Licht en de menselijke biologie
Licht is de belangrijkste tijdgever om ons circadiaans ritme te beheersen. Daglicht levert daarom een belangrijke bijdrage aan ons welzijn. Koele witte golflengten in het licht onderdrukken melatonine afgifte.
Het menselijke visuele en hormonale systeem. Licht komt het oog binnen en signalen worden van het netvlies naar het visuele centrum van de hersenen en suprachiasmatische kern gestuurd. De meest efficiënte lichtbelichtingshoek voor maximale triggering van ganglioncellen is van boven de horizon. Bron: Licht.de
Wetenschappers bestuderen al tientallen jaren de biologische impact van licht. Maar pas in 2002 ontdekten ze ganglioncellen in het netvlies, die niet werden gebruikt om te zien. De nieuw geïdentificeerde cellen reageren het meest gevoelig op zichtbaar blauw licht en stellen de biologische klok in, die ons lichaam synchroniseert met de externe cyclus van dag en nacht.
Het netvlies van het menselijk oog bevat drie fotoreceptoren: kleurgevoelige kegels, lichtgevoelige staafjes en blauwlichtgevoelige ganglioncellen.
Een belangrijk onderdeel van het biologische kloksysteem is de productie van het hormoon melatonine - een "slaaphormoon". Deze productie in de pijnappelklier varieert met het tijdstip van de dag. Melatonine wordt 's nachts uitgescheiden en heeft overdag een minimaal niveau. Een grotere melatonine-onderdrukking, veroorzaakt door blootstelling aan licht, valt vaak samen met een verhoogd gevoel van alertheid en een verhoogde aanhoudende aandacht.
De hormonale impulsgevers
De ganglioncellen sturen signalen naar de hersenen en reguleren de hormoonproductie. De drie belangrijkste hormonen, die het biologische ritme regelen zijn:
- Melatonine - het maakt je moe, vertraagt de lichaamsfuncties en verlaagt de activiteit ten gunste van verdiende rust.
- Cortisol – dit is daarentegen een stresshormoon, dat wordt geproduceerd vanaf ongeveer 3 uur 's nachts. Het stimuleert de stofwisseling en programmeert het lichaam voor de dag modus.
- Serotonine – dit hormoon werkt als stimulans en motivator. Terwijl het cortisolniveau in het bloed de hele dag daalt en daardoor contra-cyclisch werkt ten opzichte van het melatoninegehalte, helpt serotonine het energieniveau te verhogen.
Leidende parameters voor Human Centric Lighting
Bij het installeren van Human Centric Lighting zijn er vier parameters waar extra aandacht aan moet worden besteed: spectrum, intensiteit, timing en duur en distributie. Elk gebouw en elke omgeving heeft eigen unieke uitdagingen waar rekening mee moet worden gehouden. Om het effect van HCL verlichting te optimaliseren, moet de oplossing worden afgestemd op de specifieke behoeften.
Spectrum
Het effect van kleurtemperatuur
Licht is straling die zichtbaar is voor het menselijk oog in het bereik van 380-780 nanometer. Optische stimuli worden in het menselijk oog geregistreerd door drie verschillende kegeltjes die gevoelig reageren op rode, groene of blauwe straling. Maar we zien kleuren niet even helder. Kleuren in het geelgroene spectrum op 555 nanometer worden het helderst waargenomen. De staafjes stellen ons in staat om bij zwak licht te zien. Ze kunnen echter geen kleuren onderscheiden. Het biologisch effectieve bereik ligt het blauwe spectrum rond 460 nanometer.
De gevoeligheidscurves onder daglichtomstandigheden (λ), in de nacht v'(λ) en voor circadiaanse effecten c(λ).
De ganglioncellen zijn het meest gevoelig voor licht bij 480 nanometer (1). Dit correspondeert met blauw licht. Het equivalente witte licht zal daarom een groot deel van de blauwe golflengten bevatten en wordt daarom koel wit licht genoemd, met kleurtemperaturen van 5000-6000 Kelvin en hoger. Onderzoek (2) heeft aangetoond, dat blootstelling aan licht in het blauwe deel van het spectrum resulteert in een lagere melatonine uitscheiding. Kortom, we zouden kunnen zeggen dat het koele witte licht, dat we veel van in zonlicht en bepaalde lichtbronnen vinden, zal helpen bij het aanpassen van de circadiaanse fase en resulteert in een hogere subjectieve alertheid, kernlichaamstemperatuur en hartslag (3). Spectrale gevoeligheidskenmerken zijn gedefinieerd in documenten zoals CIE S 026.
