К расчету светотехнических установок, учитывающих циркадианные эффекты освещения

Последние десятилетия в светотехнике были отмечены двумя особо значимыми событиями: уникальным, не имеющим прецедента прогрессом светодиодной техники и возрождением повышенного интереса к биологическим процессам, протекающим в организме человека под действием света.

Последнее характеризуется появлением ряда стандартов, акцентирующих внимание на возможных опасностях использования видимого некогерентного излучения, рекомендаций по проектированию осветительных установок (ОУ) и облучательных светотехнических установок (ОСУ) с учетом фотобиологических процессов, а также расширением практики фототерапии при различного рода отклонениях, в том числе гормональных [1–10, 11–20].

Одной из значимых фотобиологических реакций, привлекающей пристальное внимание, является реакция подавления секреции мелатонина, основного гормона, регулирующего циркадианные ритмы человека. Наиболее полно рассматриваемая реакция описана в патенте [12]. Этот патент, наряду с весьма представительным литературным обзором, содержит описание и результаты эксперимента по определению спектра действия реакции подавления секреции мелатонина B_цир(l) (рис. 1).

Рис. 1. Спектр действия фотореакции подавления секреции мелатонина

Следует заметить, что авторы патента [12], тщательно изучив длинноволновую область видимого диапазона спектра вплоть до l = 600 нм, оставили практически без внимания видимую область l< 460 нм и всю длинноволновую часть УФ-спектра. Между тем известно, что в практике лечения САР (сезонного аффективного расстройства) указанная область излучения используется в сочетании с излучением в видимом диапазоне спектра [7, 11]. Последнее может явиться дополнительным доводом в пользу целесообразности использования профилактического УФ-излучения [4, 8, 14, 19].

Вопрос аддитивности воздействия излучения при полихроматическом свете также остался открытым.

Наибольшие трудности в использовании результатов [12] связаны с тем, что все эксперименты проведены при одном и том же времени облучения t, равном 90 мин (в промежутке между 2 и 3:30 ч ночи), т. е. авторы не выявили область правомочности закона взаимозаместимости (13] аналогичный результат был получен при  t = const = 2 час., и он не разрешает сомнений).

Между тем уже сегодня можно рассматривать несколько видов ОУ (ОСУ), в которых учет (или создание) эффективной циркадианной составляющей облучения является обязательным:

• ОСУ для снятия сезонных депрессий;
• ОСУ для коррекции психо-эмоционального состояния при авиаперелетах;
• ОСУ в составе осветительных установок при вахтовых (круглосуточных) работах, на командных пунктах, диспетчерских и т. п.

Эти сферы применения не вызывают никаких сомнений, даже учитывая некоторые дополнительные затраты (в т.ч. электроэнергии). Компенсация этих затрат состоит в сохранении здоровья, повышении производительности труда, снижении брака в работе, снижении несчастных случаев [5, 6, 19]. Заметим, что в этих установках необходимо контролировать уровень «синей опасности» [1].

В настоящее время не очевидна необходимость применения такого рода «дооблучения» в жилых помещениях, хотя в ближайшие годы в этой сфере применения света возможно значительное высвобождение электроэнергии, часть которой может работать во благо здоровья и работоспособности человека.

Во всех остальных случаях, когда человек использует искусственное освещение на рабочем месте (в офисе, цехе, магазине и т. п.), применение указанного дополнительного облучения можно считать целесообразным при разумном сочетании его с естественным освещением и традиционным искусственным светом. Решение вышеозначенных задач предполагает вариацию времени облучения (от десятков минут до нескольких часов) с целью оптимизации экспозиции.

Учитывая это требование, конечную задачу предлагаем решать, сформулировав следующие положения:

• Принимаем диапазон облученности роговицы глаза для реакции подавления секреции мелатонина в пределах 0,015–0,35 Вт/м², несколько сузив диапазон, использованный в эксперименте в [12].
• Время облучения предлагаем варьировать в пределах 0,5–8 ч. Нижняя граница выбирается для фототерапии сезонных депрессий, верхняя продиктована достаточно распространенным временем работы в одну смену.
• Из экспериментальных данных патента [12] имеем зависимость процентного снижения секреции мелатонина от дозы облучения DM = f(e_l × t), где e_l — спектральная облученность от l = 460 нм, находящейся в области максимальной чувствительности фотореакции, время облучения t = 90 мин. (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость снижения секреции мелатонина от дозы облучения (экспозиции)

Указанные данные (рис. 1 и 2) достаточны для расчета светотехнических облучательных установок с учетом циркадианных фотоэффектов.

В таблице 1 приведены оценки основных характеристик ОУ с различными источниками света (ИС) с учетом эффективной циркадианной составляющей. Эффективная циркадианная облученность роговицы глаза от ОУ с различными ИС, отвечающая за подавление мелатонина в плазме крови, e_цир [Вт/м²] определяется как:

e_цир = а × ∫f(l)B_цир(l) × dl,              (1)

где f(l) — спектральное распределение источника излучения в относительных единицах, нм^-1; B_цир(l) — относительный спектр действия подавления секреции мелатонина (рис. 1); а — нормирующий множитель, Вт/м², определенный нами для каждого ИС при освещенности 100 лк.

Эти оценки свидетельствуют о том, что практически для всех источников света, даже при минимальной освещенности, фотореакция подавления секреции мелатонина превышает пороговый уровень, указанный в ряде публикаций [2, 12, 16]. Исключение составляет натриевая лампа высокого давления, где пороговый уровень достигается при повышенной освещенности (500 и 1000 лк).

Контрольная оценка предлагаемого метода расчета циркадианной составляющей излучения проведена по данным [15, 16] и представлена в таблице 2. Авторы [15, 16] опубликовали сведения по величинам освещенности роговицы глаза при различных ИС и соответствующим величинам снижения секреции мелатонина DM [%]. Расчет эффективной циркадианной облученности и экспозиции, а также расчет DM по данным [12] сделан авторами настоящей публикации.

Из таблицы 2 можно видеть, что циркадианный отклик, полученный в [15] и [16] для всех ИС, оказался ниже расчетных данных по предлагаемому нами методу. При этом следует отметить следующее:

• • указанные расхождения сводятся к минимуму при высоких экспозициях и в ОУ с низкими цветовыми температурами (Т_цв< 3000 К);
  • ни в одном из приводимых примеров подавление секреции мелатонина не достигает своего максимума (>70%);
  • эксперимент [12] был основан на классическом принципе использования узкополосных практически монохроматических линий, которые приводят к фотореакции. Практически значимые расчеты ОУ и контрольные оценки по результатам экспериментов по [15] и [16] были сделаны в полихроматическом свете. 

Не исключаем, что высказанные ранее соображения [20] о неаддитивности рассматриваемой реакции справедливы. Тем не менее нам уже сейчас представляется возможным практически использовать выражения B_цир(l) и DM = f(e_цир, t), приведенные в этой статье, вплоть до новых уточнений.

В любом случае авторы считают необходимым продолжить эти исследования, уточнив не только методику расчета ОУ (ОСУ), но и предложив конкретные решения для практической физиотерапии. Особое внимание следует обратить при этом на выбор оптимальных доз эффективного облучения, как в проектировании ОУ (ОСУ), так и в задачах физиотерапии.                         

Авторы выражают благодарность к. т. н. Мудраку Е. И. за оказанную помощь в работе и к. т. н. Розовскому Е. И. за ценные замечания.