In che modo i LED influenzano la visione?

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

L'articolo discute le condizioni per la formazione di una dose eccessiva di luce blu sotto l'illuminazione a LED. È dimostrato che le valutazioni di sicurezza fotobiologica, effettuate secondo GOST R IEC 62471-2013, devono essere chiarite tenendo conto della variazione dei diametri della pupilla dell'occhio sotto illuminazione a LED e della distribuzione spaziale della luce pigmento che assorbe la luce blu (460 nm) nella macula della retina.

Vengono presentati i principi metodologici del calcolo della dose eccessiva di luce blu nello spettro dell'illuminazione a LED in relazione alla luce solare. Viene indicato che oggi negli Stati Uniti e in Giappone il concetto di illuminazione a LED sta cambiando e vengono creati LED a luce bianca che riducono al minimo i rischi di danni alla salute umana. Negli Stati Uniti in particolare, questo concetto si estende non solo all'illuminazione generale, ma anche ai monitor dei computer e ai fari delle auto.

Al giorno d'oggi, l'illuminazione a LED viene introdotta sempre più nelle scuole, negli asili e nelle istituzioni mediche. Per valutare la sicurezza fotobiologica degli apparecchi di illuminazione a LED, GOST R IEC 62471-2013 “Lampade e sistemi di lampade. Sicurezza fotobiologica”. È stato preparato dall'Impresa Unitaria Statale della Repubblica di Mordovia "Istituto di ricerca scientifica sulle sorgenti luminose intitolato a A. N. Lodygin "(Impresa unitaria statale della Repubblica di Mordovia NIIIS dal nome di AN Lodygin") sulla base della propria traduzione autentica in russo della norma internazionale IEC 62471: 2006 "Sicurezza fotobiologica delle lampade e dei sistemi di lampade" (IEC 62471: 2006 "Sicurezza fotobiologica delle lampade e dei sistemi di lampade") ed è identica ad essa (vedere la clausola 4. GOST R IEC 62471-2013).

Un tale trasferimento dell'implementazione standard suggerisce che la Russia non ha una propria scuola professionale per la sicurezza fotobiologica. La valutazione della sicurezza fotobiologica è estremamente importante per garantire la sicurezza dei bambini (generazione) e ridurre le minacce alla sicurezza nazionale.

Analisi comparativa dell'illuminazione solare e artificiale

La valutazione della sicurezza fotobiologica di una sorgente luminosa si basa sulla teoria dei rischi e su una metodologia per quantificare i valori limite di esposizione alla luce blu pericolosa sulla retina. I valori limite degli indicatori di sicurezza fotobiologica sono calcolati per il limite di esposizione specificato del diametro della pupilla di 3 mm (area della pupilla di 7 mm2). Per questi valori del diametro della pupilla dell'occhio, vengono determinati i valori della funzione B (λ): la funzione di rischio spettrale ponderata dalla luce blu, il cui massimo cade nell'intervallo di radiazione spettrale di 435-440 nm.

La teoria dei rischi degli effetti negativi della luce e la metodologia per il calcolo della sicurezza fotobiologica è stata sviluppata sulla base degli articoli fondamentali del fondatore della sicurezza fotobiologica delle sorgenti luminose artificiali, il dott. David H. Sliney.

David H. Sliney ha prestato servizio per molti anni come direttore di divisione presso il Centro per la promozione della salute e la medicina preventiva dell'esercito americano e ha guidato progetti di sicurezza fotobiologica. Nel 2007 ha completato il suo servizio ed è andato in pensione. I suoi interessi di ricerca si concentrano su argomenti relativi all'esposizione ai raggi UV per gli occhi, alle radiazioni laser e alle interazioni con i tessuti, ai rischi laser e all'uso dei laser in medicina e chirurgia. David Sleeney è stato membro, consulente e presidente di numerose commissioni e istituzioni che hanno sviluppato standard di sicurezza per la protezione dalle radiazioni non ionizzanti, in particolare laser e altre sorgenti di radiazioni ottiche ad alta intensità (ANSI, ISO, ACGIH, IEC, WHO, NCRP e ICNIRP). È coautore di The Safety Handbook with Lasers and Other Optical Sources, New York, 1980. Dal 2008 al 2009, il Dr. David Sleeney è stato Presidente dell'American Society of Photobiology.

