Создание динамически управляемых светодиодных источников света для задач прикладной биофизики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.02, кандидат наук Аладов Андрей Вальменович

• Аладов Андрей Вальменович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Аладов Андрей Вальменович

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Цель и задачи работы

Положения, выносимые на защиту

Научная новизна

Практическая значимость работы

Личный вклад автора

Обоснованность и достоверность результатов работы

Методы исследования

Апробация результатов работы

Публикации

Структура и объем диссертации

Глава 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Введение

1.2 Световое воздействие на психофизиологическое состояние человека

1.3 Влияния спектрального состава света на организм человека

1.4 Светильники для хирургии

1.5 Управляемые светодиодные системы для задач прикладной биофизики

Глава 2 Воздействие света с варьируемыми параметрами на функциональное состояние человека и аппаратура для его диагностики

2.1 Введение

2.2 Аппаратно-программный комплекс для определения функционального состояния человека при воздействии света с варьируемыми спектрально-цветовыми характеристиками

2.2.1 Выбор цветовых компонент излучателя

2.2.2 Динамически управляемый полупроводниковый источник света

2.2.3 Оптическая система

2.2.4 Программное управление аппаратно-программным комплексом

2.2.5 Влияние светового воздействия на психофизиологическое состояние человека

2.2.6 Заключение

Глава 3 Воздействие монохроматического синего света на физиологическое состояние человека и создание экологически безопасных источников интеллектуального света

3.1 Введение

3.2 Метод оценки фотобиологической безопасности светодиодных источников интеллектуального света. Светодиодный источник с улучшенной фотобиологической безопасностью

3.3 Светодиодный источник с улучшенной фотобиологической безопасностью

3.4 Влияние монохроматического синего света на функцию восприятия времени у лиц с разным типом вегетативной регуляции

3.4.1 Введение

3.4.2 Методика эксперимента. Световое воздействие. Оценка временных

интервалов. Оценка функций организма. Процедура исследования

3.4.3 Результаты и их обсуждение

3.4.4 Заключение

3.5 Выводы

Глава 4 Создание экспериментального образца медицинского управляемого светильника для контрастной визуализации биологических тканей при хирургических операциях

4.1 Введение

4.2 Разработка концепции построения хирургического светильника для контрастной визуализации биологических тканей

4.3 Модель для расчета и характеристики общего освещения медицинского хирургического бестеневого светильника

4.4 Концепция построения оптической системы для контрастной визуализации биологических тканей

4.5 Исследование спектров отражения биологических тканей и оценка яркостного и цветового контрастов. Результаты экспериментальных исследований различных биологических тканей при оптимальном спектре

4.6 Выводы

Глава 5 Реализация результатов работы и области применения экологически безопасных динамически управляемых энергоэффективных систем освещения. Управление системами интеллектуального освещения

5.1 Введение

5.2 Общая структура построения систем интеллектуального освещения

5.2.1 Особенности электропитания интеллектуального источника освещения для обеспечения электромагнитной совместимости и снижения его

энергопотребления

5.2.2 Выбор параметров драйверов управления светодиодами и управляющего процессора интеллектуального источника освещения

5.2.3 Построение радиоканала управления и его особенности в сетевых многокомпонентных системах

5.2.3.1 Результаты моделирования радиоканала управления

5.2.3.2 Выбор частотного диапазона и технологии системы управления

5.3 Построение сети систем освещения и программа обеспечения работы

5.4 Системы интеллектуального освещения для специальных и общих задач освещения

5.4.1 Управляемый полихромный светодиодный источник света (УПСИС)

5.4.2 Создание единой разветвленной беспроводной сети ЭДУСИО

5.4.3 Создание медицинского управляемого хирургического светильника для визуализации биологических тканей

5.5 Светоэкология и новые технологии освещения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БЛАГОДАРНОСТИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика работы

Диссертационная работа посвящена динамически управляемым светодиодным источникам света (интеллектуальный свет) и построению на их основе широкой гаммы специализированных управляемых систем интеллектуального освещения, которые практически реализованы в области прикладной биофизики (медицинской, экологической, технической или технологическим их направлениям), в социальной сфере - для создания оптимальной безопасной варьируемой эргономичной световой среды для жизнедеятельности человека.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание динамически управляемых светодиодных источников света для задач прикладной биофизики»

Актуальность темы

В настоящий момент применение источников светодиодного освещения получает широкое распространение в связи со значительной эффективностью и, соответственно, экономической выгодой, по сравнению с лампами накаливания. Сейчас, когда основные производители светодиодов (СД) Nichia, Cree, Philips, Lumileds, Osram достигли примерно равный и очень высокий уровень световой отдачи до 150 - 200 лм/Вт для серийных продукции, все большую роль приобретают качественные показатели излучаемого света. Для качественного освещения это, в первую очередь, обеспечение широкого диапазона цветовых температур 2700К - 6500К с высокими индексами цветопередачи. Согласно современным требованиям [1] качественное освещение обеспечивается реализацией общего индекса цветопередачи Ra не менее 85, в реальности необходимо достичь Ra > 95, а частных индексах цветопередачи для насыщенных цветов R8 - Ri4 не ниже 85.

К числу преимуществ светодиодных источников освещения можно отнести - высокое качество света, большой срок службы, миниатюрность, механическая прочность, энергосбережение, безопасность, отсутствие опасных ИК и УФ компонент излучения, безвредная утилизация, а также возможность управления такими параметрами как яркость, спектральные характеристики, индексы цветопередачи [2].

Управляемость по спектру и цвету расширяет функциональные возможности источников света. При этом меняются подходы к решению большого количества светотехнических задач, от общего освещения, в том числе уличного, комфортно смешанного и в глубине помещения, до специальных задач - в области прикладной биофизики (медицинской, экологической и технической), агротехники, а также архитектурно-декоративная подсветка и музейное освещение. Например, можно изменять во времени в определенном диапазоне цветовую температуру или воспроизводить широкую гамму миллионов цветовых оттенков.

Современные люди довольно длительное время проводят в условиях искусственного освещения, в то время как воздействие естественного света за предыдущие 40 лет уменьшилось из-за повышения загрязнения атмосферы примерно на 10% [3]. Проблема оптимизации освещения является психофизиологической, в связи с этим возникает потребность подбора режимов светового воздействия с учетом утомления, индивидуальных биоритмов, психофизиологических особенностей. Это придает особое значение влиянию света на организм и определению световых характеристик, способствующих сохранению и поддержанию здоровья. Для решения этих вопросов необходимы новые технологии, например, технология интеллектуального освещения. В основе технологии лежит принцип смешения цветов в многокристальных RGB - светодиодных излучателях [4]. Возможность точной настройки параметров освещения позволяет учитывать различные условия и параметры: время года, суточная динамика, возраст, пол, гормональный фон, род и режим профессиональной деятельности, индивидуальные психофизиологические черты, функциональное состояние человека. В настоящий момент исследуются системы динамического освещения, от устройств индивидуального освещения [5] до комплексных проектов "умных городов" [6]. Постоянный рост источников освещения в крупных городах, особенно в ночное время, актуализирует проблему светового загрязнения, являющуюся фактором, оказывающим негативное влияние на здоровье человека [7]. Естественные регулярные колебания освещения выработали определенные физиологические механизмы, которыми нельзя пренебрегать. Искусственный свет оказывает влияние на биологические ритмы, прежде всего циркадианные: коррекция нарушений сна и сезонных аффективных расстройств, работа со скользящим графиком, авиаперелеты со сменой часовых поясов. [8]. Здесь необходимо упомянуть и о ключевой роли мелатонина, как вещества, опосредующего многие эффекты такого воздействия, и являющиеся уязвимым звеном светового загрязнения. Изучение влияния режимов освещения на проявление циркадианной ритмики человека приковывает основное внимание к роли мелатонина, как ключевого звена регуляции таких взаимодействий.

Не менее важными являются и "прямые" эффекты действия света, не затрагивающие циркадианные ритмы напрямую, но оказывающие быстрые влияния на многие функции организма. Среди них уровень бодрствования, когнитивные и вегетативные процессы, эмоциональное восприятие, оценка времени и другие психофизиологические функции [9, 10].

Свет это естественный экологический фактор окружающей среды, влияющий на организм человека. Он важен не только для зрительного восприятия, но и влияет на состояние организма, включая как «острое» воздействие, так и воздействие на биологические

ритмы, в первую очередь связанные с естественными световыми характеристиками -суточными (циркадианными) и круглогодичными (цирканнуальными).

В последние годы выяснено, что во многом механизм такого воздействия связан с активацией ретиногипоталамического тракта, начинающегося от светочувствительных ганглиозных клеток сетчатки, содержащих зрительный фотопигмент меланопсин [11, 12], с пиком чувствительности на длине волны 480нм [13]. Уровень освещения передается в супрахиазматические ядра гипоталамуса, где корректирует ход циркадианных часов, а также через дальнейшие морфологические пути влияет на уровень секреции мелатонина в эпифизе и уровень активации коры мозга [14].

Можно предположить, что в зависимости от параметров освещения может меняться и функция оценки времени, однако в литературе практически отсутствуют данные на эту тему. Попытки проследить влияние различных эндогенных биоритмов на восприятие времени неоднократно предпринимались и ранее, но их роль в этом процессе по-прежнему остаётся во многом неясной.

Различные виды экстремального стрессового воздействия человека (информационные, техногенные и психоэмоциональные) вызывают избыточное напряжение организма человека, его регуляторных систем, истощение функциональных резервов, работоспособности.

Изменение световых параметров новых источников света дают возможность выбора освещения физиологически оптимального для постоянного применения в жилых, общественных и производственных помещениях. Больший практический интерес вызывает концепция цветодинамического освещения как фактора, способного оказывать воздействие на психофизиологическое состояние человека, например, осуществлять благоприятную коррекцию такого состояния в условиях экстремальных психологических нагрузок. Речь, таким образом, идет о безмедикоментозных технологиях лечения и изменения психофизиологического состояния человека [15]. Одним из наиболее информативных методов оценки внешних воздействий на психофизиологический статус служит электроэнцефалограмма (ЭЭГ). Известно, что фотостимуляция может приводить к существенной перестройке электрической активности головного мозга [16]. Посредством ЭЭГ было зафиксировано влияние на психофизиологическое состояние человека цветовых параметров фотостимуляций цветным (монохроматическим) светом. Показано, что различные типы света производят разное воздействие на ЭЭГ, кроме того, имеют место индивидуальные нейрофизиологические реакции на один и тот же свет [17].

