Hur påverkar lysdioder synen?

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Artikeln diskuterar förutsättningarna för bildandet av en överdos av blått ljus under LED-belysning. Det har visat sig att bedömningarna av fotobiologisk säkerhet, utförda i enlighet med GOST R IEC 62471-2013, måste förtydligas med hänsyn till förändringen i diametrarna för ögats pupill under LED-belysning och den rumsliga fördelningen av ljuset -absorberar blått ljus (460 nm) pigment i gula fläcken på näthinnan.

De metodologiska principerna för att beräkna överdosen av blått ljus i spektrumet av LED-belysning i förhållande till solljus presenteras. Det indikeras att idag i USA och Japan förändras konceptet med LED-belysning och LED-lampor med vitt ljus skapas som minimerar riskerna för människors hälsoskador. I synnerhet i USA sträcker sig detta koncept inte bara till allmän belysning, utan även till datorskärmar och bilstrålkastare.

Nuförtiden introduceras LED-belysning mer och mer i skolor, förskolor och medicinska institutioner. För att bedöma den fotobiologiska säkerheten för LED-armaturer, GOST R IEC 62471-2013 “Lampor och lampsystem. Fotobiologisk säkerhet". Det utarbetades av det statliga enhetsföretaget i Republiken Mordovia "Scientific Research Institute of Light Sources uppkallat efter A. N. Lodygin "(State Unitary Enterprise of the Republic of Mordovia NIIIS uppkallad efter AN Lodygin") på grundval av sin egen autentiska översättning till ryska av den internationella standarden IEC 62471: 2006 "Photobiological safety of lamps and lamp systems" (IEC 62471: 2006) "Fotobiologisk säkerhet för lampor och lampsystem ") och är identisk med den (se klausul 4. GOST R IEC 62471-2013).

En sådan överföring av standardimplementeringen tyder på att Ryssland inte har sin egen professionella skola för fotobiologisk säkerhet. Bedömningen av fotobiologisk säkerhet är oerhört viktig för att säkerställa säkerheten för barn (generation) och för att minska hoten mot den nationella säkerheten.

Jämförande analys av solenergi och artificiell belysning

Bedömningen av den fotobiologiska säkerheten för en ljuskälla baseras på teorin om risker och en metodik för att kvantifiera gränsvärdena för exponering för farligt blått ljus på näthinnan. Gränsvärdena för indikatorerna för fotobiologisk säkerhet beräknas för den specificerade exponeringsgränsen för pupilldiametern på 3 mm (pupillarea på 7 mm2). För dessa värden på ögonpupilldiametern bestäms värdena för funktionen B (λ) - den viktade spektrala riskfunktionen från blått ljus, vars maximum faller på det spektrala strålningsområdet 435-440 nm.

Teorin om risker för negativa effekter av ljus och metodiken för att beräkna fotobiologisk säkerhet utvecklades på grundval av de grundläggande artiklarna av grundaren av fotobiologisk säkerhet för artificiella ljuskällor, Dr David H. Sliney.

David H. Sliney har under många år tjänstgjort som divisionschef vid den amerikanska arméns Center for Health Promotion and Preventive Medicine och har lett fotobiologiska säkerhetsprojekt. 2007 avslutade han sin tjänst och gick i pension. Hans forskningsintressen fokuserar på ämnen relaterade till UV-exponering för ögonen, laserstrålning och vävnadsinteraktioner, laserfaror och användningen av laser inom medicin och kirurgi. David Sleeney har fungerat som medlem, konsult och ordförande i ett flertal kommissioner och institutioner som har utvecklat säkerhetsstandarder för skydd mot icke-joniserande strålning, särskilt lasrar och andra högintensiva optiska strålningskällor (ANSI, ISO, ACGIH, IEC, WHO, NCRP och ICNIRP). Han var medförfattare till The Safety Handbook with Lasers and Other Optical Sources, New York, 1980. Från 2008-2009 var Dr. David Sleeney ordförande för American Society of Photobiology.

