Функциональное состояние зрительного анализатора при использовании традиционных и светодиодных источников света

Выполнена экспериментальная работа по изучению возможности применения светодиодного освещения (светодиодных источников света) на железнодорожном транспорте для профессий, связанных с безопасностью движения.

Проведены четыре серии исследований с участием 10 волонтеров по изучению и сравнительной оценке функционального состояния зрительного анализатора, общего функционального состояния и умственной работоспособности при выполнении моделируемой операторской деятельности в условиях традиционных (лампа накаливания, люминесцентный светильник) и новых светодиодных (светодиодный светильник, светодиодная панель) источников света, при которых выявлены изменения негативного характера. Это выразилось в некотором снижении функциональной устойчивости к цветоразличению зеленого и красного сигналов, а также в увеличении времени реагирования при сложной зрительно-моторной реакции и значимом снижении готовности к экстренному действию у обследованных.


Орган зрения, обеспечивая до 85% информации о внешней среде, функционирует в разных режимах освещения, каждый из которых отличается характером воздействия: дневной (световой) режим, сумеречный (промежуточный) режим, ночной (скотопический) режим.

Кроме своей основной функции, свет, попадающий в человеческий глаз, дает целый ряд биологических и поведенческих эффектов: обусловливает секрецию мелатонина и кортизона, циркадные изменения.

Исследования Института неврологии Университета Томаса Джефферсона (США) показали, что в глазах человека, кроме колбочек и палочек, обеспечивающих формирование зрительных образов и распознавание цвета, имеется третий тип фоторецепторов, не влияющих на зрительный процесс. Эти вновь открытые клетки расположены в нижней части сетчатки, содержат светочувствительный пигмент меланопсин, который преобразует световое излучение в электрические сигналы и передают их в так называемое супрахиазматическое ядро гипоталамуса, влияя на функции шишковидной железы, и тем самым регулирует гормональную динамику в организме. Это поддерживает естественную настройку «внутренних биологических часов» организма, т. е. стабилизацию циркадной ритмики организма: «день - бодрствование, ночь - сон».

После изобретения электрической лампочки свет в ночное время стал существенной частью образа жизни, приводя к серьезным расстройствам поведения и состояния здоровья, включая сердечно-сосудистые и онкологические заболевания. Согласно гипотезе циркадной деструкции, такое изменение светового режима нарушает эндогенный суточный ритм, подавляет ночную секрецию мелатонина и снижает его концентрацию в крови.

Результаты исследований показали, что освещенность в 1,3—4,0 лк монохромного синего света или 100 лк белого света подавляет продук­цию мелатонина, продуцируемого эпифизом.

Суточная динамика уровня мелатонина в крови (мелатониновая кривая) имеет некоторые сходные черты у всех людей. Так, его концентрация, ничтожная днем (1—3 пг/мл), начинает возрастать часа за два до привычного для субъекта времени отхода ко сну (если нет яркого света).

После выключения света концентрация мелатонина быстро повышается (до 100—300 пг/мл). В предутренние часы обычно начинается спад, который завершается после пробуждения. Для каждого человека мелатониновая кривая довольно стабильна от ночи к ночи, а у разных людей одного пола и возраста кривые в деталях настолько различаются, что можно говорить об индивидуальной кривой, характеризующей личность.

Специфическая компонента солнечного света — коротковолновые голубые лучи в узком диапазоне спектра (446-483 нм) — чрезвычайно активна для регуляции продукции мелатонина.


Таблица 1

Величины Acv для естественных и искусственных источников света

Источник света

Acv

Цветовая температура излучения, K

Прямой свет Солнца

0,83

5081

Облачный небосвод

1,73

6900

Открытый голубой не­босвод

1,02

19 960

Прямой свет Луны

0,62


Пламя свечи

0,2

1900

Лампа накаливания

0,35-0,38

2700

Натриевая лампа высокого давления

0,21

2100

Люминесцентная лампа теплого белого света

0,36

2820

Люминесцентная лампа нейтрального белого света

0,6

3680

Люминесцентная лампа холодного дневного света

1,18

7000

Белый светодиод

1,5-2,0

4700

Голубой светодиод

>= 6,9

Доминирующая длина волны излучения: 468 нм


Последними исследованиями установлено, что именно эта компонента переключает внутренние часы организма человека через продукцию мелатонина.

