Предприниматель
8 (495) 258-84-66

Синий свет светодиодов – новая гигиеническая проблема

В настоящее время директивно внедряется светодиодное освещение в школы, детские сады и медицинские учреждения. Для оценки светобиологической безопасности светодиодных светильников используется ГОСТ Р МЭК 62471-2013 «Лампы и ламповые системы. Светобиологическая безопасность», подготовленный Государственным унитарным предприятием Республики Мордовия «Научно-исследовательский институт источников света имени А.Н. Лодыгина» (ГУП Республики Мордовия НИИИС им. А.Н. Лодыгина) на основе собственного аутентичного перевода на русский язык стандарта IEC 62471: 2006 «Photobiological safety of lamps and lamp systems» [10]. Такой трансфер внедрения стандарта свиде тельствует о том, что в России утеряна собст венная профессиональная школа светобиологической безопасности.

В основе оценки светобиологической безопасности лежит теория рисков и методология количественной оценки предельных норм воздействия опасного синего света на сетчатку. Предельные значения показателей светобиологической безопасности рассчитывались для установленного предела облучения диаметра зрачка 3 мм (площадь 7 мм2). Для этих параметров диаметра зрачка глаза были определены значения взвешенной спектральной функции опасности от синего света B (λ), максимум которой приходится на спектральный диапазон излучения 435–440 нм.

Теория рисков негативного влияния света и методология расчетов фотобиологической безопасности была разработана на базе основополагающих статей основателя фотобиологической безопасности искусственных источников света доктора David H. Sliney (Давида Слини) [12, 13]. В течение многих лет он был руководителем отдела Центра по укреплению здоровья и профилактической медицины армии США и возглавлял проекты по фотобиологической безопасности, пока в 2007 г. не закончил службу и не вышел на пенсию. Его научные интересы сосредоточены на проблемах, связанных с УФ-воздействием на глаза, взаимодействий лазерного излучения и тканей, опасностей применения лазеров в медицине. Он служил в качестве члена, консультанта и председателя многочисленных комиссий и учреждений, которые разрабатывали стандарты безопасности для защиты от неионизирующих излучений, в частности, от лазеров и других высокоинтенсивных источников оптического излучения (ANSI, ISO, ACGIH, IEC, ВОЗ, НКРЗ, и ICNIRP). В соавторстве издал справочник «Безопасность с лазерами и другими оптическими источниками» (Нью-Йорк, 1980). В 2008–2009 гг. доктор David H. Sliney являлся президентом Американского общества по фотобиологии.

Разработанные David H. Sliney в стенах Центра по укреплению здоровья и профилактической медицины армии США основополагающие принципы лежат в основе современной методологии фотобиологической безопасности искусственных источников света. Это методологический паттерн автоматически перенесен и на светодиодные источники света, и на нём воспитана большая плеяда последователей и учеников, которые продолжают распространять данную методологию на светодиодное освещение. В своих трудах они пытаются через классификацию рисков обосновывать и продвигать светодиодное освещение. Их работы поддерживают Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia и другие производители светодиодного освещения. В настоящее время в сферу интенсивных исследований и анализа возможностей (и ограничений) в области светодиодного освещения вовлечены:

  • государственные учреждения, такие как Минэнерго США, Минэнерго РФ;
  • общественные организации типа Illuminating Engineering Society of North America (IESNA), Alliance for Solid-State Illumination and Technologies (ASSIST), International Dark-Sky Assosiation (IDA) и НП ПСС РФ;
  • крупнейшие фирмы-производители PhilipsLumileds, Osram, Cree, Nichia и российские производители «Оптоган», «Светлана Опто-электроника», ряд НИИ, университетов, лабораторий: Lighting Research Center at Rensselaer Polytechnic Institute (LRC RPI), National Institute of Standards and Technology (NIST), American National Standard Institute (ANSI), а также НИИИС им. А.Н. Лодыгина, ВНИСИ им. С.И. Вавилова.

Ежегодное количество публикаций по светодиодной тематике исчисляется сотнями, число международных конференций – десятками. На внедрение светодиодного освещения потрачены миллиарды рублей. В этих условиях оценка фотобиологической безопасности является крайне актуальной для обеспечения безопасности детей (поколения), снижения угроз национальной безопасности.

С точки зрения определения избыточной дозы синего света, представляет интерес работа «Оптическая безопасность светодиодного освещения» (CELMA‐ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA position paper optical safety LED lighting_ _July, 2011). В этом европейском отчете в соответствии с требованием стандарта EN 62471 проведено сравнение спектров солнечного света со светом искусственных источников (лампой накаливания, люминесцентными и светодиодными лампами). Через призму современной парадигмы гигиенической оценки рассмотрим представленные в этом европейском отчете данные с целью определения избыточной доли синего света в спектре светодиодного источника белого света. На рис. 1 представлен спектральный паттерн светодиода, который состоит из кристалла, излучающего синий свет, покрытого желтым люминофором для получения белого света.

