit dem Spektrum des Sonnenlichts gibt es eine ausreichende Kontrolle über den Durchmesser der Pupille des Auges, um sich zu schließen, was zu einer Verringerung der Dosis des Sonnenlichts führt, das die Zellen der Netzhaut erreicht. Der Durchmesser der Pupille eines Erwachsenen variiert zwischen 1,5 und 8 mm, was eine etwa 30-fache Änderung der Intensität des auf die Netzhaut einfallenden Lichts bewirkt.

Eine Verringerung des Durchmessers der Pupille des Auges führt zu einer Verringerung des Bereichs der Lichtprojektion des Bildes, der den Bereich des "gelben Flecks" in der Mitte der Netzhaut nicht überschreitet. Der Schutz der Netzhautzellen vor blauem Licht erfolgt durch das Makulapigment (mit einem Absorptionsmaximum von 460 nm) und dessen Bildung eine eigene Evolutionsgeschichte hat.

Bei Neugeborenen ist der Bereich der Makula hellgelb mit undeutlichen Konturen.

Ab einem Alter von drei Monaten tritt ein Makulareflex auf und die Intensität der Gelbfärbung nimmt ab.

Nach einem Jahr ist der Foveolarreflex bestimmt, das Zentrum wird dunkler.

Im Alter von drei bis fünf Jahren verschmilzt der gelbliche Ton des Makulabereichs fast mit dem Rosa- oder Rotton des zentralen Netzhautbereichs.

Der Makulabereich bei Kindern im Alter von 7-10 Jahren und älter wird wie bei Erwachsenen durch den avaskulären zentralen Netzhautbereich und Lichtreflexe bestimmt. Das Konzept des "Makulaflecks" entstand als Ergebnis der makroskopischen Untersuchung von Leichenaugen. Auf flächigen Präparationen der Netzhaut ist ein kleiner gelber Fleck sichtbar. Die chemische Zusammensetzung des Pigments, das diesen Bereich der Netzhaut färbt, war lange Zeit unbekannt.

Derzeit wurden zwei Pigmente isoliert - Lutein und das Luteinisomer Zeaxanthin, die als Makulapigment oder Makulapigment bezeichnet werden. Der Luteinspiegel ist an den Stellen mit der höheren Konzentration der Stäbchen höher, der Zeaxanthinspiegel an den Stellen mit der höheren Konzentration der Zapfen. Lutein und Zeaxanthin gehören zur Familie der Carotinoide, einer Gruppe natürlicher Pflanzenfarbstoffe. Lutein werden zwei wichtige Funktionen zugeschrieben: Erstens absorbiert es blaues Licht, das für die Augen schädlich ist; zweitens ist es ein Antioxidans, blockiert und entfernt reaktive Sauerstoffspezies, die unter Lichteinfluss gebildet werden. Der Gehalt an Lutein und Zeaxanthin in der Makula ist ungleichmäßig über die Fläche verteilt (maximal in der Mitte, mehrfach weniger an den Rändern), wodurch der Schutz vor blauem Licht (460 nm) an den Rändern minimal ist. Mit zunehmendem Alter nimmt die Menge der Pigmente ab, sie werden im Körper nicht synthetisiert, sie können nur über die Nahrung aufgenommen werden, so dass die Gesamtwirksamkeit des Schutzes vor blauem Licht im Zentrum der Makula von der Qualität der Ernährung abhängt.

Die Wirkung einer unzureichenden Pupillenkontrolle

In Abb. 5. ist ein allgemeines Schema zum Vergleich der Projektionen des Lichtflecks einer Halogenlampe (das Spektrum liegt nahe dem Sonnenspektrum) und einer LED-Lampe. Bei LED-Licht ist die Ausleuchtungsfläche größer als bei einer Halogenlampe.

Die Differenz der zugeteilten Beleuchtungsbereiche wird verwendet, um eine zusätzliche Dosis blauen Lichts aus dem Effekt einer unzureichenden Kontrolle der Pupille unter LED-Beleuchtungsbedingungen zu berechnen, unter Berücksichtigung der ungleichmäßigen Verteilung von Pigmenten, die 460 nm blaues Licht in Volumen und Fläche absorbieren. Diese qualitative Bewertung des Überschussanteils an blauem Licht im Spektrum weißer LEDs kann zukünftig eine methodische Grundlage für quantitative Bewertungen werden. Daraus ergibt sich jedoch die technische Entscheidung über die Notwendigkeit, die Lücke im Bereich von 480 nm bis zur Eliminierung der Wirkung von "Melanopsin-Kreuz" zu füllen. Diese Lösung wurde in Form eines Erfinderzertifikats (LED-Weißlichtquelle mit einem kombinierten fernnachleuchtenden Konvektor. Patent Nr. 2502917 vom 30.12.2011) formalisiert. Dies sichert Russlands Priorität im Bereich der Schaffung von LED-Weißlichtquellen mit einem biologisch adäquaten Spektrum.