De spectrale verdelingen van verschillende lichtbronnen.
Koel wit LED licht heeft een grotere hoeveelheid blauwe golflengten en is daarom effectiever als het gaat om het aanpassen van circadiaanse ritmes.
Bronnen
1 Bailes, H.J. and Lucas, R.J. (2013) Human melanopsin forms a pigment maximally sensitive to blue light (lmax _479 nm) supporting activation of Gq/11 and Gi/o signalling cascades. Proc. Biol. Sci. 280, 20122987
2 Brainard et al., 2001 Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor. The Journal of Neuroscience, 21, 6405-6412.; Thapan et al., 2001 An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans. The Journal of Physiology, 535, 261-267.
3 Cajohen et al., 2005 High sensitivity of human melatonin, alertness, thermoregulation, and heart rate to short wavelength light. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 90, 1311-1316.
Intensiteit
Het effect van lichtintensiteit
Melatonine onderdrukking begint bij 30 lux en is verzadigd bij ongeveer 1000 lux op ooghoogte. Als melatoninespiegels verzadigen bij 1000 lux op ooghoogte, dan kan dit als richtlijn voor het maximale niveau worden gebruikt. Dit vertaalt zich in een verticale verlichtingssterkte (Ev), of een cilindrische verlichtingssterkte Ez, van 1000 lux. (Ouderen met verminderd gezichtsvermogen hebben een hogere verlichtingssterkte nodig). In 2019 presenteerden Underwriters Laboratoria (UL) nieuwe aanbevelingen voor verlichtingssterkte om melatonine onderdrukking te bereiken. De aanbeveling is 254 lux op oogniveau gemeten (verticaal) bij gebruik van indirect licht en een kleurtemperatuur van 5000 Kelvin. Als de kleurtemperatuur of lichtverdeling wordt gewijzigd, verandert ook de aanbevolen verlichtingssterkte. Glamox gebruikt dit als basis bij het maken van onze Human Centric Lighting oplossingen.
De Underwriters laboratoria (UL) beveelt 254 lux op oogniveau aan, mits het gebruik van indirect licht en een kleurtemperatuur van 5000 Kelvin.
Vanwege fysische wetten zal de horizontale verlichtingssterkte op het werkoppervlak (op 0,75 m boven vloerniveau) 2 of zelfs 3 keer hoger zijn dan op ooghoogte. Dat kan opnieuw grote uitdagingen opleveren in termen van verblinding en energieverbruik. Ons advies is daarom om de verlichtingssterkte te verminderen tot maximaal 250-350 lux op oogniveau (dit komt overeen met ca. 750-1000 lux op het werkvlak) en liever de blootstellingstijd te verlengen. Dit vermindert niet noodzakelijkerwijs het energieverbruik, maar komt de lichtomstandigheden ten goede.
EN 12464-1 (2021)
De nieuwe norm EN 12464-1 (2021) bevat bijlage B; Aanvullende informatie over visuele en niet-visuele (niet-beeldvormende) effecten van licht. In deze bijlage wordt aangegeven hoe belangrijk het is om bij het ontwerp van de verlichtingsinstallatie rekening te houden met de niet-visuele effecten van licht. De nieuwe norm verwijst nu naar twee horizontale verlichtingssterktes: een vereist niveau en een aangepast niveau. Voor een typische werkomgeving – bijvoorbeeld een kantoor – is de vereiste waarde Ēm m, 500 lux en de aangepaste waarde is Ēm, 1000 lux. Dit schept onder meer de mogelijkheid om de verlichting in de loop van de dag van lichtintensiteit te veranderen om het welzijn van mensen te verbeteren en hun circadiaans ritme te stabiliseren.
Wat is cilindrische verlichtingssterkte?