De grundläggande principerna som utvecklats av David Sleeney ligger till grund för den moderna metodiken för den fotobiologiska säkerheten för artificiella ljuskällor. Detta metodmönster överförs automatiskt till LED-ljuskällor. Det har gett upp en stor galax av anhängare och studenter som fortsätter att utöka denna metodik till LED-belysning. I sina skrifter försöker de motivera och främja LED-belysning genom klassificering av risker.

Deras arbete stöds av Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia och andra LED-belysningstillverkare. För närvarande omfattar området för intensiv forskning och analys av möjligheterna (och begränsningarna) inom området LED-belysning:

• statliga myndigheter som US Department of Energy, RF Ministry of Energy;

• Offentliga organisationer som Illuminating Engineering Society of North America (IESNA), Alliance for Solid-State Illumination and Technologies (ASSIST), International Dark-Sky Assosiation (IDA) och NP PSS RF;

• de största tillverkarna Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia och

Ryska tillverkare Optogan, Svetlana Optoelectronica;

• samt ett antal forskningsinstitut, universitet, laboratorier: Lighting Research Center vid Rensselaer Polytechnic Institute (LRC RPI), National Institute of Standards and Technology (NIST), American National Standard Institute (ANSI), samt NIIIS im. AN Lodygin , VNISI dem. SI. Vavilov.

Med tanke på att fastställa en överdos av blått ljus är arbetet "Optisk säkerhets LED-belysning" (CELMA-ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA position paper optisk säkerhet LED-belysning_Final_July2011) av intresse. Denna europeiska rapport jämför solljusspektra med artificiella ljuskällor (glödlampor, lysrör och LED-lampor) i enlighet med kravet i EN 62471. Genom prismat av det moderna paradigmet för hygienisk bedömning, överväga data som presenteras i denna europeiska rapport för att bestämma överskottsandelen av blått ljus i spektrumet av den vita LED-ljuskällan. I fig. 1 visar spektralmönstret för en LED med vitt ljus, som består av en kristall som emitterar blått ljus och en gul fosfor med vilken den är belagd för att producera vitt ljus.

I fig. 1. Det anges också referenspunkterna som hygienisten bör vara uppmärksam på när han analyserar ljusspektrumet från vilken källa som helst. Ur denna synvinkel, betrakta spektra av solljus (Fig. 2).

Figuren visar att i intervallet för färgtemperatur från 4000 K till 6500 K observeras villkoren för "melanopsin-korset". På ljusets energispektrum måste amplituden (A) vid 480 nm alltid vara större än amplituden vid 460 nm och 450 nm.

Samtidigt är dosen av blått ljus 460 nm i solljusspektrat med en färgtemperatur på 6500 K 40 % högre än för solljus med en färgtemperatur på 4000 K.

Effekten av "melanopsin-korset" är tydligt synlig från en jämförelse av spektra av glödlampor och LED-lampor med en färgtemperatur på 3000 K (Fig. 3).

Den överskjutande andelen blått ljus i LED-spektrumets spektrum i förhållande till andelen blått ljus i spektrumet av en glödlampa överstiger mer än 55 %.

Med tanke på ovanstående, låt oss jämföra solljus vid Tc = 6500 K (6500 K är den begränsande färgtemperaturen för näthinnan enligt David Sleaney, och enligt sanitära standarder är den mindre än 6000 K) med spektrumet för en glödlampa Tc = 2700 K och spektrumet för en LED-lampa med Tc = 4200 K vid en belysningsnivå på 500 lux. (fig. 4).

Bilden visar följande:

- LED-lampa (Tc = 4200 K) har en emission på 460 nm mer än solljus (6500 K);

- i ljusspektrumet för en LED-lampa (Tc = 4200 K), är sänkningen vid 480 nm en storleksordning (10 gånger) större än i solljusspektrumet (6500 K);

- i ljusspektrumet för en LED-lampa (Tc = 4200 K) är sänkningen 480 nm flera gånger större än i ljusspektrumet för en glödlampa (Tc = 2700 K).