Leider begrüßen die Experten des Ministeriums für Industrie und Handel der Russischen Föderation diese Richtung nicht, was der Grund ist, keine Arbeiten in diese Richtung zu finanzieren, die nicht nur die allgemeine Beleuchtung (Schulen, Entbindungskliniken usw.) auch die Hinterleuchtung von Monitoren und Autoscheinwerfern.

Bei LED-Beleuchtung kommt es zu einer unzureichenden Kontrolle des Pupillendurchmessers des Auges, was die Voraussetzungen für den Erhalt einer Überdosis an blauem Licht schafft, die sich negativ auf die Zellen der Netzhaut (Ganglienzellen) und deren Gefäße auswirkt. Die negative Wirkung einer zu hohen Blaulichtdosis auf diese Strukturen wurde durch die Arbeiten des Instituts für Biochemische Physik bestätigt. N. M. Emanuel RAS und FANO.

Die oben genannten Auswirkungen einer unzureichenden Kontrolle des Augenpupillendurchmessers gelten für Leuchtstoff- und Energiesparlampen (Abb. 6). Gleichzeitig besteht ein erhöhter Anteil an UV-Licht bei 435 nm ("Optische Sicherheit der LED-Beleuchtung" CELMA - ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA Positionspapier optische Sicherheit LED-Beleuchtung_Final_Juli2011)).

Bei Experimenten und Messungen an US-Schulen sowie an russischen Schulen (Forschungsinstitut für Hygiene und Gesundheitsschutz von Kindern und Jugendlichen, SCCH RAMS) wurde festgestellt, dass mit einer Abnahme der korrelierten Farbtemperatur von künstlichen Lichtquellen vergrößert sich der Durchmesser der Pupille des Auges, was die Voraussetzung für eine negative blaue Lichteinwirkung auf Zellen und Blutgefäße der Netzhaut schafft. Mit einer Erhöhung der korrelierten Farbtemperatur künstlicher Lichtquellen nimmt der Durchmesser der Pupille des Auges ab, erreicht aber nicht die Werte des Pupillendurchmessers im Sonnenlicht.

Eine übermäßige Dosis von blauem UV-Licht führt zu einer Beschleunigung von Abbauprozessen, die das Risiko einer frühen Sehbehinderung im Vergleich zum Sonnenlicht bei sonst gleichen Bedingungen erhöhen.

Eine erhöhte Blaudosis im Spektrum der LED-Beleuchtung beeinträchtigt die menschliche Gesundheit und die Funktion des visuellen Analysators, was das Risiko einer Seh- und Gesundheitsbehinderung im erwerbsfähigen Alter erhöht.

Das Konzept, Halbleiterlichtquellen mit biologisch adäquatem Licht zu schaffen

Im Gegensatz zum Konservatismus von Experten des Ministeriums für Industrie und Handel der Russischen Föderation und des Skolkovo Innovation Centers findet das von den Autoren des Artikels gepflegte Konzept, Halbleiter-Weißlichtquellen mit biologisch adäquatem Licht zu schaffen, auf der ganzen Welt Anhänger Welt. In Japan beispielsweise hat Toshiba Material Co., LTD LEDs mit der TRI-R-Technologie entwickelt (Abb. 7).

Eine solche Kombination von violetten Kristallen und Leuchtstoffen ermöglicht es, LEDs mit Spektren nahe dem Spektrum des Sonnenlichts mit unterschiedlichen Farbtemperaturen zu synthetisieren und die oben genannten Mängel im LED-Spektrum (blauer Kristall mit gelbem Leuchtstoff beschichtet) zu beseitigen.

In Abb. acht.präsentiert einen Vergleich des Spektrums des Sonnenlichts (TK = 6500 K) mit den Spektren von LEDs mit TRI-R-Technologie und -Technologie (blauer Kristall mit gelbem Phosphor beschichtet).

Aus der Analyse der präsentierten Daten ist ersichtlich, dass im Weißlichtspektrum von LEDs mit TRI-R-Technologie die Lücke bei 480 nm eliminiert wird und keine übermäßige Blaudosis vorhanden ist.