Режим освещения, который вызывает ярко выраженный физиологический эффект, является предметом споров, т.к. результаты исследований имеют противоречивый характер. Частично это объясняется отличиями между методиками светового воздействия:

многообразием режимов освещения и отсутствием единых стандартов. Для достижения этой цели требуется решение двух задач: использование в экспериментах источника света, позволяющего быстро и точно менять параметры освещения; а также подбор методик диагностики, позволяющих определять параметры функционального состояния человека при световом воздействии. Отсутствие на рынке изделий подобной инструментальной базы объясняет тот факт, что системные и комплексные исследования по определению особенностей воздействия на функциональное состояние головного мозга человека динамически управляемого («интеллектуального») света с цветовой температурой, варьируемой в диапазоне от теплого 1700К до холодного 10000К оттенка отсутствуют в известной литературе. Имеющиеся на практике источники света (ИС) не обеспечивают изменение спектрально-световых параметров необходимых в экспериментах по световому воздействию.

Одним из ключевых перспективных направлений применения такого светильника, реализованного в настоящей работе, является подбор оптимального освещения для целого ряда специфических профессиональных задач (например, при работе человека-оператора в отсутствие естественного освещения, изменение параметров освещения в течение суток или рабочего дня) на основе единого универсального аппаратного комплекса.

Задача выбора методик диагностики, позволяющих определять, какой режим освещения необходим в каждом конкретном случае, представляется далекой от решения и требует теоретических и экспериментальных исследований.

В рамках работ, относящихся к экологической биофизике, важен анализ вопросов биологического воздействия излучения ряда светодиодных и традиционных ИС с различным спектром излучения (коррелированной цветовой температурой Тц). Понятие биологического воздействия связывается с меланопсиносодержащими рецепторами глазной сетчатки, сигналы от которых поступают в эпифиз и регулируют концентрацию гормона мелатонина в крови.

В зависимости от типа ИС и особенностей его спектра биологическое воздействие может меняться в широких пределах даже при одном и том же зрительном действии. Главная перспектива создания здоровой световой среды заключается в том, что при синтезе белого света необходимо максимально уменьшить влияние синего света, попадающего в максимум действия мелатонина 430 - 450 нм, сохранив при этом высокое качество цветопередачи. До последнего времени в мировой практике отсутствовал количественный критерий определения биологического эквивалента различных типов источников света и методика их сравнения по степени экологического воздействия на окружающую среду. Решение этой проблемы непосредственно связано с экологической безопасностью управляемых систем интеллектуального освещения и является одним из предметов исследований в диссертации.

В рамках вопросов, относящихся к медицинской биофизике, в настоящей работе прикладные исследования, в целом, направлены на создание управляемых по спектрально-цветовым характеристикам полупроводниковых хирургических светильников, а также методов и приемов освещения, позволяющих повысить качество визуализации биологических тканей при операциях, за счет контрастного выделения одних тканей на фоне других. Это направление связано с решением одной из важнейших проблем хирургии - визуального определения in vivo морфологической принадлежности тканей и структур организма, а также дифференциации нормальных и патологических тканей. В основе решения указанной проблемы лежит уникальное свойство светодиодных излучателей - изменение спектрально-цветовых параметров в широких пределах, а, следовательно, и возможность выбора освещения для контрастной визуализации того объекта (ткани), с которым в данный момент работает хирург.

Однако, как показывают полученные в настоящее время результаты, реализация потенциальных преимуществ управляемого светодиодного освещения в хирургии требует дальнейшего совершенствования как технической составляющей - разработке собственно экспериментального образца светодиодного осветителя и программного обеспечения для управления режимами освещения, так и изучения и накопления данных по спектрам поглощения, рассеяния и отражения нормальных и патологических тканей, и реализации на этой основе, библиотеки режимов освещения для конкретных хирургических манипуляций, новых методов для контрастной визуализации биологических тканей при хирургических операциях.

В свете вышесказанного, основными в разработке современных светодиодных систем освещения являются вопросы, касающиеся технической биофизики, а именно, практической реализации беспроводных сетей энергоэффективных динамически управляемых светодиодных источников освещения, предназначенных для освещения жилых, общественных и производственных помещений с обеспечением возможности регулирования спектрально-цветовых и мощностных характеристик освещения во времени и создания оптимальной световой среды, а именно:

• Создание внутри помещений, без окон, естественного, отвечающего биологическим циклам, освещения с плавным изменением цветовой температуры в течение дня, особенно при дефиците света в зимний период;

• Создание определенных световых характеристик освещения для поддержания работоспособности и концентрации внимания персонала, работающего в экстремальных условиях, а также релаксации и снятия нервного напряжения;

• Освещение музеев, целью которых является обеспечение наилучшего воспроизведения всей цветовой палитры живописи и создания оптимальной световой среды для восприятия предметов искусства, освещение архитектурных ансамблей;

• Оптимизация световой среды в агротехнических производственных помещениях для повышения урожайности;

• Осветительные системы для освещения детских и медицинских учреждений. Решение этих задач в диссертации связано с введением нового определения

светоэкология и разработкой новых технологий освещения, нашедших практическое использование в различных областях деятельности человека и имеющих важное социальное значение.

Несмотря на различие в областях применения, все рассматриваемые в настоящей диссертации вопросы объединены общей биофизической методологией, состоящей в применении инструментальных методов и разработок прикладной биофизики для создания оптимальной безопасной варьируемой эргономичной световой среды для жизнедеятельности человека.

Все вышесказанное дает основание утверждать, что тема диссертационной работы СОЗДАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫХ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ДЛЯ ЗАДАЧ ПРИКЛАДНОЙ БИОФИЗИКИ является актуальной.

Цель работы

Разработка широкой гаммы специализированных динамически управляемых светодиодных источников освещения для применения в области прикладной биофизики (медицинской и экологической), а также для создания эргономичной световой среды для жизнедеятельности человека.

Для достижения цели, поставленной в работе, необходимо решить следующие задачи

1. Провести экспериментальные исследования систем светодиодных матриц для синтеза света в управляемых системах освещения с целью достижения максимальных (главного и частных) индексов цветопередачи белого света и значений цветовой температуры, регулируемой в широком диапазоне.

2. Разработать оптические системы для светодиодных источников света, обеспечивающие однородность энергетических, цветовых и пространственных параметров освещения.

3. Провести экспериментальные исследования особенностей воздействия белого света с различной цветовой температурой и спектрального состава света на функциональное состояние человека.

4. Разработать методики определения влияния спектрального состава светодиодных источников света на гормон мелатонин.

5. Провести экспериментальные исследования влияния спектрально-цветового состава света освещения на контраст визуализации биологических тканей.

6. Создать динамически управляемые системы освещения для задач экологической и медицинской биофизики.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Применение предложенных вариантов построения светодиодных систем, позволяет обеспечить плавную (шаг 50 - 80 К) регулировку цветовой температуры в диапазоне цветовых температур 1700 - 10000 К с одновременно высоким значением главного ^а>90) и всех частных индексов цветопередачи ^¡>80) со спектром максимально приближенным к естественному свету. В сочетании с предложенными вариантами оптических систем обеспечивается:

1) однородное по яркости и цвету поле свечения излучения светодиодного источника (неоднородность по яркости не более 25% и неоднородность по цветовой координате не более

7%);

2) однородное по освещенности и цвету поле освещения (неоднородность по освещенности не более 8% и неоднородность по цветовой координате не более 5%).

2. Применение разработанных источников белого света с варьируемыми цветовыми температурами в диапазоне 1700-10000 К, позволило выявить физиологически активные области цветовых температур. Воздействие излучения этих областей приводит к изменениям спектральной мощности а- и 0- ритмов электроэнцефалограммы. По характеру этих изменений определяется тип воздействия одного и того же света - релаксирующий или активирующий.

3. Использование предлагаемого метода расчета параметра биологического эквивалента, позволяет оценивать степень влияния на гормон мелатонин светодиодного источника света.

4. Использование источника излучения с варьируемым спектром динамически управляемого светильника, позволило доказать, что спектральный состав света влияет на параметры вариабельности ритма сердца и субъективное восприятие временной длительности пациентом. Это влияние связано с уровнем нейротизма и соотношением симпатико-парасимпатического баланса человека. Вариабельность в исследованиях составляла для показателя общей мощности в среднем по модулю 45 %, индекса вегетативного равновесия 43%.

5. Существенное повышение контраста визуализации различных биологических тканей достигается в результате подбора спектрально-цветового состава излучения, разработанного динамически управляемого хирургического светильника.

Научная новизна

1. Определены диапазоны цветовых температур белого света, воздействие которого является физиологически активным, и приводит к изменениям спектральной мощности а-, 0-, 5-ритмов электроэнцефалограммы.

2. Выделены два основных типа физиологически активного воздействия света -релаксирующее и активирующее, зависящие от индивидуальных особенностей человека.

3. Впервые показано, что спектральный состав света существенно влияет на параметры вариабельности ритма сердца, а субъективное восприятие временной длительности связано с уровнем нейротизма и соотношением симпатико-парасимпатического баланса человека.

4. Предложен параметр биологического эквивалента для определения влияния спектрального состава света на гормон мелатонин.

5. Показана возможность увеличения контраста визуализации биологических тканей при варьировании спектрально-цветового состава источника излучения.

Практическая значимость:

1. Полученные данные о воздействии белого света определенного диапазонов цветовых температур могут быть использованы при создании и развитии лечебных методик коррекции психофизиологического состояния человека.

2. Предложенный метод адекватной оценки светодиодного источника света по степени биологического воздействия по параметру биологического эквивалента может быть использован для разработки санитарных норм и правил, а, также лечебных методик.

3. Полученные данные о существенном влиянии спектрального состава на параметры вариабельности ритма сердца, и на субъективное восприятие временной длительности, которые связаны с уровнем нейротизма и соотношением симпатико-парасимпатического баланса человека, могут быть использованы при создании и развитии лечебных методик.

