CC BY
218
дискуссии
О КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2014 УЦК 613.645:628.92/.93]-07
Капцов В.А.1, Сосунов Н.Н.2, Шищенко И.И.2, Викторов В.С.1, Тулушев В.Н.1, Дейнего В.Н.3, Бухарева Е.А.1, Мурашова М.А.2, Шищенко А.А.2
функциональное состояние зрительного анализатора при использовании традиционных и светодиодных источников света
'Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожной гигиены Роспотребнадзора, 125438, Москва; ^Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта ОАО «РЖД «, 107996, Москва; 3ООО «Новые энергетические технологии», 143025, Московская обл., дер. Сколково
Выполнена экспериментальная работа по изучению возможности применения светодиодного освещения (светодиодных источников света) на железнодорожном транспорте для профессий, связанных с безопасностью движения.
Проведены 4 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.
Ключевые слова: светодиоды; операторская деятельность; физиология зрения.
V. A. Kaptsov1, N. N. Sosunov2,1.1. Shishchenko2, V. S. Viktorov1, V. N. Tulushev1, V. N. Deynego3, E. A. Bukhareva1, M. A. Murashova2, A.A. Shishchenko2. - FUNCTIONAL STATE OF THE VISUAL ANALYZER IN THE CONDITIONS OF THE USE OF TRADITIONAL AND LED LIGHT SOURCES.
1All-Russian Research Institute of Railway Hygiene" of the Federal Service for the Oversight of Consumer Protection and Welfare, Moscow, Russian Federation, 125438; 2Joint Stock Company "Russian Railways" Moscow, Russian Federation, 107174; 3Ltd "New Energy Technologies", Skolkovo, Moscow Region, Russian Federation,143025
There was performed the experimental work on the study of the possibility of the application of LED lighting (LED light sources) in rail transport for traffic safety in related professions. Results of 4 series of studies involving 10 volunteers for the study and a comparative evaluation of the functional state of the visual analyzer, the general functional state and mental capacity under the performing the simulated operator activity in conditions of traditional light sources (incandescent, fluorescent lamp) and the new LED (LED lamp, LED panel) light sources have revealedchanges in the negative direction. This was pronounced in a some decrease of functional stability to color discrimination between green and red cone signals, as well as an increase in response time in complex visual - motor response and significant reduction in readiness for emergency action of examinees.
Key words: LED; operator activity; physiology of vision pattern ofpsycho physiological status; pattern of educational progress.
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 Джеф-ферсона (США) показали [3], 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».
для корреспонденции: Капцов Валерий Александрович, Kapcovva39@mail.ru
For correspondence: Kapcov Valeriy, Kapcovva39@mail.ru
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 [2].
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 А^ для естественных и искусственных источников света
Источник света Асу Цветовая температура излучения, К
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: Х = 468 нм
Последними исследованиями установлено, что именно эта компонента переключает внутренние часы организма человека через продукцию мелатонина [2].
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 светодио-да, вызывает токсический стресс в сетчатке [4].
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:
Асу = [|феХ с(х) ¿Х]/|феХ V(Х) ¿Х,
Где ФеХ - спектральная интенсивность лучистого потока; с(Х) -спектральная циркадная эффективность действия излучения; V(Х) - относительная спектральная чувствительность глаза для дневного зрения [5].
Величина Асу 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 мощность, Вт Удельная плотность мощности, Вт/см2 Объемная плотность мощности, Вт/см3 Температура поверхности, С0
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 х 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 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 шумоизолиру-ющей 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 сигна-
лов 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 Тщ источников света в I серии были следующими: лампы накаливания - 2850 К, светодиодного - 3000 К. 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 К) и одна Osram L18/840 (Тщ = 4000 К) и мощностью не менее 80 Вт имели коэффициент пульсации 0, что соответствовало нормированному значению 10%. Общая цветовая температура излучения всего светильника составила 5100 К. Светодиодная панель с источником света (образец 2) мощностью 45 Вт имела Тцв = 5100 К 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 Тщ отраженного от прибора - модели зрительной работы света - составляла 4300±50 К.
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 Све- люми- Све-
накали- тоди- нес- тоди-
вания одный центный одная
фонарь светиль- панель
ник
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 цветораз-личению зеленого и красного сигналов, а также в увеличении времени реагирования при сложной зрительно-моторной реакции и значимом уменьшении готовности к экстренному действию (монотонноустойчи-вости) 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.
Литература (пп. 2-5 см. References)
1. Ильина Е. Наружное светодиодное освещение автомагистралей и улиц городов. Применимость светодиодов в наружном освещении с точки зрения визуального восприятия. Полупроводниковая светотехника. 2010; 4 (6): 50-5.
6. Зак П.П., Островский М.А. Потенциальная опасность освещения све-тодиодами для глаз детей и подростков. Светотехника. 2012; 3: 4-6.
7. Какие лампы обладают наибольшим биологическим влиянием на человека? Сравнение спектров излучения различных источников света. Available at:http://www.k-to.ru/ru/interesting/svet/detail.php)
References
1. Il'ina E. Outdoor LED lighting of highways and city streets. Applicability of LED outdoor lighting in terms of visual perception. Poluprovod-nikovaya svetotekhnika. 2010; 4 (6): 50-5.