Die Erforschung der Wirkungsmechanismen von Licht eines bestimmten Spektrums auf die menschliche Gesundheit ist daher eine staatliche Aufgabe. Das Ignorieren dieser Mechanismen führt zu Kosten in Milliardenhöhe.

Schlussfolgerungen

Die Hygienevorschriften erfassen Normen aus beleuchtungstechnischen normativen Dokumenten, indem sie europäische Normen übersetzen. Diese Standards werden von Spezialisten gebildet, die nicht immer unabhängig sind und eine eigene nationale technische Politik (nationales Geschäft) betreiben, die oft nicht mit der nationalen technischen Politik Russlands übereinstimmt.

Bei LED-Beleuchtung kommt es zu einer unzureichenden Kontrolle des Augenpupillendurchmessers, was die Richtigkeit der photobiologischen Bewertung nach GOST R IEC 62471-2013 in Frage stellt.

Der Staat fördert keine fortschrittliche Forschung zu den Auswirkungen von Technologie auf die menschliche Gesundheit, weshalb Hygieniker gezwungen sind, die Normen und Anforderungen an die Technologien anzupassen, die von der Transfertechnologiebranche gefördert werden.

Technische Lösungen für die Entwicklung von LED-Lampen und PC-Bildschirmen sollten die Sicherheit der Augen und der menschlichen Gesundheit berücksichtigen, Maßnahmen ergreifen, um die Wirkung des "Melanopsin-Kreuzes", das für alle derzeit existierenden energiesparenden Lichtquellen und Hintergrundbeleuchtungen auftritt, zu eliminieren von Informationsanzeigegeräten.

Unter LED-Beleuchtung mit weißen LEDs (blauer Kristall und gelber Phosphor), die bei 480 nm eine Lücke im Spektrum aufweisen, wird der Augenpupillendurchmesser nicht ausreichend kontrolliert.

Für Entbindungsheime, Kindereinrichtungen und Schulen sollten Lampen mit einem biologisch adäquaten Lichtspektrum unter Berücksichtigung der Eigenschaften des kindlichen Sehvermögens entwickelt und einer obligatorischen hygienischen Zertifizierung unterzogen werden.

Fazit kurz vom Herausgeber:

1. LEDs emittieren sehr hell in blauen und nahen UV-Bereichen und sehr schwach in blau.

2. Das Auge "misst" die Helligkeit, um die Pupille nicht um die blaue, sondern um die blaue Farbe zu verengen, die im Spektrum einer weißen LED praktisch nicht vorhanden ist, daher "denkt" das Auge, dass es dunkel ist und öffnet die Pupille weiter, was dazu führt, dass die Netzhaut um ein Vielfaches mehr Licht (Blau und UV) als bei Sonnenbestrahlung erhält und dieses Licht die lichtempfindlichen Zellen des Auges "ausbrennt".

3. In diesem Fall führt ein Überschuss an blauem Licht im Auge zu einer Verschlechterung der Bildschärfe. Auf der Netzhaut entsteht ein Bild mit einem Heiligenschein.

4. Das Auge von Kindern ist für Blau etwa eine Größenordnung transparenter als das von älteren Menschen, daher ist der Prozess des "Ausbrennens" bei Kindern um ein Vielfaches intensiver.

5. Und vergessen Sie nicht, dass LEDs nicht nur beleuchten, sondern mittlerweile fast alle Bildschirme.

Wenn wir noch ein Bild geben, dann ist die Augenschädigung durch LEDs vergleichbar mit Blindheit in den Bergen, die durch die Reflexion von UV-Strahlen vom Schnee auftritt und nur bei bewölktem Wetter gefährlicher ist.

Es stellt sich die Frage, was für diejenigen zu tun ist, die bereits LED-Beleuchtung haben, wie üblich von LEDs unbekannter Herkunft?

Zwei Möglichkeiten fallen mir ein:

1. Fügen Sie zusätzliche Beleuchtung mit blauem Licht (480 nm) hinzu.

2. Setzen Sie einen Gelbfilter auf die Lampen.

Ich mag die erste Option mehr, weil Im Angebot sind blaue (hellblaue) LED-Streifen mit 475nm Strahlung. Wie können Sie die tatsächliche Wellenlänge überprüfen?

Die zweite Option "frisst" einen Teil des Lichts und die Lampe wird dunkler, und außerdem ist nicht bekannt, welchen Teil des Blaus wir entfernen werden.