Djupgående information

Ljus och människans biologi 

Ljus är den viktigaste "tidgivaren" för att kontrollera vår dygnsrytm. Dagsljus är därför en viktig bidragande faktor till vårt välbefinnande. Kallvita våglängder i ljuset undertrycker utsöndringen av melatonin. 

 

Människans visuella och hormonella system. Ljus kommer in i ögat och signaler skickas från näthinnan till hjärnans syncentrum och suprachiasmatiska kärna. Den mest effektiva ljusexponeringsvinkeln för maximal ganglioncellutlösning är ovanifrån horisonten. Källa: Licht.de 

Forskare har studerat ljusets biologiska inverkan i årtionden. Men det var först 2002 som de upptäckte ganglieceller i näthinnan som inte används för att se. Dessa relativt nyupptäckta celler reagerar mest på synligt blått ljus och styr den biologiska klockan som synkroniserar våra kroppar med den externa tidscykeln, dvs. dag och natt. 

 

Näthinnan i det mänskliga ögat innehåller tre fotoreceptorer: färgkänsliga tappar, ljuskänsliga stavar och blåljuskänsliga ganglieceller. 

Ett av det biologiska klocksystemets viktigaste funktioner är produktionen av hormonet melatonin –”sömnhormonet”. Produktionen av detta hormon i tallkottskörteln varierar beroende på tidpunkt på dygnet. Melatonin utsöndras på kvällen och hålls på minimala nivåer dagtid. Den stora melatoninhämning som utlöses av ljusexponering sammanfaller ofta med en ökad känsla av vakenhet och högre ihållande uppmärksamhet. 

De hormonella pulsgeneratorerna 

Gangliecellerna sänder signaler till hjärnan och reglerar hormonproduktionen. De tre viktigaste hormonerna som styr den biologiska rytmen är: 

1. Melatonin - gör dig trött, bromsar kroppsfunktionerna och sänker aktivitetsnivån till förmån för vila.
2. Kortisol - detta är däremot ett stresshormon som börjar produceras runt 03:00 på morgonen. Det stimulerar ämnesomsättningen och ”programmerar” kroppen för ”dagläge”.  
3. Serotonin - detta hormon fungerar som stimulant och motivator. Medan kortisolnivån i blodet sjunker under dagens gång och därigenom agerar kontracykliskt mot melatoninnivån, hjälper serotoninet till att öka energinivåerna. 

Vägledande parametrar för Human Centric Lighting

För att installera och programmera en effektiv Human Centric Lighting-lösning kräver fyra parametrar noggrann uppmärksamhet: spektrum, intensitet, tidpunkt & varaktighet samt distribution. Varje parameter kan ändras så länge som en eller flera av de andra parametrarna justeras därefter. 

Spektrum

Förståelse för effekten av färgtemperatur 

Ljus är strålningen som är synlig för det mänskliga ögat inom våglängdsintervallet 380–780 nanometer. Optisk stimulans registreras av tre olika sorters stavar i ögat som reagerar på röd, grön och blå strålning. Men vi uppfattar inte färger som lika ljusa. Färger i det gul-gröna spektrumet vid ca 555 nm uppfattas som de starkaste. Stavcellerna gör det möjligt för oss att se i svagt ljus. Däremot kan de inte urskilja färger. Det biologiskt effektiva intervallet är det blå färgspektrumet runt 460 nm.  

Känslighetskurvor för dagsljusförhållanden v(λ), natt v'(λ) och dygnsrytm c(λ)

Gangliecellerna är känsligast för ljus vid 480 nanometer (1). Det motsvarar blått ljus. Motsvarande vita ljus innehåller därför en stor andel blå våglängder och kallas därför kallvitt ljus, med färgtemperaturer från 5 000–6 000 kelvin och högre. Forskning (2) visar att exponering av ljus i den blå delen av spektrumet leder till lägre utsöndring av melatonin. Man kan kort sagt säga att det kallvita ljuset som finns i solljus och i vissa ljuskällor hjälper till att justera fasen i dygnsrytmen och resulterar i en högre subjektiv vakenhet, kroppstemperatur och hjärtfrekvens (3). Spektralkänslighetsegenskaper definieras i dokument som CIE S 026. 

 

Spektral fördelning av olika ljuskällor. 

Kallvitt LED-ljus innehåller en högre andel blå våglängder och är därför effektivare när det gäller reglering av dygnsrytmen. 

Källor 

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.