Наибольшее подавление синтеза мелатонина приходится на узкую полосу в пределах 460-470 нм.

В результате экспериментов с источниками света - зеленым и синим (с длиной волны 480 нм) установлено, что зеленый свет не оказывал влияния на циркадный ритм и содержание мелатонина - гормона, который вырабатывается в ночное время. При воздействии синего света отмечено 57% снижение уровня мелатонина у мужчин. Более того, биологические часы сдвинулись на 1,2 ч, одновременно повысился уровень тревожности (оцениваемый по а-ритму).

Среди вопросов, вызывающих наибольшее беспокойство, указываются токсическое действие синего света и риск ослепления, а также то, что синий свет, необходимый для получения белого свечения светодио­да, вызывает токсический стресс в сетчатке.

Голубой свет создает фотохимический риск для глаз, уровень которого зависит от накопленной дозы синего света, которая, как правило, формируется в результате низкоинтенсивного воздействия в течение длительного периода.

Далее сообщается, что голубой свет признается вредным и опасным для сетчатки в результате клеточного окислительного стресса, а особому риску подвергаются 3 группы: дети, пожилые люди и работники, деятельность которых протекает в условиях высокого уровня освещения.

Кроме того, в процессе эксплуатации происходит прогрессивный износ слоев люминофора белых светодиодов, который со временем может привести к переходу устройств из одной фотобиологической группы риска в другую, более высокую группу.

В качестве одного из новых критериев оценки эффективности искусственных источников света предложен коэффициент циркадной эффективности - биологического действия излучения лампы:

Acv = [|феХ c(X) dX]/faeX V(X) dX,

Где ФеХ - спектральная интенсивность лучистого потока; c(X) - спектральная циркадная эффективность действия излучения; V(X) - относительная спектральная чувствительность глаза для дневного зрения.

Величина Acv характеризует соотношение долей излучения, обеспечивающих визуальные (зрительные) функции и оказывающих биологическое действие (табл. 1).

В последние годы широкое распространение находят светодиодные источники света, призванные обеспечить достаточный уровень освещенности при снижении энергопотребления (табл. 2).


Таблица 2

Сравнительная характеристика разных источников света

Тип источника света Полная
мощ­
ность,
Вт
Удельная
плотность
мощно­
сти,
Вт/см2
Объемная
плотность
мощности,
Вт/см3
Темпе­ратура поверхно­сти, Co
Стандартная
люминесцентная
лампа
80 0,1-0,2 20 50-60
Энергосберега­ющая люминес­центная лампа 10 0,35 60-80 50-75
Дуговая лампа 250 4-5 200-300 150-180
Светодиод 1 x 1 мм2 1,0 45-50 2500-3000 125-150

Отмечая перспективность применения светодиодного освещения, необходимо подчеркнуть, что светодиодные источники света, по спектру и температуре излучения отличающиеся от традиционных, способны оказывать негативное влияние как на орган зрения, так и на весь организм в целом.

Нашими институтами по заданию Управления охраны труда, промышленной безопасности и экологического контроля ОАО «РЖД» выполнена работа по изучению возможности применения светодиодного освещения (светодиодных источников света) на железнодорожном транспорте при выполнении работы в профессиях, связанных с безопас­ностью движения, прежде всего машинистов-водителей и диспетчеров- операторов.

Для этого с участием 10 волонтеров в возрасте от 30 до 60 лет были выполнены 4 серии исследований при применении разных источников света: традиционных (лампы накаливания, люминесцентные) и новых (светодиодных).

Каждое исследование состояло из трех этапов.

На первом (фоновом) этапе у испытуемого регистрировали показатели функционального состояния зрительного анализатора и общего функционального состояния.

На втором этапе моделировали умственную нагрузку, имитирующую операторскую деятельность (машиниста, диспетчера).

На третьем этапе повторяли исследования первого этапа.

Фоновое и завершающее исследования проводили в специальном помещении со стандартным люминесцентным освещением рабочих поверхностей около 200 лк.

Для оценки функционального состояния зрительного анализатора определяли функциональную устойчивость цветоразличения на красный цвет (сигнал); функциональную устойчивость цветоразличения на зеленый цвет (сигнал); дальнюю точку ясного видения; ближнюю точку ясного видения.