4. Предложенные варианты построения светодиодных систем, обеспечивающие плавную регулировку цветовой температуры в широком диапазоне цветовых температур с одновременно высоким значением главного ^а>90) и всех частных индексов цветопередачи ^¡>80) со спектром максимально приближенному к естественному свету, использованы при разработке динамически управляемых источников света.

5. Предложенные варианты оптических систем для светодиодных источников света, обеспечивающие однородность энергетических, цветовых и пространственных

параметров освещения использованы при разработке динамически управляемых источников света.

6. Результаты исследований влияния спектрально-цветового состава источника излучения на контраст визуализации биологических тканей использованы при создании хирургического светильника.

7. Предложенная модель для расчета однородного распределения интенсивности света по операционному полю при сохранении требуемой освещенности поля и минимизации теневого эффекта использованы при создании хирургического светильника.

8. Предложенная модель радиоканала управления беспроводной сети в условиях интерференции прямой и отраженной волн, использована при создании управления светодиодными источниками освещения по радиоканалу.

9. Реализованы и внедрены в практику управляемые системы освещения с важным социальным эффектом - созданием оптимальной варьируемой эргономичной световой среды для жизнедеятельности человека.

Личный вклад автора

Автор диссертации внес определяющий вклад в выбор тематики исследования, постановку задач конкретных работ, их планирование и осуществление. Основная часть приводимых результатов была получена автором лично, либо совместно с соавторами публикаций. Все экспериментальные исследования планировались и выполнялись при непосредственном участии автора, под его руководством или в сотрудничестве с членами научных коллективов.

Обоснованность и достоверность результатов работы

Достоверность результатов диссертационного исследования обеспечивается тщательной проработкой методик эксперимента и подтверждаются их воспроизводимостью, при использовании современных методов исследования, которые соответствуют поставленным в работе целям и задачам. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, подкреплены убедительными фактическими данными, наглядно представленными в приведенных таблицах и рисунках.

Параметры разработанных приборов подтверждены протоколами официальных испытаний. Все теоретические и прикладные результаты диссертации согласуются с современными научными представлениями и данными отечественных и зарубежных

источников, а также подтверждаются их обсуждением в научных изданиях, выступлениях на научных конференциях международного, всероссийского и межвузовского уровней.

Методы исследования

В диссертационной работе исследования проводились с применением сертифицированных методик, используемых при измерении спектрально-цветовых и пространственных параметров источников излучения видимого диапазона. Регистрация электрокардиограмм и электроэнцефалограмм проводилась на сертифицированных приборах с использованием стандартных методов их обработки. Экспериментальное определение контраста биологических тканей проводилось методом экспертной оценки.

Апробация результатов работы

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались автором на следующих научно-практических конференциях: «Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы» (Москва 2010 г, Санкт-Петербург 2011 г), «Современная светотехника» (Санкт-Петербург 2010 г), III Съезд физиологов СНГ (Ялта 2011 г), «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине» (Санкт-Петербург 2010 г), IV конгресс физиков Беларуси (Минск 2013 г), EEEIC (Рим, 2015 г), «Физика - наука о жизни» (Санкт-Петербург 2019 г), EExPolytech (Санкт-Петербург 2018, 2019 г).

Публикации

Основные результаты по теме диссертации изложены в 38 печатных работах. Из них: 19 работ изданы в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационного исследования, 12 из которых опубликованы в журналах, индексируемых в базах Scopus, Web of Science, 10 патентов Российской Федерации и 9 в сборниках трудов конференций и тезисов докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из 5 глав, введения, заключения. Содержит 150 страниц машинописного текста, включая 57 рисунков, 13 таблиц и список используемых источников, насчитывающий 158 наименований.

Глава 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Введение

Одним из наиболее перспективных направлений светодиодной индустрии на сегодняшний день является использование светодиодных динамически управляемых («интеллектуальных») источников света для создания благоприятных для здоровья человека условий освещения. Последнее требует тщательного изучения влияния цветодинамического света на состояние организма человека, соответствующей экспериментальной техники и методик.

Большой интерес представляет - обнаружение нового типа глазных рецепторов, не отвечающих за зрительное восприятие, но определяющих секрецию гормонов в кровь, и, таким образом, задающие ход биологических часов, в частности, циркадные (суточные) ритмы. На эти процессы существенное влияния оказывает спектральный состав света. Анализ современного состояния этого вопроса, позволяет определить нерешенные задачи в этой области.

При хирургических операциях варьирование спектрально-цветовых характеристик, особенно, тонкая настройка спектра используемого света приобретают определяющее значение, поскольку позволяют получать максимальное разрешение и контрастность при визуализации биологических тканей. Для постановки это задачи проводится обзор существующих возможностей современных хирургических светильников.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аладов Андрей Вальменович, 2020 год

Источник питания

Радиоканал

Гц

Драйвер

Матрица СД 1

Фотосенсор

• ••• ^

0000

0000 ••••

контроля цвета

Датчик if температур

о а

Сист.охлаждения

Управляющий компьютер

Излучающий модуль

Рисунок 2 - Общая структурная схема динамически управляемого полупроводникового источника света (радиоканал управляется на частотах 2,4 ГГц; 868 МГц).

Исходя из целей создания управляемого источника света как части аппаратно-программного комплекса, излучающий модуль изготовлен в виде отдельного блока, с прямоугольным полем свечения.

Плата алюминиевого радиатора с закрепленной на ней матрицей мощных многоцветных светодиодов, платы драйверов управления и вентиляторы принудительного охлаждения помещены в корпус, отлитый из пластмассы. 2.2.3 Оптическая система

Для АПК, предназначенного для определения психофизиологического состояния, был разработан мощный управляемый полупроводниковый источник света с большой площадью свечения. Разработка оптической системы была направлена на достижения однородности параметров яркости и цвета поля свечения источника излучения.

Расчеты и оптимизация оптической схемы проводились в соответствии с теорией архитектуры оптимальных оптических систем [102-105]. Аналогичный подход применялся также при использовании программы ZEMAX 13Release 2 SP1 Premium (64 бит, Radiant ZEMAX LLC, USA).

Отражатель [106], состоял из двух прямоугольных коробов с зеркальным покрытием, каждый со своим рассеивателем - экраном, одна из сторон которого имеет неоднородность, обеспечивающую заданный угол рассеяния (рисунок 3, а). Разделение рассеивателя на

первичный и вторичный позволяет достичь наилучшего соотношения между пропусканием системы и равномерностью освещенности экрана, а именно - два последовательно установленных рассеивателя обеспечивают высокую степень однородности по цвету и углу излучения. При этом один из рассеивателей создает, в первую очередь, однородность цветовых параметров, а установка следующего рассеивающего экрана обеспечивает в большей степени однородность по углу излучения.

В зависимости от взаиморасположения цветовых компонент различных светодиодов расположенных в светильнике создается определенная совокупная картина по цвету и освещенности. В случае одинакового пространственного расположения светодиодов совокупная картина, получаемая от множества светодиодов, не смотря на использование рассеивателя, имеет большую степень неоднородности по цвету и полю свечения. Для устранения этого недостатка, а также сведения к минимуму аберраций, получаемых в результате использования рассеивателя, был проведен скорректированный расчет для обеспечения большей однородности цветности излучения. Более оптимальное расположение светодиодов с чередованием их ориентации на плате, обеспечивает необходимую компенсацию неоднородности световых характеристик излучения (см. рисунок 3).

а) б)

Рисунок 3 - Оптическая система излучателя:

а - вид системы с двумя рассеивателями и рефлектором;

б - расположение светодиодов с чередованием их ориентации на плате.

Такой монтаж СД на плате позволяет достичь практически однородного по цвету свечения и яркости поля свечения.

Пространственные характеристики светильника измерены с использованием универсального измерительного комплекса «IS-LI™ Luminous Intensity Measurement System ProMetric Color Measurement system» изображенного на рисунке 4.

Принцип определения углового распределения силы излучения использует освещение испытываемого СД поверхности полусферы, изображение которой с помощью соответствующей оптической системы проецируется на поверхность светочувствительной ПЗС-матрицы. В дальнейшем освещенность в заданном пикселе матрицы может быть пересчитана в силу света падающего в заданном направлении на поверхность полусферы. Измерение углового распределения цветовой температуры и координат цветности основано на том же принципе с дополнительным использованием трехцветного фильтра.

Рисунок 4 - Устройство для измерений угловых характеристик в трехмерном пространстве: 1 - полусфера со встроенной камерой; 2 - место крепления испытываемого прибора.

Результаты расчетов и экспериментов (показано на рисунке 5) показали, что при использовании такой оптической системы цветовая неоднородность излучения составляет не более 7%, а энергетическая неоднородность - не более 20 %.

100% 75% 50% 2В% 0%

а)

б)

Рисунок 5 - Результаты расчета (а) и эксперимента (б) для характеристик распределения светового излучения: а - освещенности по цвету (слева) и светимости (справа) на выходе излучателя; б - силы света и цветовой температуры по углу.

На рисунке 6 показана [101], структурная схема АПК для исследования и проведения коррекции психофизиологического состояния человека с использованием интеллектуального света.

Рисунок 6 - Схема АПК для исследования психофизиологического состояния человека и коррекции с использованием интеллектуального света: 1, 8 - компьютеры управления и обработки данных; 2 - СД ИС для цветодинамичного

освещения; 3 - электроэнцефалограф; 4 - психологические тесты; 5 - электрокардиограф; 6 - датчик частоты дыхания; 7 - датчик артериального давления.

2.2.4 Программное управление аппаратно-программным комплексом

Световые параметры динамически управляемого полупроводникового ИС, предназначенного для АПК, контролируются с удаленного компьютера, использующего разработанное программное обеспечение.

Модуль управления интеллектуальным ИС работает в диапазоне частот 2,4 МГц и обеспечивает следующие функции:

- управление светильником с мобильных устройств с помощью операционной системы Android;

- изменение и контроль режимов работы пользователем посредством персонального компьютера (ПК);

- автономную работу.

Интерфейсы разработаны под Windows и Android см. рисунок 7. Беспроводное соединение Bluetooth используется для обеспечения связи между светильниками и ПК.