I principi fondamentali sviluppati da David Sleeney sono alla base della moderna metodologia per la sicurezza fotobiologica delle sorgenti luminose artificiali. Questo schema metodologico viene trasferito automaticamente alle sorgenti luminose a LED. Ha sollevato una grande galassia di seguaci e studenti che continuano ad estendere questa metodologia all'illuminazione a LED. Nei loro scritti, cercano di giustificare e promuovere l'illuminazione a LED attraverso la classificazione dei rischi.

Il loro lavoro è supportato da Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia e altri produttori di illuminazione a LED. Attualmente, il campo di intensa ricerca e analisi delle possibilità (e dei limiti) nel campo dell'illuminazione a LED coinvolge:

• agenzie governative come il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, il Ministero dell'Energia della RF;

• organizzazioni pubbliche come la Illuminating Engineering Society of North America (IESNA), Alliance for Solid-State Illumination and Technologies (ASSIST), International Dark-Sky Assosiation (IDA) e NP PSS RF;

• i maggiori produttori Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia e

Produttori russi Optogan, Svetlana Optoelectronica;

• nonché numerosi istituti di ricerca, università, laboratori: Lighting Research Center at Rensselaer Polytechnic Institute (LRC RPI), National Institute of Standards and Technology (NIST), American National Standard Institute (ANSI), nonché NIIIS im. AN Lodygin , VNISI li. S. I. Vavilov.

Dal punto di vista della determinazione di una dose eccessiva di luce blu, è interessante il lavoro "Illuminazione ottica a LED di sicurezza" (CELMA-ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA position paper illuminazione a LED di sicurezza ottica_Finale_Luglio 2011). Questo rapporto europeo confronta gli spettri della luce solare con sorgenti di luce artificiale (lampade a incandescenza, fluorescenti e LED) in conformità con il requisito della EN 62471. Attraverso il prisma del moderno paradigma della valutazione igienica, considerare i dati presentati in questo rapporto europeo al fine di determinare la proporzione in eccesso di luce blu nello spettro della sorgente di luce bianca a LED. Nella fig. 1 mostra lo schema spettrale di un LED a luce bianca, che consiste in un cristallo che emette luce blu e un fosforo giallo con cui è rivestito per produrre luce bianca.

Nella fig. 1. Sono inoltre indicati i punti di riferimento a cui l'igienista dovrebbe prestare attenzione quando analizza lo spettro della luce da qualsiasi fonte. Da questo punto di vista si considerino gli spettri della luce solare (Fig. 2).

La figura mostra che nell'intervallo di temperatura di colore da 4000 K a 6500 K, si osservano le condizioni della "croce melanopsina". Nello spettro energetico della luce, l'ampiezza (A) a 480 nm deve essere sempre maggiore dell'ampiezza a 460 nm e 450 nm.

Allo stesso tempo, la dose di luce blu 460 nm nello spettro della luce solare con una temperatura di colore di 6500 K è del 40% superiore a quella della luce solare con una temperatura di colore di 4000 K.

L'effetto della "croce melanopsina" è chiaramente visibile dal confronto degli spettri di lampade ad incandescenza e lampade a LED con una temperatura di colore di 3000 K (Fig. 3).

La proporzione in eccesso di luce blu nello spettro dello spettro LED rispetto alla proporzione di luce blu nello spettro di una lampada a incandescenza supera più del 55%.

Considerando quanto sopra, confrontiamo la luce solare a Tc = 6500 K (6500 K è la temperatura di colore limite per la retina secondo David Sleaney, e secondo gli standard sanitari è inferiore a 6000 K) con lo spettro di una lampada ad incandescenza Tc = 2700 K e lo spettro di una lampada a LED con Tc = 4200 K con un livello di illuminazione di 500 lux. (fig. 4).

La figura mostra quanto segue:

- La lampada a LED (Tc = 4200 K) ha un'emissione di 460 nm in più rispetto alla luce solare (6500 K);

- nello spettro luminoso di una lampada a LED (Tc = 4200 K), la caduta a 480 nm è un ordine di grandezza (10 volte) maggiore rispetto allo spettro della luce solare (6500 K);

- nello spettro luminoso di una lampada a LED (Tc = 4200 K), il dip è di 480 nm parecchie volte maggiore rispetto allo spettro luminoso di una lampada ad incandescenza (Tc = 2700 K).

