Fotometria Circadiana ed effetti fisiologici della luce

Tutorial didattico:
Fotometria Circadiana ed effetti
fisiologici della luce
Maurizio Rossi
Lab. Luce & Colore
Dip. In.D.A.Co. - Politecnico di Milano
IVa Conferenza Nazionale del Gruppo del Colore SIOF
Como, 17 settembre 2008
1
1
INDICE
Fotometria
Effetti fisiologici della luce
Il sistema circadiano
Relazione tra luce e sistema circadiano
Fotometria circadiana
Il problema dell’opponenza spettrale
Ipotesi applicative per la progettazione
Bibliografia generale
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Fotometria
La luce consente di vedere:
– Stimolazione della retina
– Nervo ottico
– Stimolazione corteccia cerebrale
– Generazione psico-percettiva delle immagini
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Fotometria?
La Fotometria descrive metrologicamente le
radiazioni elettromagnetiche in funzione della
loro percezione sotto forma di radiazioni
luminose da parte di un osservatore umano.
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Fotometria?
La sensibilità alle varie lunghezze d’onda λ è descritta dalla
funzione di efficacia luminosa K(λ) o dalla sua versione
normalizzata: la funzione di efficienza luminosa V(λ)
Fotopica: visione diurna
Scotopica: visione notturna
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Fotometria?
Assegnata una distribuzione spettrale di potenza
radiante elettromagnetica Φe(λ) (flusso radiante
spettrale) è possibile determinare la corrispondente
grandezza fotometrica, il flusso luminoso Φv :
780
Φ v = K max ∫ Φ e (λ ) ⋅V (λ )dλ
380
E in modo analogo si determinano le altre grandezze
fotometriche fondamentali:
–
–
–
Intensità luminosa
Illuminamento
Luminanza
Iv
Ev
Lv
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(dall’Intensità radiante Ie(λ) )
(dall’Irradianza Ee(λ) )
(dalla Radianza Le(λ) )
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Luce e organismo umano
Domanda: la luce può avere altri effetti,
diversi dalla visione, sull’organismo
umano?
Risposta: ricerche condotte in ambito
medico dicono di SI !
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Effetti della luce
La luce ha un impatto diretto sulla attività della
corteccia cerebrale, sulla temperatura
corporea[1] e sulla frequenza cardiaca[2]
[1] Badia P, Myers B, Boecker M, Culpepper, J. 1991.
Bright light effects on body temperature, alertness, EEG
and Behavior. Physiol Behav 50(3): 583-588.
[2] Cajochen C., Munch M., Kobialka S., Krauchi K.,
Steiner R., Oelhafen P., Orgu l S., and Anna Wirz-Justice,
High Sensitivity of Human Melatonin, Alertness,
Thermoregulation, and Heart Rate to Short Wavelength
Light, The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism
90(3):1311–1316, 2005
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Le onde alfa cerebrali
Le onde alfa provengono dal subcosciente
e hanno una frequenza di 8-13 Hz
Insorgono nel cervello durante un sonno
leggero, durante uno stato di narcosi, o
quando gli occhi sono chiusi.
Si presentano negli stati mentali nei quali il
subcosciente assume il
controllo sul cervello.
Le onde Alfa spariscono
durante il sonno e sono
sostituite dalle onde Delta.
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Le onde alfa cerebrali
Le Onde Alfa sono annullate quando l'individuo riceve stimoli
visivi o dopo sforzi mentali o in altri stati nei quali la mente
cosciente è impiegata attivamente.
Le onde alfa possono insorgere anche ad occhi aperti se il
campo visivo è uniforme o appannato !!