EN 12464-1 roept op tot meer licht op de gezichten van mensen om de omstandigheden voor visuele communicatie te verbeteren. In gebieden waar goede visuele communicatie belangrijk is, vooral in kantoren, vergader- en onderwijsruimten, moet Ez geen waarde hebben van minder dan 150 lux met U0 ≥ 0,10. Hoofden van mensen worden voorgesteld als cilinders, de cilindrische verlichtingssterkte is het gemiddelde van al het licht (gemeten in lux) dat op de cilinder valt.
Cilindrische verlichtingssterkte Ez is het gemiddelde van al het verticale licht dat een denkbeeldige cilinder raakt.
Maintenance factor
De lichtstroomafname (LLMF) voor Human Centric Lighting oplossingen moet op 1,0 worden gehouden. Dit komt omdat een verlichtingsinstallatie met een Ēv / Ēz, waarde van 250 - 300 lux voldoende licht zal hebben om te voldoen aan de vereisten voor zowel visuele taakverlichting als de gewenste biologische effecten. Na verloop van tijd zal de netto lichtstroom verminderen, maar het zal nog steeds voldoende zijn om de visuele taken uit te voeren. Het gevolg is echter dat de duur van de effectieve blootstelling aan het circadiaans licht moet worden verlengd om dezelfde effecten te verkrijgen als in het begin. Aangezien er geen duidelijke richtlijnen bestaan over lumenbehoudsniveaus of duurperioden, raden we aan dat de LLMF zo hoog mogelijk wordt ingesteld.
Ēz is misschien niet de meest nauwkeurige graadmeter voor verlichtingssterkte op oogniveau, maar het is een pragmatische benadering met veel voordelen. Het grootste voordeel is dat dit een waarde is, die de lichtontwerper al begrijpt en gebruikt en dat het een waarde is die al genoemd is in de EN12464-1. Maar we moeten ook verticale verlichtingssterktes gebruiken, het voordeel van het gebruik van Ēv is dat deze verlichtingssterktes kunnen worden geverifieerd door middel van metingen. Ēv verwijst ook naar licht op het oog in de kijkrichting. De relatie tussen Ēv / Ēz, gemeten of berekend in een meetvlak 1,2 m boven de vloer voor zittende personen en de verlichtingssterkte Em in het taakgebied op 0,75 m ligt tussen 1:2 of 1:3. Daarom is het de verlichtingssterkte op oogniveau meestal lager dan de verlichtingssterkte op het werkoppervlak.
Bronnen
1 M. Gibbsa,b, S. Hamptona, L. Morganb, J. Arendta, 2002. Adaptation of the circadian rhythm of 6-sulphatoxymelatonin to a shift schedule of seven nights followed by seven days in offshore oil installation workers.
2 Smith, Revell & Eastman, 2009; Smith and Eastman, 2009 Phase advancing the human circadian clock with blue-enriched polychromatic light.
Timing en duur
De effecten van de juiste timing en duur
Niet-visuele effecten van licht worden beïnvloed door het tijdstip van de dag.
Licht in de ochtend is het meest effectief. Het vertelt onze biologische klok dat de dag is begonnen en dat lichaamsfuncties moeten worden geactiveerd. Omgekeerd zal blootstelling aan licht 's avonds ervoor zorgen, dat de melatonineproductie wordt onderdrukt en het moeilijker wordt om in slaap te vallen. Blootstelling aan licht in de nachts, voordat de kernlichaamstemperatuur zijn minimum bereikt (nadir) kan leiden tot een fasevertraging. Terwijl blootstelling aan licht in de vroege ochtend (na nadir) een fasevooruitgang kan veroorzaken. De acute effecten op alertheid zijn echter niet afhankelijk van het tijdstip van de dag. Effecten op aanhoudende aandacht zijn alleen significant in de ochtend (1).
Bijlage B, Aanvullende informatie over visuele en niet-visuele (niet-beeldvormende) effecten van licht in EN12464-1 (2021) vermeldt het belang van het dagelijkse patroon van donker/lichtcycli, vooral rond en tijdens slaapperiodes. Het stelt ook dat een bepaalde verandering in de balans van het lichtspectrum nuttig kan zijn bij het stabiliseren van circadiaanse ritmes op verschillende tijdstippen van de dag.