È noto che sotto l'illuminazione a LED, il diametro della pupilla dell'occhio supera i valori limite - 3 mm (area 7 mm2) secondo GOST R IEC 62471-2013 Lampade e sistemi di lampade. Sicurezza fotobiologica”.

Dai dati mostrati in Fig. 2, si può vedere che la dose di luce blu a 460 nm nello spettro della luce solare per una temperatura di colore di 4000 K è molto inferiore alla dose di luce blu a 460 nm nello spettro della luce solare a una temperatura di colore di 6500 K.

Da ciò ne consegue che la dose di luce blu a 460 nm nello spettro dell'illuminazione a LED con una temperatura di colore di 4200 K supererà significativamente (del 40%) la dose di luce blu a 460 nm nello spettro della luce solare con una temperatura di colore di 4000 K allo stesso livello di illuminazione.

Questa differenza tra le dosi è la dose eccessiva di luce blu sotto l'illuminazione a LED rispetto alla luce solare con la stessa temperatura di colore e un dato livello di illuminazione. Ma questa dose dovrebbe essere integrata da una dose di luce blu dall'effetto di un controllo inadeguato della pupilla in condizioni di illuminazione a LED, tenendo conto della distribuzione non uniforme dei pigmenti che assorbono la luce blu di 460 nm in volume e area. È una dose eccessiva di luce blu che porta ad un'accelerazione dei processi di degradazione che aumentano i rischi di disabilità visiva precoce rispetto alla luce solare, a parità di altre condizioni (un dato livello di illuminazione, temperatura di colore e lavoro effettivo della retina maculare, eccetera.)

Caratteristiche fisiologiche della struttura dell'occhio, che influiscono sulla percezione sicura della luce

Il circuito di protezione della retina si è formato alla luce del sole. Con lo spettro della luce solare si ha un adeguato controllo del diametro della pupilla dell'occhio da chiudere, che porta ad una diminuzione della dose di luce solare che raggiunge le cellule della retina. Il diametro della pupilla in un adulto varia da 1,5 a 8 mm, il che fornisce una variazione dell'intensità della luce incidente sulla retina di circa 30 volte.

Una diminuzione del diametro della pupilla dell'occhio porta ad una diminuzione dell'area della proiezione della luce dell'immagine, che non supera l'area della "macchia gialla" al centro della retina. La protezione delle cellule retiniche dalla luce blu è svolta dal pigmento maculare (con un assorbimento massimo di 460 nm) e la cui formazione ha una sua storia evolutiva.

Nei neonati, l'area della macula è di colore giallo chiaro con contorni indistinti.

A partire dai tre mesi di età compare un riflesso maculare e l'intensità del colore giallo diminuisce.

Entro un anno, il riflesso foveolare è determinato, il centro diventa più scuro.

All'età di tre-cinque anni, il tono giallastro dell'area maculare si fonde quasi con il tono rosa o rosso dell'area retinica centrale.

L'area maculare nei bambini di età pari o superiore a 7-10 anni, come negli adulti, è determinata dall'area retinica centrale avascolare e dai riflessi luminosi. Il concetto di "macchia maculare" è sorto a seguito dell'esame macroscopico degli occhi cadaverici. Sulle preparazioni planari della retina è visibile una piccola macchia gialla. Per molto tempo, la composizione chimica del pigmento che colora quest'area della retina era sconosciuta.

Attualmente sono stati isolati due pigmenti: la luteina e l'isomero della luteina zeaxantina, che sono chiamati pigmento maculare o pigmento maculare. Il livello di luteina è maggiore nei luoghi con maggiore concentrazione di bastoncelli, il livello di zeaxantina è maggiore nei luoghi con maggiore concentrazione di coni. Luteina e zeaxantina appartengono alla famiglia dei carotenoidi, un gruppo di pigmenti vegetali naturali. Si ritiene che la luteina abbia due importanti funzioni: in primo luogo, assorbe la luce blu dannosa per gli occhi; in secondo luogo, è un antiossidante, blocca e rimuove le specie reattive dell'ossigeno formate sotto l'influenza della luce. Il contenuto di luteina e zeaxantina nella macula è distribuito in modo non uniforme sull'area (massimo al centro e molte volte inferiore ai bordi), il che significa che la protezione contro la luce blu (460 nm) è minima ai bordi. Con l'età, la quantità di pigmenti diminuisce, non sono sintetizzati nel corpo, possono essere ottenuti solo dal cibo, quindi l'efficacia complessiva della protezione dalla luce blu al centro della macula dipende dalla qualità della nutrizione.