Si misurano con l’E.E.G. (elettroencefalogramma)
Onde
Frequenza
Contesto
Alfa
8÷12 Hz
occhi chiusi, relax, prima del sonno
Beta
12÷30 Hz
pensiero attivo, concentrazione
Delta
0,5÷3 Hz
sonno profondo
Theta
4÷7 Hz
Gamma
26÷100 Hz
sonno REM
attività cognitive e motorie
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Luce e onde alfa cerebrali
Risultati sperimentali mostrano che l’EEG
varia al variare della temperatura di colore
della luce[1]
– 3.000K : aumento di onde alfa (sonnolenza)
– 5.000K : forte diminuzione onde alfa
[1] Noguchi H., Sakaguchi T., Effect of Illuminance and Color
Temperature on Lowering of Physiological Activity, Journal of
Physiological Anthropology and Applied Human Science, Vol. 18,
1999, n. 4, pp.117-123
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Luce: temperatura, EEG, ECG
La temperatura corporea interna aumenta,
l’EEG accelera (diminuzione sonnolenza)
e la frequenza cardiaca aumenta,
esponendo il soggetto ad una luce di 460
nm mentre ciò non avviene con una luce di
550 nm[1]
[1] Cajochen C., Munch M., Kobialka S., Krauchi K., Steiner R.,
Oelhafen P., Orgu l S., and Anna Wirz-Justice, High Sensitivity of
Human Melatonin, Alertness, Thermoregulation, and Heart Rate to
Short Wavelength Light, The Journal of Clinical Endocrinology &
Metabolism 90(3):1311–1316, 2005
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Effetti della luce
La luce consente di regolare la produzione
dell'ormone melatonina[1]
[1] Lewy AJ, Wehr TA, Goodwin FK, Newsome DA,
Markey SP. 1980. Light suppresses melatonin
secretion in humans. Science 210(4475): 1267-1269.
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Effetti della luce
È stato dimostrato che la luce può
migliorare le prestazione dei lavoratori
turnisti notturni[1]
[1] Boyce P, Beckstead JW, Eklund NH, Strobel RW,
Rea MS. 1997. Lighting the graveyard shift: The
influence of a daylight-simulating skylight on the task
performance and mood of nightshift workers. Light
Res Technol 29(3): 105-134.
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Effetti della luce
La luce può avere un effetto sul livello di
vigilanza soggettivo[1]
[1] Monk TH, Buysse DJ, Reynolds CF, Berga SL,
Jarrett DB, Kupfer DJ. 1997. Circadian rhythms in
human performance and mood under constant
conditions. J Sleep Res 6(1): 9-18.
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Effetti della luce
La luce può aiutare a curare la
depressione stagionale (S.A.D.) che,
maggiormente nei paesi nordici, colpisce
molti soggetti nel periodo invernale
quando è minore l'esposizione alle
radiazioni solari[1]
[1] Lewy AJ, Kern HA, Rosenthal NE, Wehr TA.
1982. Bright artificial light treatment of a manicdepressive patient with seasonal mood cycle. Am J
Psychiatry 139(11): 1496-1498
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Effetti della luce
La luce può migliorare la qualità e
quantità del sonno in pazienti affetti da
disturbi del sonno[1]
[1] Lack L, Wright H. 1993. The effect of evening
bright light in delaying the circadian rhythms and
lengthening the sleep of early morning awakening
insomniacs. Sleep 16(5): 436-443
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Effetti della luce
La luce può accelerare la crescita di
peso nei neonati prematuri[1],[2]
[1] Miller CL, White R, Whitman TL, O'Callaghan
MF, Maxwell SE. 1995. The effects of cycled versus
noncycled lighting on growth and development in
preterm infants. Infant Behav Develop 18(1): 87-95.
[2] Brandon DH, Holditch-Davis D, Belyea M. 2002.
Preterm infants born at less than 31 weeks'
gestation have improved growth in cycled light
compared with continuous near darkness. J Pediatr
140(2): 192-199.
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Effetti della luce
Nel caso di patologie gravi come l'Alzheimer,
la luce può migliorare le fasi di veglia e sonno
dei malati[1]
Appare possibile una relazione tra la deregolazione della melatonina e lo sviluppo del
tumore al seno[2],[3]
[1] Van Someren EJW, Kessler A, Mirmirann M, Swaab DF. 1997. Indirect
bright light improves circadian rest-activity rhythm disturbances in
demented patients. Biol Psychiatry 41: 55-963
[2] Dauchy RT, Blask DE, Sauer LA, Brainard GC, Krause JA. 1999. Dim
light during darkness stimulates tumor progression by enhancing tumor
fatty acid uptake and metabolism. Cancer Lett 144: 131-136.
[3] Blask D, Sauer L, Dauchy R, Holowachuk E, Ruhoff M, Kopff H. 1999.