Menselijke psychologie speelt ook een rol met betrekking tot timing van variaties in kleurtemperatuur. Voorkeursinstellingen voor de verlichting kunnen variëren met het tijdstip op de dag. Daarom moeten gebruikers de mogelijkheid krijgen om de kleuren zelf aan te passen, bij voorkeur wanneer het risico op fasevertraging of vooruitgang lager is.
Een algemene vuistregel is dat hoe groter de blootstellingstijd, hoe groter de faseverschuiving (2). Maar deze relatie is niet noodzakelijk lineair. Het kan zijn dat mensen gevoeliger zijn voor licht in het eerste deel van de blootstelling aan licht (3). Korte duur van blootstelling aan fel licht kan ook faseverschuivingen in circadiaanse ritmes veroorzaken. Directe effecten van fel licht op subjectieve alertheid zijn echter mogelijk niet afhankelijk van de duur van de blootstelling. In plaats daarvan is continue of herhaalde blootstelling vereist wanneer activering de bedoeling is (4).
Daarom is het moeilijk om duidelijke richtlijnen te geven met betrekking tot de duur. Er moet een compromis worden gemaakt tussen persoonlijke voorkeuren, het gewenste fase verschuivende effect en energieverbruik. Een werkhypothese voor onze Human Centric Lighting installaties is om fase-bevorderend, blauw verrijkt helder licht in de late ochtend te bieden zodat avondmensen hun punt van minimale kernlichaamstemperatuur voorbij zijn. En we adviseren gebruikers toegang te geven tot alertheid-bevorderend-licht gedurende de werkdag, met een gematigde duur. Dit kan worden geïmplementeerd door een voorgeprogrammeerde verlichtingscyclus te combineren met individuele controle over kleurtemperatuur en dimniveaus.
Bronnen
1 Smolders et al.2012 A higher illuminance induces alertness even during office hours: findings on subjective measures, task performance and heart rate measures. Physiology & Behavior, 107, 7-16.
2 Chang et al., 2012 Human responses to bright light of different durations. Journal of Physiology, 590, 3102-3112.; Dewan et al., 2011 Light-induced changes of the circadian clock of humans: Increasing duration is more effective than increasing light intensity. Sleep, 34, 593-599.
3 St.Hilaire et al., 2012 Human phase response curve to a 1 h pulse of bright white light. Journal of Physiology, 590, 3035-3045 and Rimmer et al., 2000 Dynamic resetting of the human circadian pacemaker by intermittent bright light. American Journal of Physiology – Regulatory Integrative and Comparative Physiology, 279, 1574-1579.
4 Vandewalle et al., 2009 Light as a modulator of cognitive brain function. Trends in Cognitive Sciences, 13, 429-438.
Lichtdistributie
Het belang van een juiste lichtverdeling
De lichtverdeling is een combinatie van eigenschappen van de armaturen en waar ze geplaatst worden in de ruimte.
De ganglioncellen van de derde fotoreceptor zijn het meest gevoelig in het nasale en onderste deel van het netvlies. Onze ogen moeten heldere delen van de kamer zo goed mogelijk kunnen waarnemen. Omdat de receptoren die ons circadiaans ritme beïnvloeden bijzonder gevoelig zijn in het onderste en nasale deel van het oog, wordt de verlichting van oppervlakken in het bovenste deel van het gezichtsveld aanbevolen. We moeten het plafond en de verticale vlakken in de kamer verlichten. Licht dat uit de "juiste" hoek komt, mag niet als hinderlijke verblinding worden ervaren. Dat kan met grote verlichte vlakken in het plafond in combinatie met wallwashers of met pendelarmaturen met indirect licht
De nieuwe herziene norm EN 12464-1 (2021) onderstreept het belang van de verlichtingssterkte in de ruimte om het welzijn en de alertheid van gebruikers te waarborgen. Er zijn nu minimum verlichtingswaarden voor wand, plafond en ook voor cilindrische helderheid in de norm vastgelegd. In een typische werkomgeving, als een onderwijsgebouw of een kantoor, moet de minimale verlichtingssterkte (Ēv-waarde) voor wanden 150 lux zijn en voor plafonds 100 lux. De minimale cilindrische waarde (Ēz) moet 150 lux zijn.