L'effetto di un controllo inadeguato della pupilla

Nella fig. 5. è uno schema generale per confrontare le proiezioni del punto luminoso di una lampada alogena (lo spettro è vicino allo spettro solare) e una lampada a LED. Con la luce a LED, l'area di illuminazione è più ampia rispetto a una lampada alogena.

La differenza nelle aree di illuminazione assegnate viene utilizzata per calcolare una dose aggiuntiva di luce blu dall'effetto di un controllo inadeguato della pupilla in condizioni di illuminazione a LED, tenendo conto della distribuzione non uniforme dei pigmenti che assorbono la luce blu a 460 nm in volume e area. Questa valutazione qualitativa della proporzione in eccesso di luce blu nello spettro dei LED bianchi può diventare una base metodologica per valutazioni quantitative in futuro. Sebbene da ciò sia chiara la decisione tecnica sulla necessità di colmare il divario nella regione di 480 nm al livello di eliminazione dell'effetto della "melanopsina croce". Questa soluzione è stata formalizzata sotto forma di certificato di inventore (sorgente di luce bianca a LED con convettore fotoluminescente remoto combinato. Brevetto n. 2502917 del 2011-12-30.). Ciò garantisce la priorità della Russia nel campo della creazione di sorgenti di luce bianca a LED con uno spettro biologicamente adeguato.

Sfortunatamente, gli esperti del Ministero dell'Industria e del Commercio della Federazione Russa non accolgono con favore questa direzione, motivo per cui non finanziano lavori in questa direzione, che riguardano non solo l'illuminazione generale (scuole, ospedali per la maternità, ecc.), ma anche la retroilluminazione dei monitor e dei fari delle auto.

Con l'illuminazione a LED si verifica un controllo inadeguato del diametro della pupilla dell'occhio, che crea le condizioni per ottenere una dose eccessiva di luce blu, che influisce negativamente sulle cellule della retina (cellule gangliari) e sui suoi vasi. L'effetto negativo di una dose eccessiva di luce blu su queste strutture è stato confermato dai lavori dell'Istituto di Fisica Biochimica. N. M. Emanuele RAS e FANO.

Gli effetti sopra identificati di un controllo inadeguato del diametro della pupilla dell'occhio si applicano alle lampade fluorescenti ea risparmio energetico (Fig. 6). Allo stesso tempo, vi è una maggiore proporzione di luce UV a 435 nm ("Sicurezza ottica dell'illuminazione a LED" CELMA ‐ ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA position paper di sicurezza ottica illuminazione a LED_Finale_Luglio 2011)).

Nel corso di esperimenti e misurazioni effettuate nelle scuole statunitensi, oltre che nelle scuole russe (Istituto di ricerca per l'igiene e la protezione della salute dei bambini e degli adolescenti, SCCH RAMS), è stato riscontrato che con una diminuzione della temperatura di colore correlata degli artificiali sorgenti luminose, il diametro della pupilla dell'occhio aumenta, il che crea i presupposti per un'esposizione negativa alla luce blu su cellule e vasi sanguigni della retina. Con un aumento della temperatura di colore correlata delle sorgenti luminose artificiali, il diametro della pupilla dell'occhio diminuisce, ma non raggiunge i valori del diametro della pupilla alla luce del sole.

Una dose eccessiva di luce UV blu porta ad un'accelerazione dei processi di degradazione che aumentano i rischi di disabilità visiva precoce rispetto alla luce solare, a parità di altre condizioni.

Una maggiore dose di blu nello spettro dell'illuminazione a LED influisce sulla salute umana e sul funzionamento dell'analizzatore visivo, il che aumenta i rischi di disabilità visiva e di salute in età lavorativa.

Il concetto di creare sorgenti luminose a semiconduttore con luce biologicamente adeguata

In contrasto con il conservatorismo degli esperti del Ministero dell'Industria e del Commercio della Federazione Russa e dello Skolkovo Innovation Center, il concetto di creare sorgenti di luce bianca a semiconduttore con luce biologicamente adeguata coltivata dagli autori dell'articolo sta guadagnando sostenitori in tutto il mondo. Ad esempio, in Giappone, Toshiba Material Co., LTD ha creato LED utilizzando la tecnologia TRI-R (Fig. 7).