Melatonin inhibition of cancer growth in vivo involves suppression of tumor
fatty acid metabolism via melatonin receptor-mediated signal transduction
events. Cancer Res 59: 4793-4701.
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Cosa è il sistema circadiano?
Il ciclo circadiano degli esseri umani ha una durata di 24
ore e determina il momento e la durata delle funzioni
biologiche, come il sonno e l’alimentazione, il cui
bilanciamento è fondamentale per il benessere.
In questo ciclo vi sono variazioni periodiche della
temperatura corporea, della produzione ormonale,
dell’attività elettrica
cerebrale, della
rigenerazione
cellulare e delle
altre attività
biologiche con
periodicità
giornaliera.
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Cosa è il sistema circadiano?
In sintesi: il sistema circadiano è controllato dal nucleo
soprachiasmatico (SCN) dell'ipotalamo che
determina l'orologio biologico dell’organismo.
Gli impulsi nervosi prodotti dalla retina raggiungono
l'SCN che genera il ciclo di oscillazione di 24 ore
nell'attività neurale, la fase circadiana.
L’SCN influenza anche la ghiandola pineale che
produce l’ormone melatonina[1].
La melatonina può essere rilevata nel sangue, nella
saliva e nelle urine come fattore in grado di
evidenziare lo stato dell'orologio biologico interno[2].
[1] Pevet P, Nothorel B, Slotten H, Saboureau M. 2002. The chronobiotic
properties of melatonin. Cell Tissue Res 309(1): 183-191
[2] Lewy AJ, Wehr TA, Goodwin FK, Newsome DA, Markey SP. 1980.
Light suppresses melatonin secretion in humans. Science 210(4475):
1267-1269.
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21
Ma come avviene ciò? La Retina!
È esclusivamente la Retina che traduce la luce in
stimolazioni nervose per il sistema circadiano.
Tutte le ricerche fatte per evidenziare questi effetti con
stimolazioni extraoculari (sulla pelle) hanno dato esito
negativo [1],[2],[3],[4],[5].
[1] Lockley S, Skene D, Thapan K, English J, Ribeiro D, Haimov I, Hampton S,
Middleton B, von Schantz M, Arendt J. 1998. Extraocular light exposure does not
suppress plasma melatonin in humans. J Clin Endocrinol Metab 83(9): 33693369-3372.
[2] Eastman CI, Martin SK, Hebert M. 2000. Failure of extraocular light to facilitate
circadian rhythm reentrainment in humans. Chronobiol Int 17(6): 807807-826.
[3] Lindblom N, Hatonen T, Laasko M, AlilaAlila-Johansson A, Laipio M, Turpeinen U.
2000. Bright light exposure of a large skin area does not affect melatonin or bilirubin
levels in humans. Biol Psychiatry 48(11): 10981098-1104
[4] Koorengevel KM, Gordijn MC, Beersma DG, Meesters Y, den Boer JA, van der
Hoofdakken RH, Daan S. 2001. Extraocular light therapy in winter depression: A
doubledouble-blind placeboplacebo-controlled study. Biol Psychiatry 50(9): 691691-698
[5] Lushington K, Galka R, Sassi LN, Kennaway DJ, Dawson D. 2002. Extraocular
light exposure does not phase shift saliva melatonin rhythms in sleeping subjects. J
Biol Rhythms 17(4): 377377-386
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22
Luce sulla Retina
Molte ricerche hanno mostrato che il sistema
circadiano umano è controllato anche dalla
presenza di un nuovo meccanismo di
fotoricezione scoperto nella retina[1],[2], questo è
dovuto ad un fotopigmento che alcuni ricercatori
hanno chiamato melanopsina[3]
[1] Berson DM, Dunn FA, Takao M. 2002.
Phototransduction by retinal ganglion cells that set the
circadian clock. Science 295(5557): 1070-1073.
[2] Hattar S, Liao HW, Takao M, Berson DM, Yau KW.
2002. Melanopsincontaining retinal ganglion cells:
architecture, projections, and intrinsic photosensitivity.
Science 295(5557): 1065-1070.
[3] Provencio I, Rodriguez IR, Jiang G, Hayes WP, Moreira
EF, Rollag M.D. Novel human opsin in the inner retina.
Journal of Neural Science 2000; 20: 600-605.