Det är känt att under LED-belysning överstiger diametern på ögats pupill gränsvärdena - 3 mm (area 7 mm2) enligt GOST R IEC 62471-2013 "Lampor och lampsystem. Fotobiologisk säkerhet".

Av data som visas i fig. 2 kan man se att dosen av 460 nm blått ljus i solljusspektrumet för en färgtemperatur på 4000 K är mycket mindre än dosen av 460 nm blått ljus i solljusspektrumet vid en färgtemperatur på 6500 K.

Av detta följer att dosen av 460 nm blått ljus i spektrumet av LED-belysning med en färgtemperatur på 4200 K avsevärt (med 40%) kommer att överstiga dosen av 460 nm blått ljus i spektrumet av solljus med en färgtemperatur på 4000 K vid samma belysningsnivå.

Denna skillnad mellan doserna är överdosen av blått ljus under LED-belysning i förhållande till solljus med samma färgtemperatur och en given belysningsnivå. Men denna dos bör kompletteras med en dos blått ljus från effekten av otillräcklig kontroll av pupillen under LED-ljusförhållanden, med hänsyn till den ojämna fördelningen av pigment som absorberar 460 nm blått ljus i volym och yta. Det är en överdriven dos av blått ljus som leder till en acceleration av nedbrytningsprocesser som ökar riskerna för tidig synnedsättning i jämförelse med solljus, allt annat lika (en given belysningsnivå, färgtemperatur och effektivt arbete av makulanäthinnan), etc.)

Fysiologiska egenskaper hos ögats struktur, som påverkar den säkra uppfattningen av ljus

Näthinnans skyddskretsar bildades i solljus. Med spektrumet av solljus finns det en adekvat kontroll av diametern på ögats pupill för att stänga, vilket leder till en minskning av dosen av solljus som når cellerna i näthinnan. Diametern på pupillen hos en vuxen varierar från 1,5 till 8 mm, vilket ger en förändring i intensiteten av ljuset som faller in på näthinnan med cirka 30 gånger.

En minskning av diametern på ögats pupill leder till en minskning av området för ljusprojektionen av bilden, som inte överstiger området för den "gula fläcken" i mitten av näthinnan. Skyddet av retinala celler från blått ljus utförs av makulapigmentet (med ett absorptionsmaximum på 460 nm) och vars bildande har sin egen evolutionära historia.

Hos nyfödda är området av gula fläcken ljusgul till färgen med otydliga konturer.

Från tre månaders ålder uppträder en makulär reflex och intensiteten av den gula färgen minskar.

Efter ett år bestäms foveolreflexen, centrum blir mörkare.

Vid en ålder av tre till fem år smälter den gulaktiga tonen i makulaområdet nästan samman med den rosa eller röda tonen i det centrala retinalområdet.

Makulaområdet hos barn 7-10 år och äldre, liksom hos vuxna, bestäms av det avaskulära centrala retinalområdet och ljusreflexer. Begreppet "makulafläck" uppstod som ett resultat av makroskopisk undersökning av kadaveriska ögon. På plana preparat av näthinnan är en liten gul fläck synlig. Under lång tid var den kemiska sammansättningen av pigmentet som färgar detta område av näthinnan okänd.

För närvarande har två pigment isolerats - lutein och luteinisomeren zeaxanthin, som kallas makulapigment eller makulapigment. Nivån av lutein är högre på platser med högre koncentration av stavar, nivån av zeaxantin är högre på platser med högre koncentration av kottar. Lutein och zeaxanthin tillhör karotenoidfamiljen, en grupp naturliga växtpigment. Lutein tros ha två viktiga funktioner: för det första absorberar det blått ljus som är skadligt för ögonen; för det andra är det en antioxidant, blockerar och tar bort reaktiva syreämnen som bildas under påverkan av ljus. Innehållet av lutein och zeaxantin i gula fläcken är ojämnt fördelat över området (maximalt i mitten, och flera gånger mindre vid kanterna), vilket gör att skyddet mot blått ljus (460 nm) är minimalt i kanterna. Med åldern minskar mängden pigment, de syntetiseras inte i kroppen, de kan bara erhållas från mat, så den övergripande effektiviteten av skydd mot blått ljus i mitten av gula fläcken beror på näringskvaliteten.