Для оценки функционального состояния зрительного анализатора определяли функциональную устойчивость цветоразличения на красный цвет (сигнал); функциональную устойчивость цветоразличения на зеленый цвет (сигнал); дальнюю точку ясного видения; ближнюю точку ясного видения.

Для оценки общего функционального состояния регистрировали следующие показатели:

  • индекс напряжения по Баевскому на основании данных вариационной пульсометрии;
  • частоту сердечных сокращений в покое;
  • коэффициент вегетативного баланса по Люшеру-Шипошу на основании 8-цветного теста люшера;
  • время сложной зрительно-моторной реакции на зеленые и красные сигналы;
  • умственную работоспособность по тесту с кольцами ландольта;
  • самочувствие, активность, настроение (САН) на основании теста- опросника.

Моделирование зрительно-умственной нагрузки, имитирующей операторскую деятельность, проходило в специальной шумоизолирующей камере, в которой поддерживали оптимальные микроклиматиче­ские условия.

Длительность нагрузки составляла 1 ч. В зависимости от серии исследования на рабочей поверхности пульта наблюдения моделировали освещение одним из четырех светильников.

Для моделирования операторской деятельности использована методика готовности к экстренному действию, которая широко используется для решения аналогичных задач и утверждена к применению на железнодорожном транспорте. В течение 1 ч испытуемому подавали 6 сигналов с предупреждением и 6 сигналов без предупреждения, на которые он должен был отреагировать как можно быстрее. Оценку уровня работоспособности проводили по величине среднего времени реагирования на сигналы с предупреждением и без предупреждения.

Наиболее важными показателями являлись число пропущенных сигналов, и разница во времени реагирования на сигналы с предупреждением и без предупреждения. Чем меньше была разница между значениями этих показателей, тем выше оценивали уровень работоспособности испытуемого.

В исследовательской камере были смонтированы 2 осветительные установки: одна моделировала условия работы машинистов, другая - условия работы диспетчеров.

Первая осветительная установка состояла из традиционного для кабин локомотивов светильника с лампой накаливания мощностью 60 Вт и светодиодного светильника СОЛ-1, образец № 1, мощностью 10,8 Вт.

Для получения от обоих светильников равной освещенности пульта слежения - модели зрительной работы - на светодиодный светильник была установлена черная диафрагма, уменьшающая световой поток светильника без изменения цветовой температуры (спектрального состава) излучения.

Светильники симметрично располагали относительно пульта слежения - модели зрительной работы. Освещенность от каждого светильника составляла 10 лк с разницей 5%, что не превышало основную относительную погрешность измерительных приборов типа Аргус-07 и ТКА № 331051 (±6%).

Цветовые температуры Т^ источников света в I серии были следующими: лампы накаливания - 2850 K, светодиодного - 3000 K. Коэффициент пульсации лампы накаливания составлял 13%, что не соответствовало нормированному значению 10%, светодиодного - 0%, что соответствовало нормированному значению 10%.

Вторая осветительная установка состояла из люминесцентного светильника типа PRS/R 4 х 18 ЭПРА (с электронным пускорегулирующим устройством) и светодиодной панели ЕхР-600 (далее - светодиодная панель).

В люминесцентный светильник были установлены 4 люминесцентные лампы, 3 из которых фирмы Osram типа L18/665 (Тцв = 6500 K) и одна Osram L18/840 (Тцв = 4000 K) и мощностью не менее 80 Вт имели коэффициент пульсации 0, что соответствовало нормированному значению 10%. Общая цветовая температура излучения всего светильника составила 5100 K. Светодиодная панель с источником света (образец 2) мощностью 45 Вт имела Тцв = 5100 K и коэффициент пульсации 4,8, что соответствовало нормированному значению 10%.

Прибор, моделирующий зрительную нагрузку, устанавливали на столе так, чтобы средняя освещенность на нем от соответствующего светильника была равна 220±2 лк. При этом Тцв отраженного от прибора - модели зрительной работы света - составляла 4300±50 K.