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23
Cosa è il sistema circadiano?
Luce
Retina
Melanopsina
Tratto retina-ipotalamo
SCN
Ghiandola pineale
Melatonina
Circolazione sanguigna
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Luce naturale e ritmo circadiano
Variazioni di cortisolo, melatonina e
temperatura corporea nel corpo umano al
variare della luce naturale[1]
[1] Van Bommel W.J.M., van den Beld G.J., Lighting for
work: a review of visual and biological effects, Lighting
Research and Technology, Volume 36, n.4, 2004, pp. 255269
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25
Alterazione del ritmo circadiano
Molti individui soffrono di sfasature più o
meno gravi della fase circadiana che
possono anche essere causate
dall’esposizione ad un’illuminazione
artificiale inadeguata.
Questi disturbi coinvolgono il sonno, la
digestione, il funzionamento dell’intestino
e possono causare mal di testa,
irritabilità, stanchezza fisica e mentale.
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26
Alterazione del ritmo circadiano
Essendo regolato dalla luce, il ritmo circadiano
di 24h può essere alterato da:
–
Voli transcontinentali: effetto Jet Lag
Il ritmo degli organi interni è sfasato rispetto agli impulsi
luminosi ricevuti dall’SCN
–
Ambienti con illuminazione artificiale
Nell’ultimo secolo l’introduzione della illuminazione
artificiale ha modificato la nostra esposizione alla luce
diurna e al ciclo delle stagioni, aumentando la durata dei
periodi di esposizione alla luce
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27
Luce e ritmo circadiano
La presenza di melatonina nel sangue tende a
favorire il rilassamento e il sonno, mentre la sua
assenza tende a favorire lo stato di veglia.
–
–
La melatonina è prodotta dalla ghiandola pineale sotto il
controllo dell’ipotalamo (SCN).
La presenza di luce sulla retina ha come effetto una
diminuzione o arresto nella produzione di melatonina
Il cortisolo, noto anche come ormone dello stress,
contribuisce ad aumentare gli zuccheri disponibili nel
sangue (e quindi l'energia disponibile), l'efficienza del
sistema immunitario, protegge dalle infiammazioni e
contribuisce alla regolazione della pressione
sanguigna.
–
Il cortisolo è secreto dalle ghiandole surrenali sotto il controllo
dell’ipotalamo e dell’ipofisi.
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Luce e melatonina
Quali sono le caratteristiche della luce che influenzano la
melatonina?
–
Quantità
–
Direzione
–
Durata temporale dello stimolo luminoso
–
Momento dello stimolo luminoso
–
Tipo di variazione dello stimolo
luminoso (gradiente)
–
Distribuzione spettrale
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29
Direzione della luce
La retina non presenta un comportamento
uniforme rispetto alla stimolazione del
sistema circadiano:
– La parte inferiore sembra più sensibile[1]
[1]G. Glickman,
Glickman, J. P. Hanifin,
Hanifin, M. D. Rollag,
Rollag, J. Wang,
Wang, H. Cooper, and G. C. Brainard,
Brainard,
Inferior Retinal Light Exposure Is More Effective than Superior Retinal Exposure in
Suppressing Melatonin in Humans,
Humans, J Biol Rhythms,
Rhythms, February 1, 2003; 18(1): 71 - 79
– Quindi la luce che colpisce la retina
provenendo dalla parte superiore della linea
visuale (es. il cielo) influisce
maggiormente sul sistema
circadiano.
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Aspetti temporali della stimolazione
Una luce adeguata e perdurante può sfasare il ritmo
circadiano in anticipo (allodola) o in ritardo (gufo).
Una luce brillante al risveglio favorisce l'abbattimento
della melatonina (sveglie luminose in commercio).
La stessa luce alla sera ha l'effetto di ritardare la
produzione della melatonina e quindi diminuire la
propensione al rilassamento e al sonno.
Altri esperimenti mostrano la propensione di molti
soggetti a richiedere una forte illuminazione dopo
pranzo, probabilmente per contrastare gli effetti della
sonnolenza post-prandiale. Questo effetto è reale ma
non pare strettamente correlato con i livelli di
melatonina.