а) б)

Рисунок 7 - а) Вид интерфейса основного окна управления Android;

б) Вид интерфейса основного окна управления Windows.

Модуль предусматривает создание библиотеки спектров (см. рисунок 8) с возможностью их коррекции в соответствии с индивидуальными настройками. Однако основной режим работы - автоматический, в соответствии с заданной программой освещения. Для этого окно программирования задает алгоритмы освещения в зависимости от задач светового воздействия. Эти программы также могут быть настроены на время и параметры освещения.

Ei Введите кивание спектра L ¡П ¡X

а) б)

Рисунок 8 - а) Окно составления программ;

б) Окно создания библиотеки спектров.

2.2.5 Влияние светового воздействия на психофизиологическое состояние человека

АПК, предназначенный для определения психофизиологического состояния человека, включает в себя мощный управляемый интеллектуальный ИС с большой площадью излучения, учитывающий фактор прямого свечения на объекте, и электроэнцефалограф «Телепат- 104Д» (г. Санкт-Петербург). Регистрация ЭЭГ [107], проводилась монополярным способом с использованием индифферентных электродов, расположенных на мочках ушей добровольца. Запись производилась в следующих отведениях: Fp1, Fp2, F3, F4, F7, F8, С3, С4, Р3, Р4, Т3, Т4,

Т5, Т6, O1, 02 (по системе «10-20»). Частота оцифровки сигнала составляла 250 Гц, высокочастотная полоса пропускания - 35 Гц, а постоянная времени - 0,3 с.

Целью исследования являлось изучение особенностей влияния динамически управляемого света от полупроводникового источника с КЦТ, изменяющегося в диапазоне от 1700 до 10000 K, на функциональное состояние головного мозга человека. Световой поток ИС в зависимости от КЦТ составлял 1000 - 4000 лм.

Сначала ЭЭГ испытуемых регистрировалась в затемненной комнате в течение 2-х минут, тем самым создавались условия «исходного контрольного состояния». Затем испытуемые подвергались 2-х минутным световым воздействиям (последовательно, с 2-х минутными перерывами), включающим 5 различных цветовых температур, программно-устанавливаемых в СД ИС.

Полученные данные были обработаны с помощью спектрального анализа, который проводился с помощью программы «WinEEG Version 1.3». Определены значения спектральной мощности стандартных диапазонов ЭЭГ (5 -, 0 -, а - и в - ритмы), эпоха анализа для расчета спектров составила 4 с, рассчитаны усредненные спектральные параметры для всех зарегистрированных фрагментов ЭЭГ в фоновых условиях и при световом воздействии.

Анализ результатов исследования показал наличие 2-х характерных типов изменений в ЭЭГ: в динамике а - и 0 - ритмов при описанных световых воздействиях на добровольцев. В некоторых случаях наблюдались дополнительные изменения спектральных характеристик 5 - ритма, но существенного влияния использованного светового воздействия на мощность в - ритма обнаружено не было. Таким образом, можно считать, что увеличение или уменьшение спектральной мощности а - и 0 - ритмов ЭЭГ является наиболее информативным при оценке воздействия света.

Исходя из описанных типов реакций, все испытуемые были разделены на 2 группы по 10 человек:

- В 1-й группе (30,80 ± 3,21 года, 3 женщины и 7 мужчин) наблюдалось преимущественное увеличение а - ритма;

- Во 2-й группе (26,30 ± 3,26 года, 6 женщин и 4 мужчины) - ее ослабление.

Описанная динамика а - ритма протекает в нормальном физиологическом диапазоне,

поэтому влияние белого света от светодиодного источника на функциональное состояние головного мозга происходит преимущественно в рамках нормальных, адаптивных реакций. Спектральный анализ ЭЭГ позволил объективно оценить изменения основных ритмов электрической активности головного мозга при воздействии света с переменной цветовой температурой. Группа 1 характеризовалась отчетливым увеличением спектральной мощности а-ритма при световом воздействии от 1700 к до 10000 к (см. рисунок 9). В последнем случае

такая динамика захватила большее число кортикальных областей. Небольшое, но значительное увеличение мощности 0 - и 5 - ритмов произошло в F 7 и Т 4 при освещении от 1700 К, а в Б 3, О 1, Б 7, Т 4 - от 10000 К. При освещении 3800 К, 4800 К и 7000 К спектры в диапазоне а -, 0 - и 5 - ритмов существенно не изменились.

1700 К

20 1 5 1 О 5 0 -5 -1 О -1 5 -2 0

20 1 5 1 0 5 0 -5 -1 0 -1 5 -2 0

О

*

1=1

35 г £

■ Рр1 Рр2 Р3 Р4 С3 С4 Р3 Р4 01 02 Р7 Р8 Т3 Т4

10000 К

Т5 Т6

* *

г-1ППГ1 П * .—..—.1 М—1 — * п

■ Рр1 Рр2 Р3 р4 С3 С4 Р3 Р4 01

02 Р7 Р8 Т3 Т4

Т5 Т6

Рисунок 9 - Влияние света с различными цветовыми температурами на спектральную

мощность а- ритма в 1 -й группе. Примечание: Столбики вверх от оси Х это увеличение параметра. Подписи под колонками это отведения. По оси ординат - изменение спектральной мощности ритма при воздействии света относительно фона в мкв2.

* - достоверность различий между значениями в фоновом и световом воздействии имеет уровень значимости Р<0,05 [107].

Во 2-й группе наблюдается тенденция к снижению мощности а - ритма для всех образцов, за исключением светового воздействия от 4800 К. При освещении 10000К ослабление спектральной мощности а - ритма становится наиболее заметным и достоверным в

ряде областей, при этом наблюдается также умеренное снижение мощности 0 - ритма (см. рисунок 9). В рассматриваемой группе не наблюдается существенного влияния применяемого света на доминирующие частоты а - и 0 - ритмов, мощность в -1- ритмов, а также на 5 - и в -2- ритмы.

Общий характер изменений ЭЭГ у испытуемых из 1 -й группы свидетельствует о расслабляющем воздействии на них света, а из 2-й группы - об активирующем действии.

2 О 1 5

= 10

О

0

1 5 '1 о

_а сц

-5

& 5 <и

о -10

а рит м ы

| Рр1 I РЗ I

I 11_II—II_II—п—I

' Р7 ' Р8 I тЗ Т4 | Т^ | Т6 |

*

*

в-рит м ы

15 10 5 0

Р7 Р8 ТЗ Т4

* * * * * *

■ Рр1 Рр2 РЗ

Т5 Т6 *

Рисунок 10 - Влияние света с 10000 К на спектральную мощность

а- и 0-ритма в группе 2. Примечание: столбики вниз от оси абсцисс - уменьшение параметра. Остальные обозначения такие же, как на рисунке 9.

СЗ

С4

З

4

01

о -15

-2 О

10

о -15

-2 О

Изменения в значениях спектральной мощности а - и 0 - ритмов ЭЭГ при воздействии света с величиной КЦТ 10000 К превышали 25 % от исходного уровня, при этом отмечается

существенное влияние на функциональное состояние головного мозга человека - данное световое воздействие можно считать физиологически активным (см. таблицу 1).

Таблица 1. Измеренные средние значения спектральной мощности а - ритма и 0 - ритма при воздействии света с величиной КЦТ 10000 К

отведения а - ритм 0 - ритм % изменений

свет фон свет фон а - ритм 0 - ритм

Бр 1 8.39 ± 2.23 6.22 ± 1.721 4,69±0,93 3,11±0,67 34,90 50,87

Бр 2 8.39 ± 2.01* 5.51 ± 1.62 3,97±0,74 3,00±0,65 52,32 32,68

Б 3 9.99 ± 2.78 7.29 ± 2.25 4,63±0,74* 3,26±0,68 37,12 42,23

Б 4 9.40 ± 2.00* 6.14 ± 1.79 3,71±0,41 3,31±0,63 53,02 12,17

С 3 12.02 ± 3.86 7.74 ± 2.27 3,98±0,54* 2,91±0,46 55.26 37,01

С 4 10.96 ± 2.76 7.19 ± 2.03 3,22±0,31 2,96±0,59 52,35 8,88

Р 3 18.55 ± 6.67* 9.4 ± 3.41 3,66±0,59 2,71±0,44 97,23 34,86

Р 4 14.29 ± 3.73* 7.87 ± 2.30 3,03±0,31 2,83±0,52 81,46 7,15

О 1 25.52 ± 9.44* 12.84 ± 5.35 2,98±0,50 2,24±0,41 98,74 33,32

О 2 28.90±10.43* 18.09±11.07 3,01±0,49 2,69±0,57 59,78 12,04

Б 7 5.01 ± 1.18 3.72 ± 1.07 2,97±0,63* 1,84±0,36 34,66 61,72

Б 8 4.48 ± 1.11 3.20 ± 0.75 3,12±0,77 2,27±0,49 40,15 37,53

Т 3 7.39 ± 2.70 4.16 ± 1.11 2,09±0,21 1,69±0,30 77,44 24,04

Т 4 4.72 ± 1.04* 2.89 ± 0.61 1,71±0,17 1,35±0,21 63,71 26,92

Т 5 9.77 ± 3.28 5.2 ± 1.49 2,23±0,28* 1,66±0,30 87,55 33,92

Т 6 7.83 ± 1.89* 4.32 ± 1.28 1,70±0,12 1,44±0,25 81,07 18,27

Примечание: - среднее значение спектральной мощности ритма и стандартные ошибки;

* р < 0,05 по сравнению с фоновым значением

Световое воздействие с цветовой температурой 3800 К (см. таблицу 2) можно признать физиологически активным, т.к. значения спектральной мощности а - ритма в правых средневисочной, задневисочной и затылочной областях мозга понизились более чем на 25%. Однако при воздействии света с величиной КЦТ 3800 К изменение спектральной мощности в 0 - диапазоне не превышало 25%.