Tale combinazione di cristalli viola e fosfori consente di sintetizzare LED con spettri vicini allo spettro della luce solare con diverse temperature di colore e di eliminare le suddette carenze nello spettro LED (cristallo blu rivestito di fosforo giallo).

Nella fig. otto.presenta un confronto dello spettro della luce solare (TK = 6500 K) con gli spettri dei LED utilizzando la tecnologia e la tecnologia TRI-R (cristallo blu rivestito di fosforo giallo).

Dall'analisi dei dati presentati si evince che nello spettro di luce bianca dei LED che utilizzano la tecnologia TRI-R, il gap a 480 nm è eliminato e non c'è dose di blu in eccesso.

Quindi, condurre ricerche per identificare i meccanismi dell'effetto della luce di un certo spettro sulla salute umana è un compito statale. Ignorare questi meccanismi porta a miliardi di dollari di costi.

conclusioni

Le Norme Sanitarie registrano le norme dei documenti normativi tecnici illuminotecnici, traducendo le norme europee. Questi standard sono formati da specialisti che non sono sempre indipendenti e svolgono la propria politica tecnica nazionale (attività nazionale), che spesso non coincide con la politica tecnica nazionale della Russia.

Con l'illuminazione a LED si verifica un controllo inadeguato del diametro della pupilla dell'occhio, che mette in dubbio la correttezza delle valutazioni fotobiologiche secondo GOST R IEC 62471-2013.

Lo stato non finanzia la ricerca avanzata sull'impatto della tecnologia sulla salute umana, motivo per cui gli igienisti sono costretti ad adattare le norme e i requisiti alle tecnologie promosse dal business delle tecnologie di trasferimento.

Le soluzioni tecniche per lo sviluppo di lampade a LED e schermi per PC dovrebbero tenere conto della sicurezza degli occhi e della salute umana, adottare misure per eliminare l'effetto della "croce melanopsina", che si verifica per tutte le sorgenti luminose a risparmio energetico attualmente esistenti e la retroilluminazione dei dispositivi di visualizzazione delle informazioni.

Sotto l'illuminazione a LED con LED bianchi (cristallo blu e fosforo giallo), che hanno una lacuna nello spettro a 480 nm, c'è un controllo inadeguato del diametro della pupilla dell'occhio.

Per gli ospedali per la maternità, gli istituti per l'infanzia e le scuole, dovrebbero essere sviluppate lampade con uno spettro di luce biologicamente adeguato, tenendo conto delle caratteristiche della visione dei bambini, e sottoposte a certificazione igienica obbligatoria.

Conclusioni in breve dall'editore:

1. I LED emettono molto intensamente nelle regioni blu e vicine ai raggi UV e molto debolmente in blu.

2. L'occhio "misura" la luminosità per restringere la pupilla del livello del colore non blu, ma blu, che è praticamente assente nello spettro di un LED bianco, quindi l'occhio "pensa" che sia scuro e apre la pupilla più ampia, il che porta al fatto che la retina riceve molte volte più luce (blu e UV) rispetto a quando è illuminata dal sole, e questa luce "brucia" le cellule dell'occhio sensibili alla luce.

3. In questo caso, un eccesso di luce blu nell'occhio porta a un deterioramento della nitidezza dell'immagine. sulla retina si forma un'immagine con un alone.

4. L'occhio dei bambini è di circa un ordine di grandezza più trasparente al blu rispetto a quello degli anziani, quindi il processo di "esaurimento" nei bambini è molte volte più intenso.

5. E non dimenticare che i LED non sono solo l'illuminazione, ma ora quasi tutti gli schermi.

Se diamo un'altra immagine, i danni agli occhi causati dai LED sono simili alla cecità in montagna, che si verifica dal riflesso dei raggi UV dalla neve ed è più pericoloso solo con tempo nuvoloso.

Sorge spontanea la domanda, cosa fare per chi ha già l'illuminazione a led, come al solito, da led di origine sconosciuta?

Mi vengono in mente due opzioni:

1. Aggiungere un'ulteriore illuminazione a luce blu (480 nm).

2. Metti un filtro giallo sulle lampade.

Mi piace di più la prima opzione, perché sono in vendita strisce LED blu (celeste) con radiazione a 475nm. Come puoi verificare qual è la lunghezza d'onda effettiva?

La seconda opzione "mangerà" parte della luce e la lampada sarà più fioca e, inoltre, non si sa anche quale parte del blu rimuoveremo.