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Aspetti temporali della stimolazione
Una luce adeguata applicata nella prima metà della
notte, sfasa il ritmo circadiano (in ore) in ritardo, mentre
la stessa luce applicata nella seconda metà della notte,
sfasa il ritmo circadiano in anticipo.
Lo sfasamento maggiore avviene in piena notte quando i
livelli di melatonina sono al massimo. Ma si può avere
anche un modesto sfasamento di giorno quando i livelli
di melatonina sono al minimo[1]
[1]
Boyce P.R., Light, sight and
photobiology. Lighting Futures
2(1):3-6. 1997
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Aspetti temporali della stimolazione
Gli effetti che la luce artificiale può indurre
sul sistema circadiano sono minori in
presenza della luce diurna, ma questo può
dipendere da fattori climatici e geografici.
Gli effetti di una luce artificiale adeguata di
notte sono invece significativi
nell'abbattimento della melatonina, nella
stimolazione dello stato di allerta e delle
prestazioni, mentre non sembrano avere
effetti positivi sull'umore come invece può
avvenire di giorno.
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33
Aspetti temporali della stimolazione
È provato[1] che la variazione della melatonina
nel sangue avviene entro 10 minuti dalla
esposizione a luce adeguata.
Il ritorno ai livelli precedenti (tipicamente
notturni) di melatonina ematica avviene entro 15
minuti dalla eliminazione della stimolazione
luminosa[2],[3].
[1] Lewy AJ, Kern HA, Rosenthal NE, Wehr TA. 1982. Bright artificial light
treatment of a manic-depressive patient with seasonal mood cycle. Am J
Psychiatry 139(11): 1496-1498
[2] McIntyre IM, Norman TR, Burrows GD, Armstrong SM. 1989. Human
melatonin suppression by light is intensity dependent. J Pineal Res 6(2): 149156
[3] McIntyre IM, Norman TR, Burrows GD, Armstrong SM. 1989. Quantal
melatonin suppression by exposure to low intensity light in man. Life Sci
45(4): 327-332
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Aspetti temporali della stimolazione
È stato osservato che variazioni di luce
improvvise (a gradino)
sono più efficaci di
variazioni graduali
per la soppressione della melatonina[1].
[1] Hut, R. Light stimulation of the circadian system:
temporal variation effects. Abstract 062, Society for
research and biological rhythms; 2002
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35
Spettro della luce e melatonina
L’abbattimento della melatonina varia al variare della
lunghezza d’onda della luce[1],[2] ed è maggiore per le
corte lunghezze d’onda (con un max a 446 nm)
[1] Thapan K, Arendt J, Skene DJ. 2001. An action spectrum for melatonin suppression:
evidence for a novel nonnon-rod, nonnon-cone photoreceptor system in humans. J Physiol 535(Pt.
1): 261261-267
[2] Brainard GC, Hanifin JP, Rollag MD, Greeson J, Byrne B, Glickman G, Gerner E,
Sanford B. 2001. Human melatonin regulation is not mediated by the
the three cone photopic
visual system. J Clin Endocrinol Metab 86(1): 433433-436
curva proposta da Mark Rea
a confronto con la V(λ) e V’(λ)
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curva proposta da Dietrich Gall (e
valori misurati da Thapan e Brainard)
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Fotometria circadiana
Nella fotometria circadiana si valuta
l’effetto della luce sulla soppressione
della melatonina
La curva di sensibilità circadiana c(λ)
è diversa dalla sensibilità fotopica V(λ)!!
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Fotometria circadiana: by Rea[1]
Utilizza le seguenti grandezze per descrivere
le proprietà circadiane delle sorgenti di luce
– Flusso fotopico vs. circadiano
780
Φ v = K max ∫ Φ e (λ )V (λ )dλ
380
– Efficienza fotopica vs. circadiana
– Efficienza fotopica vs. circadiana
normalizzata rispetto a una FL da 3.000K
ηv =
p=
ηv
Φv
P
η v ,3000 K
780
Φ c = K max ∫ Φ e (λ )c(λ )dλ
380
ηc =
c=
Φc
P
ηc
η c,3000 K
– rapporto relativo tra efficienze circadiana e fotopica rr = c/p
[1] Rea MS, Figueiro MG, Bullough JD. 2002. Circadian photobiology: An emerging
framework for lighting practice and research. Light Res Technol 34(3): 177-190.