Таблица 2. Измеренные средние значения спектральной мощности а - ритма и 0 - ритма при

воздействии света с величиной КЦТ 3800 К

отведения а - ритм 0 - ритм % изменений

свет фон свет фон а - ритм 0 - ритм

Бр 1 11,73±3,96 12,65±4,50 6,11±1,14 5,56±0,83 -7,26 9,96

Бр 2 12,46±14,07 12,22±4,06 6,13±1,19 6,01±1,05 1,91 1,99

Б 3 14,94±5,12 14,52±4,36 7,13±1,63 5,79±0,88 2,94 22,97

Б 4 14,53±5,37 14,52±4,12 6,88±1,49 6,35±1,08 0,05 8,39

С 3 19,52±7,52 21,50±6,05 6,36±1,73 5,52±0,95 -9,21 15,05

С 4 18,13±6,87 21.00±5.63 6,13±1,45 5,97±0,96 -13,68 2,64

Р 3 25,48±-9,19 27,38±8,03 6,04±1,59 6,15±1,04 -6,94 -1,80

Р 4 22,24±7,22 25,73±6,91 6,24±1,54 5,76±0,95 -13,58 8,41

О 1 32,53±12,07 39,44±12,62 4,91±1,00 5,35±0,84 -17,51 -8,26

О 2 30,35±9,40 41,31±13,24 6,10±1,70 6,15±1,15 -26,53 -0,74

Б 7 7,58±2,49 8,01±2,61 3,60±0,65 3,26±0,49 -5,40 10,59

Б 8 8,05±2,94 8,21±3,02 4,01±10,81 3,85±0,82 -1,88 4,31

Т 3 9,01±2,64 9,75±12,14 3,22±0,57 3,15±0,50 -7,58 2,04

Т 4 5,98±1,52* 8,11±2,39 2,79±0,55 2,92±0,47 -26,25 -4,27

Т 5 12,89±3,56 13,89±13,05 3,09±0,57 3,35±0,52 -7,25 -7,68

Т 6 10,80±3,22* 15,61±4,82 3,06±0,73 2,69±0,36 -30,80 13,67

Примечание: см. в таблице 1.

Световое воздействие с КЦТ 1700 К также является физиологически активным согласно таблице 3 в большинстве регистрируемых областей мозга наблюдалось повышение спектральной мощности а - и 0 - ритмов более чем на 25% (за исключением отведений Т6 и Р4).

Таблица 3. Измеренные средние значения спектральной мощности а - ритма и 0 - ритма при воздействии света с величиной КЦТ 1700 К_

отведения а - ритм 0 - ритм % изменений

свет фон свет фон а - ритм 0 - ритм

Бр 1 8,47±1,92 6,22±1,72 4,29±0,77 3,11±0,67 36,05 37,95

Бр 2 6,92±1,91 5,51±1,62 3,50±0,62 3,00±0,65 25,71 16,99

Б 3 9,05±2,00 7,29±2,25 4,26±0,85 3,26±0,68 24,14 30,65

Б 4 7,70±1,69 6,14±1,79 3,38+0,43 3,31±0,63 25,31 2,31

С 3 9,20±2,20 7,74±2,27 3,58+0,81 2,91±0,46 18,87 23,11

С 4 7,85±1,73 7,19±2,03 3,32±0,59 2,96±0,59 9,20 12,14

Р 3 13,27±3,92 9,41±3,41 3,86±0,96 2,71±0,44 41,07 42,16

Р 4 9,73±2,24 7,87±2,30 3,17±0,62 2,83±0,52 23,60 11,75

О 1 22,07±6,94* 12,84±5,35 3,26±0,76 2,24±0,41 71,92 45,76

О 2 24,10±10,84 18,09± 11,07 3,30±0,77 2,69±0,57 33,24 22,62

Б 7 4,99±0,86 3,72±1,07 2,64±0,53* 1,84±0,36 34,32 43,78

Б 8 4,63±1,09 3,20±0,75 2,67±0,62 2,27±0,49 44,80 17,57

Т 3 5,21±1,11 4,16± 1,11 1,92±0,37 1,69±0,30 25,09 14,00

Т 4 3,46±0,75 2,89±0,61 1,79±0,26* 1,35±0,21 19,94 32,67

Т 5 7,32±1,74 5,21±1,49 2,06±0,44 1.66±0,30 40,42 23,90

Т 6 4,68±1,17 4,32±1,28 1,70±0,30 1,44±0,25 8,26 18,31

Примечание: см. в таблице 1.

Световое воздействие с величиной КЦТ 7000 К, (см. таблицу 4) можно охарактеризовать как физиологически нейтральное, т.к. изменения в спектральной мощности а - и 0 - ритмов не превышали 25% ни в одном из отведений.

Таблица 4. Измеренные средние значения спектральной мощности а - ритма и 0 - ритма при

воздействии света с величиной КЦТ 7000 К

отведения а - )итм 0 - ритм % изменений

свет фон свет фон а-ритм 0-ритм

Бр 1 7,28±1,71 8,47±1,92 4,47±0,62 4,29±0,77 -14,03 4,02

Бр 2 6,13±1,22 6,92±1,91 3,69±0,44 3,50±0,62 -11,45 5,33

Б 3 7,63±1,51 9,05±2,00 3,90±0,50 4,26±0,85 -15,66 -8,48

Б 4 7,07±1,23 7,70±1,69 3,93±0,44 3,38±0,43 -8,14 16,16

С 3 8,55±1,97 9,20±2,20 3,27±0,2 3,58±0,81 -7,06 -8,52

С 4 8,13± 1,58 7,85±1,73 3,39±0,39 3,32±0,59 3,51 2,14

Р 3 14,56±4,99 13,27±3,02 3,00±0,34 3,86±0,96 9,75 -22,31

Р 4 10,48±2,02 9,73±2,24 3,17±034 3,17±0,62 7,64 -1,68

О 1 22,33±8,73 22,07±6,94 2,65±0,45 3,26±0,76 1,16 -18,81

О 2 22,80±9,08 24,10±10,84 2,76±0,42 3,30±0,77 -5,40 -16,24

Б 7 4,36±0,87 4,99±0,86 2,92±0,49 2,64±0,53 -12,74 10,27

Б 8 3,93±0,86 4,63±1,09 2,46±0,33 2,67±0,62 -15,23 -7,91

Т 3 4,42±1,14 5,21±1,11 1,66±0,20 1,92±0,37 -15,06 -13,82

Т 4 1,08±0,80 3,46±0,75 1,50±0,14 1,79±0,26 17,93 -16,02

Т 5 7,19±2,01 7,32±1,74 1,91±0,35 2,06±0,44 -1,70 -7,22

Т 6 5,43±0,93 4,68±1,17 1,53±0,17 1,70±0,30 15,93 -10,12

Примечание: см. в таблице 1.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что при световом воздействии с цветовой температурой в диапазоне 1700 - 10000К спектральные показатели мощности а - и 0 - ритмов электроэнцефалограммы отражают результирующий эффект такого воздействия и его величину. Пороговое значение 25% относительно исходного уровня спектральной мощности может быть использовано для различения физиологически нейтрального и физиологически активного уровней световых эффектов. При этом:

- снижение спектральной мощности а - и 0 - ритмов более чем на 25% от фоновых значений может быть связано с повышением уровня активации коры головного мозга (активирующий эффект светового воздействия),

- увеличение спектральной мощности а - ритма более чем на 25% и 0 - ритма на 25% может отражать снижение уровня активации коры головного мозга (расслабляющий эффект светового воздействия) [108-110].

Соотношение а - и 0 - ритмов ЭЭГ можно рассматривать как отражение баланса возбуждения и торможения в коре головного мозга человека [111-113], при этом а - ритм в основном связан с процессами торможения. Поэтому увеличение его мощности в спектре ЭЭГ можно интерпретировать как релаксационный эффект за счет усиления процессов торможения в центральной нервной системе, а ослабление мощности а- ритма в спектре ЭЭГ, как тонизирующий эффект за счет ослабления тормозных процессов [114-116].

Интерпретация роли сдвигов 0 - ритма может быть более разнонаправленной, поскольку отмечается его участие в таких разнообразных явлениях, как утомление, эмоциональная обработка, внимание, память и обработка ошибок [117,118]. Однако в этом случае однонаправленные сдвиги а - и 0 - ритмов значимы: изменения мощности а - ритма не сопровождаются компенсаторными изменениями медленных ритмов. Такие комбинированные сдвиги а - и 0 - ритмов могут указывать на изменение уровня бодрствования, тонизирующих или релаксационных эффектов в коре головного мозга человека [119,120]. 2.2.6 Заключение

Впервые разработан АПК для определения психофизиологического состояния человека, включающий мощный управляемый интеллектуальный источник света, оптическую систему для создания равномерного яркостного и цветового поля источника излучения. Использование этого комплекса в качестве инструмента для воздействия белым светом с изменяемой цветовой температурой показало, что белый свет со значениями цветовой температуры, наиболее близкими к дневному свету (3800, 4800 и 7000 К), существенно не влияет на спектральные характеристики основных ритмов ЭЭГ. Такое световое воздействие можно охарактеризовать как физиологически нейтральное, а светодиодные источники освещения с аналогичными значениями цветовой температуры можно рекомендовать для длительного искусственного освещения бытовых и общественных помещений общего назначения, когда нет особых требований к параметрам освещения. Напротив, белый свет с цветовыми температурами 1700К и 10000К является физиологически активным, и его использование приводит к значительному изменению а - и 0 - ритмов электроэнцефалограммы. Это наиболее ярко выражено для света с цветовой температурой 10000К. Поскольку такое освещение влияет на параметры ЭЭГ, его можно использовать для коррекции психологических и функциональных физиологических состояний человека.

Выделены два основных типа светового воздействия:

• активирующий,

• релаксирующий.

При этом характер эффекта индивидуален и может различаться для разных людей даже при использовании идентичного режима освещения. Это определяет необходимость

индивидуального подбора режимов освещения для направленного изменения функционального состояния человека, с учетом характера его реакции и исходного функционального состояния. Сам тип реагирования, по-видимому, можно определить по характеру ЭЭГ- ответа на стандартизированное светодиодное освещение с определенной цветовой температурой, а величина этих изменений во время регистрации электроэнцефалограммы может служить биологическим маркером изменений функционального состояния человека.