Результаты 4 серий исследований с участием 10 волонтеров по изучению и сравнительной оценке функционального состояния зрительного анализатора, общего функционального состояния и умственной работоспособности при выполнении моделируемой операторской деятельности в условиях традиционных (лампа накаливания, люминесцентный светильник) и новых светодиодных (светодиодный светильник, светодиодная панель) источников света приведены в обобщающей таблице (табл. 3).

Как видно из обобщающей таблицы (см. табл. 3), суммарная оценка влияния лампы накаливания на функциональное состояние человека и его работоспособность в целом положительна и составляет +5 баллов. Действие газоразрядного источника света (люминесцентной лампы) близко к нейтральной оценке - -2 балла. Итоговая оценка действия на состояние зрительного анализатора, общее функциональное состояние и работоспособность светодиодного фонаря равна -5 баллам, что можно расценивать как слабое негативное воздействие. Изменение состояния человека в условиях применения светодиодной панели оценивается в -9 баллов, что позволяет характеризовать этот источник света как оказавший значимое негативное воздействие.

Более корректную балльную оценку каждого источника можно получить, если сравнивать средние значения тех показателей, которые претерпели достоверные изменения.

Для лампы накаливания имеется 4 таких показателя, суммарная оценка их +5 баллов, средний балл +1,3.

Для светодиодного светильника имеется 5 достоверно изменившихся показателей, суммарная оценка их -6 баллов, средний балл -1,2.

Для люминесцентного светильника имеется 3 показателя, достоверно изменивших свои значения, суммарная оценка их -2 балла, средний -0,7.

В условиях применения светодиодной панели достоверно изменились 4 показателя при суммарной оценке -10 баллов, средний балл -2,5.


Таблица 3

Сравнительная характеристика разных источников света по результатам лабораторных исследований (обобщающая таблица)

Показатель Лампа
накали­
вания
Све-
тоди-
одный
фонарь
Люми-
нес-
центный
светиль­
ник
Све-
тоди-
одная
панель

психофизиологическая оценка, баллы
Диапазон аккомодации +1 -1 0 -1
Функциональная устойчивость к цветоразличению:
на красный сигнал -2 -2 -2 -3
на зеленый сигнал -1 -3 -2 -3
Индекс напряжения по Баевскому +3 +3 +2 +1
Частота сердечных сокращений +1 0 +1 0
Время сложной зритель­но-моторной реакции 0 0 -1 -2
Умственная работо­способность (кольца Ландольта) -1 +1 0 0
Коэффициент вегетатив­ного баланса по Люшеру- Шипошу +1 +1 +1 -1
Самочувствие, актив­ность, настроение -1 -1 -1 -2
Время реагирования на сигналы:


с предупреждением +2 -2 -1 +1
без предупреждения +2 -2 +1 0
ГЭД 0 0 -2 -3
Число пропусков сигналов 0 0 -1 -1
Суммарная оценка +5 -5 -2 -9


Примечание. 0 - отсутствие изменений; -1 - наличие негативной тенденции; -2 - значимые негативные изменения; -3 - выраженные негативные изменения; +1 - наличие позитивной тенденции; +2 - значимые позитивные изменения; +3 - выраженные позитивные изменения.

Эти результаты подтверждают значения суммарных оценок всех показателей в более выраженном виде.

Таким образом, выполненные исследования по оценке влияния светодиодного освещения на функциональное состояние и работоспособность железнодорожников с использованием собственных оригинальных методик выявили изменения негативного характера. Это выразилось в некотором снижении функциональной устойчивости к цветоразличению зеленого и красного сигналов, а также в увеличении времени реагирования при сложной зрительно-моторной реакции и значимом уменьшении готовности к экстренному действию (монотонноустойчивости) у обследованных лиц.

Выводы.

1. Существующие стандартные требования к проектированию и применению светильников на разрядных лампах неприменимы к светодиодной технике.

2. Учитывая особенности биологического действия светодиодных источников света, необходимо разработать условия и порядок их использования как в быту, так и на производстве. При этом уровень освещенности, цветовая температура и спектральная характеристика светодиодного источника света должны обеспечивать комфортность освещения и не влиять на биологические циклы человека.

3. Полученные экспериментальные данные о некотором негативном влиянии светодиодных источников света на состояние зрительного анализатора, работоспособность и утомляемость свидетельствуют о необходимости доработки нормативной базы и проведения обязательной их сертификации.


Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожной гигиены Роспотребнадзора