На рис. 1 также указаны реперные точки, на которые должен обращать внимание гигиенист при анализе спектра света от любого источника. С этой точки зрения рассмотрим спектры солнечного света (рис. 2).

Из рис. 2 видно, что в интервале цветовой температуры от 4000 до 6500 К соблюдаются условия «меланопсинового креста» [9]. На энергетическом спектре света амплитуда (А) на 480 нм должна быть всегда больше, чем амплитуда на 460 и 450 нм. При этом доза синего света 460 нм в спектре солнечного света с цветовой температурой 6500 К на 40 % больше, чем у солнечного света с цветовой температурой 4000 К.

Эффект «меланопсинового креста» наглядно виден из сравнения спектров ламп накаливания и светодиодной лампы с цветовой температурой 3000 К (рис. 3).

Избыточная доля синего света в спектре светодиода превышает на 55 % долю синего света в спектре лампы накаливания.

Учитывая вышесказанное, сравним солнечный свет при Тк = 6500 К (6500 К – предельная цветовая температура для сетчатки глаз по Давиду Слини, а по санитарным нормам – менее 6000 К) со спектром лампы накаливания Тк = 2700 К и спектром светодиодной лампы с Тк = 4200 К при уровне освещенности 500 люкс (рис. 4).

Рис. 1. Спектр света белого светодиода
Рис. 1. Спектр света белого светодиода

Рис. 2. Спектр солнечного света в зависимости от времени суток
Рис. 2. Спектр солнечного света в зависимости от времени суток

Рис. 3. Эффект «меланопсинового креста»
Рис. 3. Эффект «меланопсинового креста»

Рис. 4. Сравнение спектров солнечного спектра, лампы накаливания и светодиодных ламп
Рис. 4. Сравнение спектров солнечного спектра, лампы накаливания
и светодиодных ламп

 

Из рисунка видно:

  • светодиодная лампа (Тк = 4200 К) имеет выброс на 460 нм больше, чем у солнечного света (6500 К);
  • в спектре света светодиодной лампы (Тк = 4200 К) провал на 480 нм на порядок (в 10 раз) больше, чем в спектре солнечного света (6500 К);
  • в спектре света светодиодной лампы (Тк = 4200 К) провал на 480 нм в разы больше, чем в спектре света лампы накаливания (Тк = 2700 К).

Известно, что при светодиодном освещении диаметр зрачка глаза превышает предельные значения 3 мм (площадь 7 мм2) по ГОСТ Р МЭК 62471–2013 «Лампы и ламповые системы. Светобиологическая безопасность».

Из данных, приведенных на рис. 2, видно, что доза синего света 460 нм в спектре солнечного света для цветовой температуры 4000 К намного меньше, чем доза синего света 460 нм в спектре солнечного света при цветовой температуре 6500 К.

Из этого следует, что доза синего света 460 нм в спектре светодиодного освещения с цветовой температурой 4200 К будет значительно (на 40 %) превышать таковую синего света 460 нм в спектре солнечного света с цветовой температурой 4000 К при одинаковом уровне освещенности. Эта разница и составляет избыточную дозу синего света при светодиодном освещении относительно солнечного света той же цветовой температуры и при заданном уровне освещенности. Но эта доза должна быть дополнена дозой синего света, получаемой от неадекватного управления зрачком в условиях светодиодного освещения и неравномерности по объему и площади распределения пигментов желтого пятна, поглощающих синий свет 460 нм. Именно суммарная избыточная доза синего света приводит к ускорению деградационных процессов, которые увеличивают риски раннего ухудшения зрения по сравнению с солнечным светом при прочих равных условиях (заданного уровня освещенности, цветовой температуры и эффективной работы желтого пятна сетчатки) [1, 3–5, 9, 11–13].

Схема защиты сетчатки глаза сформировалась в условиях солнечного света. При спектре солнечного света происходит адекватное управление диаметром зрачка глаза на закрытие, что приводит к уменьшению дозы солнечного света, попадающего на клетки сетчатки. Диаметр зрачка у взрослого человека из-меняется от 1,5 до 8,0 мм, что обеспечивает изменение интенсивности падающего на сетчатку света примерно в 30 раз.

Уменьшение диаметра зрачка глаза приводит к уменьшению площади световой проекции изображения, которая не превышает площади желтого пятна в центре сетчатки. Защита клеток сетчатки от синего света осуществляется пигментом желтого пятна (с максимумом поглощения 460 нм), формирование которого имеет свою эволюционную историю.

У новорожденных область желтого пятна светло-желтого цвета с нечеткими контурами.