На основе разработанных методик, возможно индивидуально подобрать режим освещения для направленного изменения функционального состояния человека, что подтверждено испытаниями в составе АПК ООО "Центр аэрокосмической медицины" (г. Москва) и Государственном научно-исследовательском испытательном институте военной медицины Министерства обороны Российской Федерации (г. Москва). Совместно с медицинскими научно-исследовательскими учреждениями, а именно центром аэрокосмической медицины (Москва), государственным медицинским университетом им. И. П. Павлова (Москва, ул. Санкт - Петербург), национальный медицинский исследовательский центр психиатрии и неврологии им. В. М. Бехтерева (Санкт-Петербург) - комплекс использовался в качестве инструментальной базы для проведения медико-биологических исследований.

Глава 3 Воздействие монохроматического синего света на физиологическое состояние человека и создание экологически безопасных источников интеллектуального света

3.1 Введение

Использование СД интеллектуального света вызвало повышенный интерес к широкому спектру медико-биологических проблем связанных с новыми технологиями освещения. Важными вопросами при этом являются как непосредственная опасность поражения зрительных органов излучением СД [11, 23, 24], так и возможные последствия воздействия света для психофизиологического и физического здоровья людей при длительном нахождении под СД освещении.

Наиболее распространенные в настоящее время белые светодиоды с люминофорным преобразованием характеризуются наличием синего спектра с максимумом в диапазоне длин волн 450-460 нм и дефицитом излучения в красной области 630-750нм.

Относительно недавно открытый [25-27] не визуальный (так называемый биологический) канал, основанный на меланопсин-содержащих ганглиозных клетках сетчатки, сигналы от которых идут непосредственно в шишковидную железу, нейроэндокринный орган, регулирующий секрецию гормона мелатонина в крови. В своей простейшей форме биологический эффект заключается в том, что освещение в области длин волн синего пика белых светодиодов подавляет секрецию мелатонина, поскольку оно совпадает со спектром действия мелатонина, вызывая состояние активности, а отсутствие излучения в синей области спектр способствует выработке мелатонина, что приводит к состоянию расслабления и сна [9, 10, 28-30]. Отметим, что канал биологических часов в той или иной форме существует во всех живых организмах и является следствием длительной эволюции в условиях суточной цикличности солнечного освещения. Последние биомедицинские исследования подтверждают, что отклонения от естественных суточных колебаний содержания мелатонина в крови, которые сложились в ходе биологической эволюции, не ограничиваются психическими расстройствами (бессонница, депрессия, тревожность [31-33]), а накапливаются в течение длительного времени, и приводят к тяжелым последствиям для здоровья человека в целом, вызывая преждевременное старение организма и различные заболевания [34-36].

В этой связи существенный интерес представляет изучение различных искусственных ИС с точки зрения биологического действия, а именно оценка их влияния на концентрацию мелатонина в крови с одинаковым визуальным эффектом (Тц и освещённости).

Такое исследование было проведено в ходе выполнения работ по теме диссертации, опираясь на введенное понятие биологического эквивалента излучения BioEq (БЭ).

3.2 Метод оценки фотобиологической безопасности светодиодных источников интеллектуального света. Светодиодный источник с улучшенной фотобиологической безопасностью

Для расчета биологического эквивалента излучения BioEq использовалась предложенная в работе [121] следующая методика:

1) Нормировка функции относительной спектральной плотности потока излучения ИС Фу по условию одинакового зрительного воздействия (одинакового светового потока в 100 лм)

770

= 683 J Фе (X)norV (Л) dX = 100 лм

380 , где (1)

Фе(Х) norm — нормированная функция светового потока, V(X) - кривая видности.

2) Далее рассчитывался соответствующий биологический эквивалент

770

BioEq = J ф (Л1гт В (Л) ^

380 , где (2)

B(X) - функция спектрального распределения относительного спектра биологического (подавление секреции мелатонина) действия.

Спектральные, электрические и световые характеристики ИС измерялись на установке «OL 770-ED High-speed LED Test and Measurement System UV/VIZ /NIR: 250-1100 nm», а обработка спектров и численное интегрирование выполнялись по программе «Origin 8.5» [122].

Максимум функции В(Х), спектра биологического (подавление секреции мелатонина) действия, лежит в диапазоне волн 446-477 нм, т. е. сдвинут примерно на 200 нм влево от максимума функции V(X) и, что важно для данного подхода, и совпадает с максимумом сильной голубой полосы спектра излучения широко используемых белых люминофорных СД. Исследовались ИС 3-х групп:

• серийные белые СД-лампы (производства Osram, Toshiba и др.) с Тц=2700, 2740, 3200 и 6380 K и индексом цветопередачи Ra =72-88.

• серия разрабатываемых в НТЦ микроэлектроники РАН динамически управляемых ИС медицинского назначения на базе RGBA- и RGBWc-полихромных (полноцветных) светодиодных систем (здесь RGBA (Red-Green-Blue-Amber) - обозначает смешение излучения

четырёх монохромных кристаллов СД с пиковыми длинами волн 460, 530, 595 и 630нм. В комбинации RGBWc вместо янтарного (А) кристалла используется голубой с люминофорным покрытием - как источник холодно-белого (Wc) света Тц=6300 K).

• для сравнения, исследовались лампы накаливания (ЛН) общего назначения с Тц=2800 K, катодолюминесцентная лампа (КЛЛ) с Тц=2700 и 4300 K и натриевая лампа высокого давления (НЛВД), хотя НЛВД и не является источником белого света, она широко используется для уличного и дорожного освещения.

Для примера рассмотрим оценку биологического эквивалента белого светодиода с Тц=5500К (W5500) в сравнении с лампой накаливания Тц=2700К 1. Биологический эквивалент лампы накаливания

Исходный экспериментальный спектр, кривая видности Vß), функция подавления секреции мелатонина Bß) и подинтегральное выражение формулы BioE; нормировка относительной спектральной плотности потока излучения ИС по условию одинакового визуального воздействия (одинакового светового потока в 100 лм) см. рисунок 11.

400 450 500 550 600 650 700 750 400 450 500 550 600 650 700 750

Длина волны, нм Длина волны, нм

а) б)

Рисунок 11 - Лампа накаливания:

а) Исходный экспериментальный спектр, кривая видности Vß), функция подавления секреции

мелатонина Bß) и подинтегральное выражение формулы BioEq;

б) Нормировка относительной спектральной плотности потока излучения ИС

по условию одинакового визуального воздействия.

Соответственно, биологический эквивалент лампы накаливания - площадь под жёлтой линией. Площадь под красной кривой равна 100. Во второй формуле надо сделать домножение на коэффициент 683. Тогда BioEq будет тоже выражаться в у.е, численно равных [лм]. После

интегрирования в соответствии с выражением получим биологический эквивалент лампы накаливания BioEq = 30.72 лм. 2. Биологический эквивалент светодиода W5500

Исходный экспериментальный спектр, кривая видности V(X), функция подавления секреции мелатонина B(X) и подинтегральное выражение формулы, нормировка относительной спектральной плотности потока излучения ИС по условию одинакового визуального воздействия (одинакового светового потока в 100 лм): см. рисунок 12.

400 450 500 550 600 650 700 750 400 450 500 550 600 650 700 750

Длина волны, нм Длина волны, нм

а) б)

Рисунок 12 - Светодиод W5500:

а) Исходный экспериментальный спектр, кривая видности V(X), функция подавления секреции

мелатонина B(X) и подинтегральное выражение формулы BioEq;

б) Нормировка относительной спектральной плотности потока излучения ИС

по условию одинакового визуального воздействия.

Соответственно, биологический эквивалент светодиода - площадь под жёлтой линией. Биологический эквивалент светодиода BioEq = 57,83 лм Расчёт биологического эквивалента в %

Относительный BioEq= BioEq светодиода/BioEq лампы накаливания =57,83/30,72=1,882 BioEq,%= 1,882х100%=188,2 % (3)

Ниже приведены величины биологического эквивалента излучения светодиодных и ламповых ИС с цветовой температурой 1700К - 10000 К.

Как видно из таблицы 5 заметно выделяются степенью биологической активности «по мелатонину», до 230-310 %, холодно-белые СД ИС c Тц > 6000K (такие же ИС оказывают и наибольшее влияние на ЭЭГ головного мозга, раздел 3.2 диссертации). Для ИС с Тц=3200-4500К (нейтрально-белые) характерны примерно в 1,2-1,5 раза большие BioEq, чем у ЛН общего пользования. Наконец, для СД-ламп белого тёплого света, синтезируемого по принципу цветосмешения, значения BioEq даже меньше, чем у ЛН.

Результаты исследования показывают, что современные ИС, применяемые для наружного и внутреннего освещения, могут заметно (в 6 раз), различаться по BioEq излучаемого ими света в зависимости от их типа и Тц. Существенно высокие BioEq присущи ИС, куда входят люминофорные СД холодно-белого света (с Тц >6000 К). Освещение таким составом света потенциально опасно из-за возможности нарушения нормы концентрации мелатонина в крови, что, в свою очередь, ведёт к ряду быстро или медленно развивающихся заболеваний. В таблице 5 представлен биологический эквивалент для различных ИС. Таблица 5 Биологический эквивалент для различных источников света

Источник света BioEq,%

Лампа галогенная (ЛН) 2800 K 100

КЛЛ 2860 K 83

КЛЛ 4350 K 158

НЛВД 52

Светодиодные с люминофором 2698 K 87

Светодиодные с люминофором 3198 K 114

Светодиодные с люминофором 6379 K 231

Светодиодные RGBA 2500 K 74

Светодиодные RGBA 3200 K 115

Светодиодные RGBA 4500 K 168

Светодиодные RGBA 6500 K 206

Светодиодные RGBA 10000 K 232

Светодиодные RGBWc 1800 K 56

Светодиодные RGBWc 2500 K 83

Светодиодные RGBWc 4500 K 180

Светодиодные RGBWc 6500 K 247

Светодиодные RGBWc 10000 K 309

EDUSЮ 2800 K 102.2

EDUSЮ 3500 K 140.4

EDUSЮ 4000 K 160.3

EDUSЮ 5000 K 204.6

EDUSЮ 6500 K 247.8

EDUSЮ 10 000 K 318.4

Реальная доля угрозы дозы облучением холодно-белым светом люминофорных СД остаётся предметом активных дискуссий [36,38,39] и требует дальнейших медико-биологических исследований. В целом, по мнению ученых, в настоящий момент использование светильников с СД в детских учреждениях потенциально опасно и может иметь абсолютно непредсказуемые негативные последствия. Однако даже сейчас, пока не получены общепринятые медицинские заключения по данной проблеме, следует обращать внимание на световые характеристики СД ИС. Особо следует обратить внимание на использование

светодиодов холодного белого света в детских и медицинских учреждениях, а также при работе вечером и ночью.