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38
Fotometria circadiana: by Rea
Efficienze fotopiche
e circadiane di alcuni
tipi di sorgenti e
rapporti relativi
Sorgente di luce
ηv
p
ηc
c
rr
Fluorescente 3.000K
87
1,00
149
1,00
1,00
Fluorescente 4.100K
87
1,00
275
1,85
1,85
Fluorescente 7.500K
65
0,75
285
1,91
2,56
Alogenuri metallici
108
1,24
300
2,02
1,63
Sodio alta pressione
127
1,46
115
0,77
0,53
Incandescenza
15
0,17
32
0,21
1,25
LED rosso 630nm
44
0,51
2
0,02
0,03
LED giallo 590nm
36
0,41
10
0,07
0,17
LED verde 520nm
25
0,29
88
0,59
2,06
LED blu 460nm
11
0,13
681
4,58
36,2
LED bianco
18
0,21
90
0,60
2,91
Daylight 6.500K
n.a.
n.a.
n.a.
n.a.
2,78
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39
Semplificando !?! Mark Rea:
“Il sistema circadiano può essere considerato un
rilevatore di cielo azzurro”
– “Perché è più sensibile alla luce blu-azzurra che
proviene dall’alto”
– “Perché ha una risposta lenta e richiede una prolungata
stimolazione luminosa di elevata intensità”
– “In effetti il cielo azzurro
sembra la fonte ideale di
luce circadiana, dato il
nostro passato evolutivo
di cacciatori e raccoglitori
in posizione eretta, attivi
di giorno”
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Fotometria circadiana: by Gall
Gall propone una curva di sensibilità circadiana
c(λ) lievemente differente[1] da quella di Rea.
Diverso anche il metodo di calcolo delle
grandezze circadiane:
–
–
–
–
–
–
Flusso circadiano Φc,
Intensità circadiana Ic,
Illuminamento circadiano Ec,
Luminanza circadiana Lc,
Esposizione circadiana Hc
Rendimento circadiano ηc
[1] Gall, D.,CircadianeLichtgrößen und
derenmeßtechnischeErfassung, Licht 7-8, 2002, 860-871
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41
41
Fotometria circadiana: by Gall
Ogni grandezza circadiana Xc si ottiene dalla
corrispondente fotometrica Xv tramite la formula:
Xc = acv ⋅ Xv
Dove il fattore di effetto circadiano acv :
acv
∫
=
∫
Situazione/Attività
acv
Tonalità di luce
Momenti di tranquillità, relax,
applicazioni non professionali private
< 0,4
Bianco caldo
< 3.300K
780
380
780
380
Φ e ( λ ) c ( λ ) dλ
Φ e (λ )V (λ )dλ
Ufficio, industria, illuminazione
stradale, negozi, mercati, speciali
requisiti di illuminazione
Concentrazione ottimale sul lavoro,
sensazione di benessere in
abbinamento a grandi sforzi
visivi, terapie
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0,3÷0,8
Bianco neutro
3.300÷5.300K
> 0,7
Luce diurna
> 5.300K
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Fotometria circadiana: by Gall
Il fattore di effetto
circadiano determinato
da Gall per alcuni tipi
di sorgenti.
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Sorgente di luce
CCT
acv
Sole diretto
5.081K
0,76
Cielo blu
19.963K
1,49
Cielo coperto
5.924K
0,88
Lampada incandescenza
2.800K
0,35
Alogenuri metallici bianco neutro
3.640K
0,39
Sodio alta pressione
2.770K
0,28
Fluorescente bianco caldo
2.827K
0,31
Fluorescente bianco neutro
3.678K
0,52
Fluorescente daylight 765
6.750K
0,85
Fluorescente daylight 865
6.400K
0,80
Fluorescente daylight 965
6.500K
0,94
Fluorescente daylight 880
8.000K
1,00
Fluorescente Truelite
5.600K
0,76
LED blu λp = 468 nm
n.d.
6,90
LED bianco
n.d.