Intensitet

Förståelse för effekten av ljusintensitet 

Melatoninhämning börjar vid 30 lux och når maximal nivå när ögat exponeras för cirka 1 000 lux. Vetskapen om att melatonin når maximal nivå när ögat exponeras för över 1 000 lux kan användas som riktlinje för maxnivå. Detta motsvarar en vertikal eller cylindrisk belysningsstyrka Ez på 1 000 lux. (Äldre med nedsatt syn behöver en högre ljusnivå). Under 2019 presenterade Underwriters Laboratories (UL) nya rekommendationer för lux-nivån för att uppnå melatoninhämning. Rekommendationen är 254 lux på ögonnivå (uppmätt vertikalt) förutsatt att indirekt ljus används med en färgtemperatur på 5000 kelvin. Om färgtemperaturen eller ljusfördelningen ändras, påverkas också den rekommenderade lux-nivån. Glamox utgår från detta när vi anpassar våra lösningar för Human Centric Lighting. 

 

Underwriters Laboratories (UL) rekommenderar 254 lux på ögonnivå förutsatt att indirekt ljus med en färgtemperatur på 5000 kelvin används. 

De fysiska lagarna gör att den horisontella belysningsstyrkan på arbetsytan (0,75 m över golvnivå) blir 2 eller 3 gånger högre än på ögonnivå. Detta kan innebära utmaningar avseende bländning och energiförbrukning. Vår rekommendation är därför att sänka ljusnivån till ett maximum av 250–350 lux i ögonhöjd (det motsvarar cirka 750–1 000 lux på arbetsnivå) och i stället förlänga exponeringstiden. Detta minskar inte nödvändigtvis energiförbrukningen, men det förbättrar belysningsmiljön. 

EN 12464-1 (2021)

Den nya standarden EN 12464-1 (2021) inkluderar bilaga B,   "Ytterligare information om visuella och icke-visuella (icke-bildbildande) effekter av ljus". Den anger vikten av att beakta ljusets icke-visuella effekter när du planerar en ljusinstallation. Denna nya standard hänvisar till två horisontella belysningsnivåer – en obligatorisk nivå och en modifierad nivå. För en typisk arbetsmiljö – som ett kontor – är det nödvändiga värdet µm, 500 lx och det modifierade värdet är µm, 1000 lx. Detta skapar bland annat möjlighet att få en ljusinstallation som förändras i ljusintensitet under dagen. Detta kommer att bidra till att förbättra människors välbefinnande och stabilisera deras dygnsrytm.

 

Vad är cylindriskt ljus?  

EN 12464-1 stipulerar mer belysning på människors ansikten för att skapa bättre förutsättningar för visuell kommunikation. I områden där god visuell kommunikation är viktigt, i synnerhet kontors-, mötes- och undervisningslokaler bör Ēz inte vara lägre än 150 lux med U0≥ 0.10. Med människans huvud representerat av en cylinder, är den cylindriska belysningsstyrkan genomsnittet av allt ljus (i lux) som träffar cylindern. 

Den cylindriska belysningsstyrkan (Ēz) är genomsnittet av allt vertikalt ljus på en imaginär cylinder. 

Bibehållningsfaktor 

Ljusflödesbibehållningsfaktorn (LLMF) för Human Centric Light lösningar bör hållas till 1.0. Detta beror på att en belysningsinstallation som är dimensionerad med Ēv / Ēz, på 250–300 lux har tillräcklig ljusstyrka för att uppfylla kraven för både visuell arbetsbelysning och önskad biologisk påverkan. Över tiden minskar det genererade ljusflödet, men är ändå tillräckligt för att utföra visuella arbetsuppgifter. Resultatet är däremot att varaktigheten av ljusexponeringen måste förlängas för att uppnå samma effekt på dygnsrytmen. Eftersom det saknas tydliga riktlinjer för bibehållningsfaktorer och varaktighetsperioder för ljusflödet, rekommenderar vi högsta möjliga LLMF. 

Ēz, är kanske inte det bästa instrumentet för mätning av belysningsstyrkan i ögonhöjd, dit ljuset ska nå, men är ändå en användbar metod med många fördelar – den största fördelen är att detta är ett mått som belysningsdesigners redan förstår och använder , och att det är ett värde som hänvisas till i EN 12464-1. Men vi bör också använda vertikala ljusnivåer (¢v) som en faktor och fördelen med att använda ¨v är att dessa ljusnivåer kan verifieras genom mätning. Ēv syftar också på ljus på ögat i synriktningen.  Förhållandet mellan Ēv/Ēz, mätt eller beräknat i ett aktivitetsplan 1,2 m över golvet för sittande personer och arbetsområdet belysningsstyrka Ēv, vid 0,75 m är mellan 1:2 eller 1:3. Därför är ljus i ögonhöjd i de flesta fall lägre än ljuset på arbetsytan. 