Таким образом, основная перспектива создания здоровой световой среды связана с новыми технологиями освещения, базируемыми на динамически управляемых СД ИС, изменяющих мощностные и спектрально-цветовые параметры в течение суток.

3.3 Светодиодный источник с улучшенной фотобиологической безопасностью

Поскольку спектральная характеристика чувствительности биологического канала восприятия излучения человеком, кривая В(Х) имеет максимум в диапазоне 450-470нм (вблизи длины волны Х^460 нм), присутствующая в суммарном спектре белого света сильная синяя полоса «попадает» в максимум характеристики чувствительности данного канала, который в отличие от зрительного канала не участвует в формировании зрительных образов объектов, но отвечает за концентрацию гормона мелатонина в крови, обуславливая возникновение одного из видов фотобиологической опасности в случае снижения концентрации указанного гормона [123]. Наличие в спектре светодиодного источника света (СИД) белого света сильной синей полосы с Х-460 нм ведет к подавлению необходимой концентрации мелатонина в крови, вызывая значительные риски для психофизиологического и физического здоровья людей [14]. Улучшение фотобиологической безопасности СИД белого света можно достичь если в светодиоде белого света, содержащем источники, генерирующие излучения, при смешении которых образуется суммарный белый свет, включить два источника, генерирующих излучение синего цвета, спектральные характеристики которых лежат в разных диапазонах длин волн, а также, по меньшей мере, один источник, генерирующий излучение другого цвета, причем один источник синего цвета излучает свет в диапазоне длин волн 430-440 нм, а другой источник синего цвета излучает свет в диапазоне длин волн 490-500нм [124]. В частном случае выполнения в качестве источников, генерирующих излучения, при смешении которых образуется суммарный белый свет, могут быть использованы светоизлучающие кристаллы, при этом светодиод содержит средства индивидуального управления мощностью их излучения. За счет выбора вышеописанных источников синего цвета в СИД обеспечивается такой набор спектральных составляющих суммарного белого света, при котором исключается присутствие в белом свете сильной синей полосы с Х^460нм, а синий свет образуется смешением двух излучений с указанными выше диапазонами длин волн. Указанные диапазоны длин волн источников синего цвета подобраны экспериментально таким образом, чтобы сохранялись требуемые характеристики цветности суммарного белого света и при этом максимум

спектральной характеристики СД в области синего цвета не располагался бы в области максимума кривой В(Х) (Х^=450-470нм), характеризующей спектральную чувствительность биологического канала восприятия излучения.

При этом для генерирования излучения (излучений), при смешении которых с указанными выше излучениями синего цвета образуется суммарный белый свет, в СД может быть использован, по меньшей мере, один люминофор, возбуждаемый частью указанных выше излучений синего цвета (люминофорный СД), или, по меньшей мере, еще один полупроводниковый светоизлучающий кристалл, активная область которого генерирует излучение другой цветности (мультикристальный СД).

Для получения суммарного белого света в СД может быть также использован полупроводниковый монолитный светоизлучающий кристалл с многослойной активной областью, которая генерирует несколько излучений с разным диапазоном длин волн, в том числе, генерирует указанные выше излучения синего цвета. При этом достигается снижение «синей» фотобиологической опасности, связанной с подавлением необходимой концентрации мелатонина в крови, что обусловлено отсутствием в спектре суммарного белого света сильной синей полосы с Х^460нм. Тем самым обеспечивается улучшение фотобиологической безопасности СД белого света. Кроме того, замена в спектре суммарного излучения белого света спектральной составляющей с Х^460нм на две спектральные составляющие с указанными выше диапазонами длин волн, обеспечивает возможность варьирования характеристик цветности суммарного белого света путем выбора соотношений мощностей указанных излучений синего цвета.

В случае, когда в качестве источников, генерирующих излучения, при смешении которых образуется суммарный белый свет, использованы светоизлучающие кристаллы, и светодиод содержит средства индивидуального управления мощностью их излучения, повышается возможность варьирования характеристик цветности суммарного белого света за счет увеличения или уменьшения доли каждого из излучений.

В ходе исследований рассматривались различные комбинации источников синего света и источника красного света с Х=630нм. В варианте комбинации этого источника и двух источников синего света с Х=430 - 440нм и Х=490 - 500нм, осуществляется переход к меньшим значениям цветовой температуры и одновременно улучшается фотобиологическая безопасность источника.

Оптимальным вариантом с точки зрения качества передачи, технологичности и значений биологического эквивалента, определяющего фотобиологическую безопасность, является вариант включения белого светодиода W5500 с цветовой температурой Тц = 5500К вместе с включением источника синего света с 490нм. При этом эквивалентная цветовая

температура суммарного источника будет равна T = 6500К, а значение БЭ BioEq = 235.9 %. Для сравнения с вариантами светильников - энергоэффективные динамически управляемые светодиодные источники освещения (ЭДУСИО) и Medical при цветовой температуре Тц = 6500К: их значения BioEq составили 247.8% и 251.3%. Последний вариант белого светодиода с цветовой температурой T = 5500К и включением источника синего света с 490нм, W5500 + 490нм, с улучшенной фотобиологической безопасностью (на 12-16%) , рекомендован для практического применения в ночное время как светильник, обеспечивающий высокое качество белого света, при значениях Тц, характерных для холодного белого света. Ниже приведена оценка биологического эквивалента такого светодиода. За основу расчета по формуле (1) принят экспериментальный спектр светодиода, показанный на рис 13, а также кривая видности V(X), подавление секреции мелатонина B(X) и подинтегральное выражение формулы (1).

Рисунок 13 - Светодиод W5500 +490нм. Исходный экспериментальный спектр, кривая видности V(X), функция подавления секреции мелатонина В(Х) и подинтегральное выражение формулы BioEq.

Нормировка относительной спектральной плотности потока излучения ИС по условию одинакового визуального воздействия (одинакового светового потока в 100 лм) показаны на рисунке 14.

х1ГГ3

400 450 500 550 600 650 700 750 Длина волны, нм

Рисунок 14 - Светодиод W5500 +490нм. Нормировка относительной спектральной плотности потока излучения ИС по условию одинакового визуального воздействия.

Соответственно, биологический эквивалент светодиода - площадь под жёлтой линией. После интегрирования в соответствии с выражением (2):

Биологический эквивалент светодиода W5500+490нм БюБц = 72.48 лм Расчёт биологического эквивалента W5500+490нм в %

Относительный БюЕд= БюЕд светодиода/БюЕдлампы нак=72.48 /30,7238=2,359 БioEq,%= 2,359хЮ0%=235,9 % (4)

3.4 Влияние монохроматического синего света на функцию восприятия времени у лиц с разным типом вегетативной регуляции

3.4.1 Введение

В Главе 1 указано, что пик чувствительности меланопсинсодержащих рецепторов приходится на длину волны синего диапазона (-480 нм) [40]. В связи с этим в диссертационной работе одной из целей исследования была оценка влияния синего света на длительность субъективного минутного интервала времени, который опосредованно связан с изменением ЧСС. Подобный подход был эффективно применен при рассмотрении воздействия света с варьируемыми параметрами на функциональное состояние человека и изложен в Главе 3 диссертации.

Основное внимание при эксперименте уделялось разработке комплексной методики эксперимента и оценки функций организма, процедуре исследований влияния синего

монохроматического света на функцию восприятия времени, которая характеризуется: астено-невротическим состоянием (АНС), показателями вариабельности и спектром сердечного ритма, артериальным давлением, типом вегетативной регуляции и уровнем экстраверсии и нейротизма, которые в свою очередь объективно оценивает психическое и физиологическое состояние человека.

3.4.2 Методика эксперимента. Световое воздействие. Оценка временных интервалов. Оценка функций организма. Процедура исследования

Исследование проводилось на 18-ти практически здоровых добровольцах в возрасте от 18 до 28 лет обоего пола (12 девушек и 6 юношей). Исследование проводилось преимущественно в вечернее время, в состоянии психического и физического покоя участников. 17 из 18 испытуемых спустя 3-4 недели участвовали в эксперименте повторно, с тем отличием, что воздействие синим светом было заменено на воздействие белым дневным светом, тем самым составив контрольную группу.

Схема эксперимента, последовательность и длительность процедур исследований, общая схема экспериментальной установки показана на рисунке 15 [125].

vSC

RC

Test

V

T

©

§}

Рисунок 15 - Общая схема экспериментальной установки для исследования влияния синего света на функцию восприятия времени: RC - пульт дистанционного управления светильником, LS - динамически управляемый источник света, V -доброволец, Test- тест на субъективную минуту, С - кардиограф,

T - тонометр, PC - компьютер.

Режим освещения. Освещение белым светом (в течение 20 минут) обеспечивалось ЭДУСИО (см. рисунок 16) с широким диапазоном цветовых температур (Тс = 2800-10000 К) с высоким индексом цветопередачи ^а> 90) , который был разработан и изготовлен в Научно-техническом центре микроэлектроники и субмикронных гетероструктур РАН для обеспечения управляемой световой среды, оптимальной для жизни человека в жилых и производственных помещениях, в

том числе для моделирования внутренних помещений без окон, и, следовательно, как аналог естественного освещения, с плавным изменением цветовой температуры, соответствующей естественному дневному циклу, задающему биологические циркадные ритмы.

Длительность светового воздействия выбрана в соответствии с результатами исследований [129], согласно которым эффект от синего света по выработке фотопигмента меланопсина внутренними светочувствительными ганглиозными клетками сетчатки (¡рЯОСв) достигается в полной мере примерно через двадцать минут после начала воздействия. Кроме того, в соответствии с практикой психологических исследований время взаимодействия испытуемого с монитором составляет не более 20 минут.

Рисунок 16 - ЭДУСИО.