2. Thapan K., Arendt J., Scene D.J. An action spectrum for melatonin supO ТЕКШЕВА Л.М., НАДЕЖДИН Д.С., 2014 УДК 613.955:628.98
Текшева Л.М., Надеждин Д.С.
СОСТОЯНИЕ НЕРВНО-ПСИХИЧЕСКОЙ СФЕРЫ МЛАДШИХ ШКОЛЬНИКОВ В ТЕЧЕНИЕ УЧЕБНОГО ДНЯ ПРИ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОМ И СВЕТОДИОДНОМ ОСВЕЩЕНИИ УЧЕБНОГО КАБИНЕТА
НИИ гигиены и охраны здоровья детей и подростков ФГБУ «НЦЗД» РАМН, 105064, Москва
Цель исследования - проверка гипотезы о том, что светодиодное освещение (СДО) учебного кабинета не оказывает более неблагоприятного влияния на изменение функционального состояния нервно-психической сферы школьников к концу учебного дня в сравнении с традиционным для школ люминесцентным освещением (ЛО). С помощью специально подобранных методов психофизиологического обследования проведено тестирование изменений функционального состояния нервно-психической сферы школьников в течение учебного дня и осуществлен анализ выраженности этих изменений в зависимости от вида освещения учебного кабинета. Установлено, что СДО по сравнению с ЛО приводит к достоверному ослаблению негативных изменений функциональной лабильности зрительного анализатора, силы возбуждения нервной системы и когнитивных функций, а также к усилению позитивных изменений психомоторики. Полученные данные позволяют рекомендовать применение светодиодных средств освещения в современных учебных заведениях.
Ключевые слова: охрана здоровья; светодиодное и люминесцентное освещение учебного кабинета; младшие школьники; психофизиологическое обследование; утомление; работоспособность; состояние нервно-психической сферы.
TekshevaL. M, Nadezhdin D. S. - PSYCHOPHYSIOLOGICAL RESEARCH OF CHANGES OF THE FUNCTIONAL CONDITION OF THE NEURO-PSYCHIC SPHERE OF YOUNGER SCHOOLCHILDREN DURING THE SCHOOL DAY AT LUMINESCENT AND LED LIGHTING IN THE CLASSROOM.
Research institute of hygiene and health care of children and adolescents of Scientific Center of Child Healthcare, FASO, Moscow, Russian Federation, 105064
The purpose ofthe study is to test the hypothesis that the LED lighting ( LL) in training class does not have a negative impact on the change in the functional state of the neuro-psychiatric sphere in pupils by the end of the school day, if compared with traditional for schools fluorescent lighting (FL). With the help of specially matched methods for psychophysiological examination there was performed the testing of changes in the functional state of the neuro-psychiatric in pupils during the school day and there was made an analysis of these changes in dependence on the type of lighting the classroom. LL, if compared to FL, was established to lead to a significant weakening of the negative changes of functional lability of the visual analyzer, the power of excitation of the nervous system and cognitive functions, as well as to an increase in positive changes in psychomotorics. The data obtained allow us to recommend the use of LED lighting equipment in modern schools.
Key words: health; LED and fluorescent lighting in the classroom; junior schoolchildren; psychophysiological examination; fatigue; performance; state of the neuro-psychiatric sphere.
по мнению многих ученых, занимающихся вопросами гигиены и охраны здоровья детей и подростков, является изменение функционального состояния нервно-психической сферы учащихся, в том числе утомление нервной системы. Особая роль при этом отводится внешнесредовым факторам, связанным прежде всего с условиями образовательного процесса.
Большое значение во внешнесредовых факторах имеет освещение учебных кабинетов [6-9]. Действительно, наиболее загруженным анализатором, обеспечивающим получение школьниками информации на уроке, является зрительный анализатор. При этом для более высокой эффективности зрительного восприятия необходимы условия широкого пространственного обзора в поле зрения. Согласно общепринятым усло-
pression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans. J. Physiol. 2001; 535 (Pt 1): 261-7.
3. Brainard G.C., Hanifin J.P., Greeson J.M., Byrne B., Glickman G., Gerner E., Rollag M.D. Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor. J. Neurosci. 2001; 21 (16): 6405-12.
4. Johnston S.F. A history of light and colour measurement: science in the shadows. Bristol, Philadelphia: Inst. of Physics Publ.; 2001.
5. Effects sanitaires des systemes d'eclairage utilisant desdiodes electroluminescentes (LED) Saisine no. «2008-SA-0408»RAPP0RT d'expertise collective «Comite d'Experts Specialises (CES): Agents physiques, nouvelles technologies et grands amenagements». Octobre 2010.
6. Zak P.P., Ostrovskiy M.A. The potential danger of lighting LEDs for the eyes of children and adolescents. Svetotekhnika. 2012; 3: 4-6.
7. Which lamps have the greatest biological effect on a person? Comparison of the emission spectra of various light sources. Available at:http:// www.k-to.ru/ru/interesting/svet/detail.php)
Поступила 24.09.12 Received 24.09.12
Введение
Состояние здоровья детского населения страны вызывает серьезные опасения современных ученых. Особое внимание привлекает проблема охраны здоровья школьников, тесно связанного с условиями образовательного процесса [1-5]. Одним из основных последствий этого процесса,
Для корреспонденции: Текшева Любовь Михаиловна, l.m.teksheva@mail.ru
For correspondence: Teksheva Lubov', l.m.teksheva@mail.ru