Källor

1 M. Gibbs^a,b, S. Hampton^a, L. Morgan^b, J. Arendt^a, 2002. Anpassning av dygnsrytmen för 6-sulphatoxmelatonin till ett skiftschema på 7-nätter följt av sju dagar i offshore oljeinstallationsarbetare.

2 Smith, Revell & Eastman, 2009; Smith and Eastman, 2009 Fas som avancerar den mänskliga dygnsrytmen med blåanrikat polykromatiskt ljus.

 

Tidpunkt och varaktighet

Förståelse för effekten av tidpunkt och varaktighet 

De biologiska effekterna av ljus påverkas av tidpunkt på dygnet. 

Ljuset på morgonen har störst effekt. Det talar om för den biologiska klockan att dagen har börjat och att kroppsfunktionerna måste aktiveras. Och tvärtom så har ljusexponering på kvällen en melatoninhämmande effekt som gör det svårare att somna. Exponering av ljus, innan lägsta kroppstemperatur nås (nadir) kan orsaka fasfördröjning, medan exponering tidigt på morgonen (efter nadir) kan förskjuta fasen framåt. Den direkta effekten på vakenhet är däremot inte beroende av tidpunkten på dygnet. Effekterna på ihållande uppmärksamhet är endast signifikant på morgonen (1).  

Ytterligare information om visuella och icke-visuella (icke-bildbildande) effekter av ljus" i EN12464-1 (2021) bekräftar vikten av det dagliga mönstret av mörker/ljuscykler. Detta är särskilt viktigt runt och under perioder av sömn. Det står också att en justering av ljusspektrumet inomhus kan hjälpa till att stödja dygnsrytmerna vid olika tider på dygnet.

Den mänskliga psykologin spelar också en roll när det gäller tidpunkten för variation i färgtemperatur. Önskade ljusinställningar kan variera beroende av tiden på dygnet. Därför ska användarna ges möjlighet att själva justera färgerna, särskilt under de perioder då det är lägre risk för fasfördröjning eller framflyttning. 

En allmän tumregel är, ju längre exponeringstid, desto större fasförskjutning (2). Men detta förhållande behöver inte nödvändigtvis vara linjärt. Det kan vara så att människor är mer ljuskänsliga under den första fasen av ljusexponeringen (3). Dessutom kan kortvarig exponering av intensivt ljus orsaka fasförskjutningar i dygnsrytm. De direkta effekterna av intensivt ljus på den subjektiva vakenheten behöver däremot inte vara beroende av exponeringens varaktighet. I stället krävs kontinuerlig eller upprepad exponering när aktivering önskas (4).  

Därför är det svårt att ange tydliga riktlinjer med avseende på varaktighet. En avvägning måste göras mellan personliga preferenser, önskad fasförskjutningseffekt och energiförbrukning. En arbetshypotes för våra Human Centric Lighting lösningar är att aktivera starkt ljus med blå våglängder under förmiddagen för att låta nattugglorna komma ur perioden med låg kroppstemperatur. Vi rekommenderar att användarna får tillgång till vakenhetsstimulerande ljus under arbetsdagen under måttliga tidsperioder. Detta kan implementeras genom att kombinera en förprogrammerad belysningscykel med individuell kontroll över färgtemperatur och intensitetsnivå. 

Källor

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.

Ljusdistribution

Förståelse för effekten av korrekt ljusdistribution 

Ljusdistributionen i rummet är en kombination av armaturernas egenskaper och var dom placeras i rummet.

Ganglioncellerna i den tredje fotoreceptorn är mest känsliga i den nasala och nedre delen av näthinnan. Våra ögon måste kunna uppfatta ljusa områden i rummet så effektivt som möjligt. Eftersom de receptorer som påverkar vår dygnsrytm är särskilt känsliga i nedre och nasala delen av ögat, rekommenderas belysning av ytor i den övre delen av synfältet. Vi behöver lysa upp taket och de vertikala ytorna i rummet. Ljus som kommer från "rätt" vinkel får inte uppfattas som obehagsbländning. Detta kan göras med stora upplysta ytor i taket i kombination med wallwashers, eller med pendelarmaturer med indirekt ljus. 

 

Den nya reviderade standarden EN 12464-1 (2021) har inkluderat vikten av rummets ljusstyrka i rekommendationerna för att säkerställa människors välbefinnande och vakenhet. Det finns nu minimivärden för vägg, tak och även cylindrisk ljusstyrka i standarden. I en typisk arbetsmiljö i en utbildningsbyggnad eller på ett kontor bör den lägsta ljusstyrkan (Ēv -värde) för väggar vara 150 lux och för tak bör den vara 100 lux. Det minsta cylindriska värdet (Ēz) bör vara 150 lux.