Effekten av otillräcklig elevkontroll

I fig. 5. är ett allmänt schema för att jämföra projektionerna av ljusfläcken hos en halogenlampa (spektrumet ligger nära solspektrumet) och en LED-lampa. Med LED-ljus är belysningsytan större än med en halogenlampa.

Skillnaden i de tilldelade belysningsområdena används för att beräkna en extra dos av blått ljus från effekten av otillräcklig kontroll av pupillen under LED-ljusförhållanden, med hänsyn tagen till den ojämna fördelningen av pigment som absorberar 460 nm blått ljus i volym och area. Denna kvalitativa bedömning av överskottsandelen av blått ljus i spektrumet av vita lysdioder kan bli en metodologisk grund för kvantitativa bedömningar i framtiden. Även om det från detta är klart det tekniska beslutet om behovet av att fylla gapet i området 480 nm till nivån för eliminering av effekten av "melanopsin cross". Denna lösning formaliserades i form av ett uppfinnarcertifikat (vit LED-ljuskälla med en kombinerad fjärrfotoluminescerande konvektor. Patent nr 2502917 daterad 2011-12-30). Detta säkerställer Rysslands prioritet inom området för att skapa vita LED-ljuskällor med ett biologiskt adekvat spektrum.

Tyvärr välkomnar inte experterna från Rysslands industri- och handelsministerium denna riktning, vilket är anledningen till att inte finansiera arbete i denna riktning, som inte bara gäller allmän belysning (skolor, förlossningssjukhus, etc.), men även bakgrundsbelysningen av bildskärmar och bilstrålkastare.

Med LED-belysning uppstår otillräcklig kontroll av diametern på ögats pupill, vilket skapar förutsättningar för att få en överdos av blått ljus, vilket negativt påverkar cellerna i näthinnan (ganglionceller) och dess kärl. Den negativa effekten av en överdos av blått ljus på dessa strukturer bekräftades av Institutet för biokemisk fysik. N. M. Emanuel RAS och FANO.

De ovan identifierade effekterna av otillräcklig kontroll av ögonpupilldiametern gäller lysrör och energisnåla lampor (fig. 6). Samtidigt finns en ökad andel UV-ljus vid 435 nm ("Optical safety of LED lighting" CELMA ‐ ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA position paper optical safety LED lighting_Final_July2011)).

Under experiment och mätningar utförda i amerikanska skolor, såväl som i ryska skolor (Research Institute of Hygiene and Health Protection of Children and Adolescents, SCCH RAMS), fann man att med en minskning av den korrelerade färgtemperaturen för artificiell ljuskällor ökar diametern på ögats pupill, vilket skapar förutsättningar för en negativ exponering för blått ljus på celler och blodkärl i näthinnan. Med en ökning av den korrelerade färgtemperaturen för artificiella ljuskällor minskar diametern på ögats pupill, men når inte värdena för pupillens diameter i solljus.

En för hög dos av UV-blått ljus leder till en acceleration av nedbrytningsprocesser som ökar riskerna för tidig synnedsättning jämfört med solljus, allt annat lika.

En ökad dos av blått i LED-belysningens spektrum påverkar människors hälsa och den visuella analysatorns funktion, vilket ökar riskerna för funktionshinder i syn och hälsa i arbetsför ålder.

Konceptet att skapa halvledarljuskällor med biologiskt adekvat ljus

I motsats till konservatismen hos experter från Ryska federationens industri- och handelsministerium och Skolkovo Innovation Center, vinner konceptet att skapa vita halvledarljuskällor med biologiskt adekvat ljus som odlas av artikelförfattarna en anhängare över hela världen. värld. Till exempel, i Japan har Toshiba Material Co., LTD skapat lysdioder med hjälp av TRI-R-teknik (Fig. 7).

En sådan kombination av violetta kristaller och fosfor gör det möjligt att syntetisera lysdioder med spektra nära spektrumet av solljus med olika färgtemperaturer, och att eliminera ovanstående brister i LED-spektrumet (blå kristall belagd med gul fosfor).