Для обеспечения высоких показателей цветопередачи СД источника используется набор 5-цветных светодиодных матриц: «красный» на основе АЮа1пР (630/15 нм) - «синий» и «зеленый» на основе AlInGaN (460/22 нм, 520/34 нм) - «белый теплый» Ww (2800 К) - «белый холодный» Wс (8000 К).

Последние два компонента - люминофорные светодиоды, создают основной световой поток, первые три полупроводниковые монохроматические светодиоды, обеспечивают плавную регулировку цветовой температуры в широком диапазоне и поддержание высоких значений всех частных индексов цветопередачи R1-R14. Экспериментальные значения Хшах и АХ05 указаны в скобках, разделенные косой чертой. Спектры выбранных исходных СД приведен на рисунке 17 а). Спектральные распределения для набора источников белого света с различными цветовыми температурами приведены на рисунке 17 б).

-а 0,6

2 0,4 -

0,2 -

0,0

X = 445 нм

^пик = 640 НМ

теплый белый ^2800 K холодный белый ^8000 K

400 450 500 550 600 650 700 750

Длина волны, нм

800

850

а)

900

1,0

0,8 -

о 0,6-

Й о

о

X

<D

0,4-

0,2 -

0,0-1 400

450

500

550 600 650 Длина волны, нм

700

750

800

б)

Рисунок 17 - Спектральные распределения: а) 3-х монохроматичных и 2-х люминофорных светодиодов, используемых в качестве основы для цветосмешения; б) для набора источников белого света с Тц = 2800 К, 3500 К, 4000 К, 5000 К, 6500 К, 10000 К.

Разработанная оптическая система [125] обеспечивает поле свечения осесимметричного по диаграмме направленности и однородного по цвету излучения светодиодного источника, высокий коэффициент пропускания излучения от светодиода к выходному окну светильника, заданное пространственное распределение излучения, а также однородность цвета в дальнем и ближнем полях, то есть хорошее смешивание излучения отдельных светодиодных матриц. Решены задачи равномерного и широкого углового распределения и гомогенизации цветовых характеристик по площади излучающей поверхности и углу. На рисунке 18 показана

оптическая схема с ходом лучей, а на рисунке 19 показано тело свечения в 4-х сечениях 0, 45, 90 и 135 градусов.

Рисунок 18 - Моделирование оптической системы по методу трассировки лучей.

Рисунок 19 -Диаграмма направленности излучения для различных угловых сечений.

Как видно из рисунка 19 пространственное распределение является осесимметричным, с полушириной диаграммы направленности порядка Л9 ~ 1250.

ИС дистанционно управляется по радиоканалу в радиусе до 35 м с помощью пульта, где установлено специальное программное обеспечение позволяющее управлять ИС, задавая любые временные алгоритмы изменения мощности и цветовой температуре излучения. При воздействии синим светом включается только светодиодная матрица «синий» (460/22 нм).

В рамках данного исследования цветовая температура воздействия белого света составляет 4000 К. Как следует из рисунка 17 б), площадь спектра белого света с температурами 2800, 3500, 4000 К в диапазоне длин волн X = 400 ^ 800 нм существенно превышает (более чем на порядок) площадь спектра синего света в диапазоне длин волн X = 460 ^ 480 нм. Следует также отметить, что результаты исследования работы [126] показывают что, при равных условиях эксперимента излучение синего света данного диапазона опаснее в 15 раз для глаз, чем остальной диапазон видимого спектра.

На основании этого можно сделать вывод, что синяя часть спектра белого света не будет столь же эффективно влиять на функциональное состояние человека, как при воздействии синего светодиода с X ~ 460 нм, что подтверждено экспериментально.

Оценка временных интервалов. Тест «Индивидуальная (субъективная) минута» - это классическая методика исследования функции восприятия времени, широко используемая в экспериментальной психологии. Измерение точности отдельной минуты, по мнению исследователей, связана с психофизиологическими аспектами времени, то есть с работой биологических часов [33]. Индивидуально человек, как правило, имеет склонность переоценивать или недооценивать временной интервал, равный астрономической минуте. При этом индивидуальная минута является характерным параметром, который отражает субъективные особенности оценки длительности временных интервалов.

Оценка функций организма. Характеристиками изменения функционального состояния организма испытуемых являлись показатели вариабельности и спектр сердечного ритма. Анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР) осуществляется по определению последовательности интервалов Я-Я электрокардиограммы и на его основе получают данные о влиянии на ритм сердца вегетативной нервной системы. С помощью АПК «Поли-Спектр» (НейроСофт, Иваново) проводилась запись электрокардиограммы (ЭКГ) в трёх стандартных отведениях (I, II, III) в течение 5 минут в положении сидя при ровном дыхании [128,129]. При анализе ЭКГ использовались значения, записанные во II стандартном отведении. В работе применялись условные обозначения показателей спектрального анализа ВСР в соответствии с международными стандартами его оценки с учетом величин ориентировочных нормативов [129].

На основе спектрального анализа ЭКГ получается объективная количественная оценка функционального статуса систем регуляции ВСР по общей мощности спектра

нейрогуморальной регуляции (TP, мс2) с учетом вклада в него быстрых высокочастотных колебаний (HF, 16-0,4 Гц), характеризующих активность парасимпатического отдела АНС, медленных низкочастотных колебаний (LF-компонент), как показателя активности симпатического отдела, и сверхнизкочастотного (VLF, < 0,05 Гц), отражающего гуморально-метаболические и церебральные эрготропные влияния на модуляцию сердечного ритма. По отношению LF/HF оценивался симпато-парасимпатический баланс тонуса отделов АНС в начале и в конце эксперимента. Также для оценки симпато-парасимпатического баланса использовались следующие показатели ВСР: стандартное отклонение R-R интервалов (SDNN), амплитуда моды (АМо), индекс вегетативного равновесия (ИВР) [37].

Дополнительным параметром определяющего функциональное состояние испытуемого являлись показатели артериального давления, измеряемые с помощью электрического тонометра, при этом вычислялся вегетативный индекс Кердо (ВИК). По личностному опроснику Айзенка EPI у испытуемых определялись уровни экстраверсии и нейротизма.

Процедура исследования. Первоначально у испытуемых регистрировали величину артериального давления. Затем в течение 5-и минут (300 с) регистрировалась ЭКГ для последующего анализа вариабельности сердечного ритма и определения доминирующего регуляторного влияния симпатического или парасимпатического отделов АНС в начале эксперимента. На следующем этапе испытуемому, используя специальную компьютерную программу, предлагалось измерить «индивидуальную (субъективную) минуту» (СМ), а именно, нажав кнопку, указывающую начало временного интервала, подождать, полагаясь на субъективное ощущение, в течение 60 секунд и повторным нажатием кнопки обозначьте конец временного интервала. Испытуемым разрешалось отмеривать минуту любым удобным способом, включая счёт про себя, при условии, что при последующих повторах теста данный способ будет идентичен первому. Испытуемый дважды измерял «индивидуальную минуту», затем в течение 20 минут осуществлялось воздействие синего света (длина волны ~ 440-485 нм, освещенность ~ 150-200 лк), одновременно с этим испытуемому предлагался опросник Айзенка для определения уровня невротизма. После воздействия света первые три шага выполнялись в обратном порядке: тест «индивидуальная (субъективная) минута, запись ЭКГ в течение 5 минут, измерение артериального давления. Для контрольной группы испытуемых в эксперименте синий свет заменялся, на равное по длительности и интенсивности воздействие белым светом с цветовой температурой 4000К.

Статистическая обработка полученных индивидуальных данных проводилась, в том числе методами параметрической статистики с вычислением среднего и среднего отклонения. Достоверность различий сравниваемых показателей определяли с помощью t-критерия Стьюдента.

3.4.3 Результаты и их обсуждение

Воздействие излучения синего света привело к изменениям величин показателей общей мощности спектра ЭКГ и индекса вегетативного равновесия по сравнению с фоновыми значениями. Для значений общей мощности спектра TP (total power) индивидуальные изменения после воздействия составили от -91% до +130%, в среднем по модулю - 45%. По величине показателя ИВР индивидуальные изменения после светового воздействия составили от -68% до +128%, в среднем по модулю - 43%. Однако направление сдвигов была неоднородной, поэтому среднее значение этих показателей после светового воздействия существенно не изменилось (p > 0,05).

Известно, что средние значения величины TP отражают суммарную активность вегетативного воздействия на сердечный ритм: активация вагуса ведет к повышению значения TP, повышение активности симпатического отдела вегетативной нервной системы вызывает противоположный эффект [128]. Можно предположить, что полученная неоднородность изменений величины ТР обусловлена разными типами вегетативного реакции. По этим типам было выделено две группы испытуемых:

- У испытуемых 1-й группы (два лица мужского пола и 9 женского) усредненная величина TP значительно уменьшается (p<0,05) после светового воздействия, что указывает на преобладание активности парасимпатического отдела АНС в начале эксперимента и сдвиг вегетативного баланса в сторону преобладания симпатического отдела АНС в конце эксперимента.

- У испытуемых 2-й (4 лица мужского пола и 3 женского) группы наблюдается противоположная картина: среднее значение TP заметно увеличивается, что, соответственно, указывает на увеличение активности парасимпатического отдела АНС после светового воздействия.

Аналогичную картину дают и другие характеристики, оценивающие вегетативный баланс, однако выраженность сдвигов в их случае остается только на уровне тенденции.

- У испытуемых 1 -й группы изменяется соотношение LF и HF колебаний - увеличивается число относительных единиц, уменьшается (p=0,07) величина SDNN (мс), повышается величина АМо (%), увеличивается (p<0,05) значение ИВР (у.е.). Эти показатели характеризуют сдвиг вегетативного баланса в сторону преимущества активности симпатического отдела АНС.

- У испытуемых 2-й группы те же параметры показывают изменения обратной направленности, а именно: число относительных единиц соотношения LF/HF уменьшается, значение SDNN (мс) увеличивается, снижается АМо (%) и очевидно понижается (p<0,05) значение ИВР (у.е.). Такая картина подтверждает сдвиг вегетативного баланса в сторону

преимущественной активности парасимпатического отдела АНС. Для показателей, к которым не приводится статистический уровень значимости различий (р), прослеживается лишь тенденция к изменению в указанном направлении.

Численные значения всех описанных параметров приведены в таблице 6.