С трехмесячного возраста появляется макулярный рефлекс, и уменьшается интенсивность желтого цвета.

К одному году определяется фовеолярный рефлекс, центр становится более темным.

К 3–5-летнему возрасту желтоватый тон макулярной области почти сливается с розовым или красным тоном центральной зоны сетчатки.

Область желтого пятна у детей 7–10 лет и старше, как и у взрослых, определяется по бессосудистой центральной зоне сетчатки и световым рефлексам. Понятие «желтое пятно» возникло в результате макроскопического исследования трупных глаз. На плоскостных препаратах сетчатки видно небольшое пятно желтого цвета. Долгое время химический состав пигмента, окрашивающего эту зону сетчатки, был неизвестен. В настоящее время выделены два пигмента – лютеин и изомер лютеина – зеаксантин, которые называют пигментом желтого пятна, или макулярным пигментом. Уровень лютеина выше в местах большей концентрации палочек, уровень зеаксантина – в местах большей концентрации колбочек. Лютеин и зеаксантин относятся к семейству каротиноидов – группе натуральных пигментов растительного происхождения. Считается, что лютеин выполняет две важные функции: во-первых, он поглощает вредный для глаз голубой свет; во-вторых, является антиоксидантом, блокирует и удаляет образующиеся под действием света активные формы кислорода. Содержание лютеина и зеаксантина в макуле неравномерно распределено по площади (в центре максимум, а по краям в разы меньше) и снижается с возрастом. Это значит, и защита от синего света (460 нм) уменьшается с возрастом. Эти пигменты в организме не синтезируются, их можно получить только с пищей. Значит, общая эффективность защиты от синего света в центре желтого пятна зависит и от качества питания [2–5, 7, 8].

На рис. 5 приведена общая схема сравнения проекций светового пятна галогенной лампы (по спектру близка к солнечному спектру) и светодиодной лампы. При светодиодном свете площадь засветки больше, чем от галогенной лампы (ГЛ).

По разнице выделенных площадей засветки рассчитывается дополнительная доза синего света от эффекта неадекватности управления зрачком в условиях светодиодного освещения с учетом неравномерности распределения пигментов, поглощающих синий свет 460 нм, по объему и площади. Данная качественная оценка избыточной доли синего света в спектре белых светодиодов может стать методической основой для количественных оценок в будущем. Из этого ясно, что необходимо техническое решение заполнения провала в области 480 нм до уровня ликвидации эффекта «меланопсинового креста». Такое решение было оформлено в виде авторского свидетельства на изобретение (Светодиодный источник белого света с комбинируемым удаленным фотолюминесцентным конвектором: патент № 2502917 от 30.12.2011 г.), что обеспечивает приоритет России в области создания светодиодных источников белого света с биологически адекватным спектром. К большому сожалению, эксперты Минпромторга РФ данное направление не сочли приоритетным и не стали финансировать эти работы, которые касаются не только общего освещения (школ, роддомов), но и мониторов и автомобильных фар.

Неадекватное управление диаметром зрачка глаза при светодиодном освещении создает условия для получения избыточной дозы синего света, которая негативно воздействует на клетки сетчатки (ганглиозные клетки) и ее сосуды, что потверждено работами ФГБУН «Институт биохимической физики им. Н.М. Эммануэля» РАН [3, 7, 8].

Данные эффекты по неадекватному управлению диаметром зрачка глаза справедливы и для люминесцентных и энергосберегающих ламп (рис. 6). При этом отмечается повышенная доля УФ-света при 435 нм («Оптическая безопасность светодиодного освещения», CELMA–ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA position paper optical safety LED lighting_ Final_July 2011).

В школах США были проведены измерения диаметра зрачка глаз школьников при замене люминесцентных ламп (Тк = 3600 К) на люминесцентные лампы (Тк = 5500 К). Площадь зрачка уменьшилась на 2,3 мм2 при общем улучшении психофизического состояния учеников, подбное тому, что наблюдали специалисты НИИ гигиены и охраны здоровья детей и подростков НЦЗД РАМН в ходе исследований при замене в школе люминесцентных ламп на светодиодные светильники. В частности, при использовании люминесцентных ламп с Тк = 4000 К диаметр зрачка глаза был равен 4,9 мм. С уменьшением коррелированной цветовой температуры искусственных источников света увеличивался диаметр зрачка глаза, что создает предпосылки для негативного воздействия синего света на клетки и сосуды сетчатки. А с её увеличением уменьшается диаметр зрачка глаза, но не достигает значений, регистрируемых при солнечном свете. Избыточная доза УФ-синего света также может приводить к ускорению деградационных процессов, увеличивать риски раннего ухудшения зрения по сравнению с солнечным светом при прочих равных условиях.