I fig. åtta.presenterar en jämförelse av spektrumet av solljus (TK = 6500 K) med spektra av lysdioder som använder TRI-R-teknik och teknologi (blå kristall belagd med gul fosfor).

Från analysen av de presenterade uppgifterna kan det ses att i det vita ljusspektrumet för lysdioder som använder TRI-R-tekniken elimineras gapet vid 480 nm och det finns ingen överskottsdos av blått.

Så att bedriva forskning för att identifiera mekanismerna för effekten av ljus från ett visst spektrum på människors hälsa är en statlig uppgift. Att ignorera dessa mekanismer leder till miljarder dollar i kostnader.

Slutsatser

Sanitära regler registrerar normer från belysningstekniska normativa dokument, genom att översätta europeiska standarder. Dessa standarder bildas av specialister som inte alltid är oberoende och utför sin egen nationella tekniska policy (nationell verksamhet), som ofta inte sammanfaller med Rysslands nationella tekniska policy.

Med LED-belysning uppstår otillräcklig kontroll av ögonpupilldiametern, vilket ställer tvivel om riktigheten av fotobiologiska bedömningar enligt GOST R IEC 62471-2013.

Staten finansierar inte avancerad forskning om teknikens inverkan på människors hälsa, varför hygienister tvingas anpassa normerna och kraven till de teknologier som främjas av överföringsteknikverksamheten.

Tekniska lösningar för utveckling av LED-lampor och PC-skärmar bör ta hänsyn till att säkerställa säkerheten för ögon och människors hälsa, vidta åtgärder för att eliminera effekten av "melanopsin cross", som uppstår för alla för närvarande befintliga energibesparande ljuskällor och bakgrundsbelysning informationsvisningsenheter.

Under LED-belysning med vita lysdioder (blå kristall och gul fosfor), som har ett gap i spektrumet vid 480 nm, finns det otillräcklig kontroll av ögonpupilldiametern.

För förlossningssjukhus, barninstitutioner och skolor bör lampor med ett biologiskt adekvat ljusspektrum, med hänsyn till egenskaperna hos barns syn, utvecklas och genomgå obligatorisk hygiencertifiering.

Kortfattat slutsatser från redaktören:

1. Lysdioder avger mycket starkt i blått och nära UV-områden och mycket svagt i blått.

2. Ögat "mäter" ljusstyrkan för att minska pupillen med nivån av inte blå, utan blå färg, som praktiskt taget saknas i spektrumet av en vit LED, därför "tänker" ögat att det är mörkt och öppnar pupillen bredare, vilket leder till att näthinnan får många gånger mer ljus (blått och UV) än när den belyses av solen, och detta ljus "bränner ut" ögats ljuskänsliga celler.

3. I det här fallet leder ett överskott av blått ljus i ögat till en försämring av bildens klarhet. en bild med en gloria bildas på näthinnan.

4. Barns öga är ungefär en storleksordning mer transparent för blått än hos äldre, därför är processen att "bränna ut" hos barn många gånger mer intensiv.

5. Och glöm inte att lysdioder inte bara är belysning, utan nu nästan alla skärmar.

Om vi ger en bild till, så är ögonskador från lysdioder besläktad med blindhet i bergen, som uppstår från reflektion av UV från snö och är farligare bara i molnigt väder.

Frågan uppstår, vad ska man göra för dem som redan har LED-belysning, som vanligt, från lysdioder av okänt ursprung?

Två alternativ kommer att tänka på:

1. Lägg till ytterligare blåljus (480nm) belysning.

2. Sätt ett gult filter på lamporna.

Jag gillar det första alternativet mer, eftersom det finns till rea blå (ljusblå) LED-remsor med 475nm strålning. Hur kan du kontrollera vad den faktiska våglängden är?

Det andra alternativet kommer att "äta" en del av ljuset och lampan kommer att bli svagare, och dessutom är det också okänt vilken del av det blå vi kommer att ta bort.