Повышенная доза синего в спектре светодиодного освещения влияет на здоровье человека и функционирование зрительного анализатора, что увеличивает риски инвалидизации по зрению и ухудшению здоровья в трудоспособном возрасте, последнее, по большому счету, составляет угрозу национальной безопасности. Свет определенного спектра является оружием воздействия на большие массы людей. Это подтверждают исследования DARPA, проведенные в 2008 г. по теме SB082-055 ВМС США. В этом же году, не привлекая широкого внимания, три профессора, Стив Ден Баарс, Джим Спек, и Сюдзи Накамура, к которым присоединились ведущие специалисты из Philips Lumileds и Intel, собрали команду высококлассных инженеров и основали новую компанию Soraa по выпуску светодиодных ламп нового поколения (фиолетовый светодиод и RGB-люминофор). Они получили финансирование от Минэнерго США и построили опытный завод в Фримонте, штат Калифорния (США) [12]. Свои амбициозные планы специалисты фирмы Soraa закрепили патентом US2015/0062892 A1 от 5 марта 2015 г. «Circadian friendly led light source» (Soraa, INC, Fremont, CA (US).

В соответствии с этим патентом идеология «циркадно дружественного светодиодного источника света» распространяется на источники света для общего освещения, подсветки мониторов, автомобильные фары.

Рис. 5. Сравнение площади световой засветки сетчатки галогенной и светодиодной лампой
Рис. 5. Сравнение площади световой засветки сетчатки галогенной
и светодиодной лампой

Рис. 6. Спектры люминесцентных ламп с различными значениями
коррелированной цветовой температуры

Рис. 7. Технология TRI-R
Рис. 7. Технология TRI-R

Рис. 8. Общая картина сравнения спектров света
Рис. 8. Общая картина сравнения спектров света

Одним словом, новая идеология Сюдзи Накамуры распространяется на все значимые области применения светодиодных источников света.

В противовес консерватизму экспертов Минпромторга РФ и Инновацио́нного центра «Ско́лково» предлагаемая нами концепция создания полупроводниковых источников белого света с биологически адекватным светом набирает сторонников по всему миру. Например, в Японии (фирма Toshiba Material Co., LTD) созданы светодиоды по технологии TRI-R (рис. 7).

Такая комбинация фиолетовых кристаллов и люминофоров позволяет синтезировать светодиоды со спектрами, близкими к спектру солнечного света с различной цветовой температурой, и устранить недостатки в спектре традиционного светодиода (синий кристалл, покрытый желтым люминофором).

На рис. 8 представлено сравнение спектра солнечного света (Tк = 6500 К) со спектрами светодиодов по технологии TRI-R и традиционной технологии (синий кристалл, покрытый желтым люминофором).

Из анализа представленных данных видно, что в спектре белого света светодиодов по технологии TRI-R устранен провал на 480 нм и отсутствует избыточная доза синего.

Нам остается только поздравить наших зарубежных коллег и выразить надежду, что исследования по выявлению механизмов воздействия света определенного спектра на здоровье человека станут государственной задачей. Скорейшее осознание важности этой проблемы позволит избежать многомиллиардных издержек в будущем.

Выводы:

  • В санитарные правила Российской Федерации переносятся нормы из светотехнических нормативных документов путем аутентичного перевода стандартов, в том числе европейских. Эти стандарты формируются специалистами, которые проводят свою национальную техническую политику (национального бизнеса), часто не совпадающую с национальной технической политикой России. В частности, это зафиксировано в ГОСТ Р МЭК 62471-2013 «Лампы и ламповые системы. Светобиологическая безопасность». При светодиодном освещении происходит неадекватное управление диаметром зрачка глаза, что ставит под сомнение корректность фотобиологических оценок по этому ГОСТу.
  • Государство не финансирует опережающие исследования по влиянию технологий на здоровье человека, из-за чего врачи-гигиенисты вынуждены адаптировать нормы и требования под технологии, которые продвигаются экономически заинтересованным бизнесом.
  • Технические решения по разработке светодиодов светильников и экранов персональных компьютеров должны обеспечивать безопасность глаз и здоровья человека, исключить эффект «меланопсинового креста», характерного для всех ныне существующих энергосберегающих источников света и устройств отображения информации.
  • При светодиодном освещении белыми светодиодами (синий кристалл и желтый люминофор), которые имеют провал в спектре на 480 нм, происходит неадекватное управление диаметром зрачка глаза.
  • Для родильных домов, детских учреждений и школ должны использоваться светильники с биологически адекватным спектром света, учетом особенностей детского зрения, прошедшие обязательную гигиеническую сертификацию.
Автор Капцов В.А. и Дейнего В.Н.
© 2017 г. Ремез Игорь. Создано в студии «ВебЭстет»