1,05 .. 2
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Fotometria circadiana: by Gall
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(fonte Osram)
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Luce blu ed età biologica
È stato dimostrato che con l'avanzare dell'età peggiore la visione a
causa dell'ingiallimento del cristallino (diminuisce la trasmittanza
[1],[2].
totale) e quindi è necessario avere più luce per leggere[1],
L’ingiallimento del cristallino fa si che meno luce blu entri nell'occhio
rispetto ad altre frequenze. Questo impone una riflessione sulla
capacità/possibilità di un prodotto di illuminazione di
customizzarsi/adattarsi/regolarsi anche spettralmente in funzione
dell'età del soggetto.
[1] Van Bommel W.J.M., van den Beld G.J., Lighting for work: a review of
visual and biological effects, Lighting Research and Technology, Volume 36,
n.4, 2004, pp. 255-269
[2] Weale RA. 1963. The Ageing Eye. London: HK Lewis and Company
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Opponenza spettrale circadiana?
Ma allora basta introdurre una dose di luce
blu per influire sul sistema circadiano?
No! La cosa non è così semplice.
Recenti esperimenti[1], hanno mostrato che
la presenza di altre radiazioni luminose di
maggiore lunghezza d’onda sembra inibire
l’effetto della luce blu sul sistema
circadiano.
[1] Figueiro, Mariana G., John D. Bullough, Robert H. Parsons, and Mark S.
Rea. 2004. Preliminary evidence for spectral opponency in the suppression
of melatonin by light in humans. NeuroReport 15, no. 2: 313-16.
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Opponenza spettrale circadiana?
Nell’esperimento sono state utilizzate due sorgenti per
l’abbattimento della melatonina:
LED a luce blu: 18 lux (29 μW/cm2) sull’occhio
Hg lampada a vapori di mercurio: 450 lux (170 μW/cm2) sull’occhio
Il LED blu, pur con un irradiamento nelle corte lunghezze
d’onda inferiore alla banda blu della lampada Hg,
abbatte maggiormente la melatonina della lampada Hg
che ha altre bande di emissione nelle zone giallo e
arancio
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Opponenza spettrale circadiana?
Il fenomeno dell’opponenza mette già in discussione la neonata
fotometria circadiana e ne rende più difficile il reale utilizzo nella
progettazione di una illuminazione fisiologicamente consapevole.
Il risultato di questo esperimento sarebbe giustificabile con una
differente curva di sensibilità circadiana introducendo valori
negativi….
Ma nel caso di spettri più complessi e più completi neanche questa
curva è in grado di descrivere adeguatamente la soppressione della
melatonina[1]
–
[1] Figueiro MG,
MG, Bullough JD,
JD, Bierman A, Rea MS.
MS. Demonstration of additivity failure in human circadian
phototransduction,
phototransduction, Neuro Endocrinol Lett.
Lett. 2005 Oct;26(5):493Oct;26(5):493-8
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Un modello più complesso…
È stato proposto un modello più
complesso che ipotizza che siano anche
gli altri fotorecettori ad influire sul sistema
circadiano[1], [2]
Questo modello di fototrasduzione si basa
sulle conoscenze attuali in termini di
neuronatomia e fisiologia del sistema
visivo e del sistema circadiano umano.
–
–
[1]Rea MS, Figueiro MG, Bullough JD, Bierman A. 2005. A model of
phototransduction by the human circadian system. Brain Res Brain Res
Rev. 50(2):213-228.
[2] Mark S. Rea, Mariana G. Figueiro, John D. Bullough, Andrew
Bierman, Corrigendum to “A model of phototransduction by the human
circadian system”, Brain Res. Rev. 56 (2007)
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Un modello più complesso…
Il modello va oltre l’idea di curva di
sensibilità circadiana, e si fonda sul
principio di opponenza
L’effetto circadiano di ogni singola
lunghezza d’onda dipende
mutuamente da tutte le altre
Il risultato del modello è una
grandezza chiamata stimolo
circadiano “CS”
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Un modello più complesso…
Rappresentazione elettronica del modello
Coni S
Cellule bipolari
Coni L+M
Melanopsina
Bastoncelli
Cellule amacrine
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Un modello più complesso…
Il modello applicato a radiazioni
monocromatiche (in assenza di
opponenza) produce uno stimolo
circadiano che descrive una curva simile a
quelle sperimentali misurate da Brainard e
Thapan
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Un modello più complesso…
Nel caso di spettri più complessi (FL da 4.100K e 8.000K) a vari
livelli di illuminamento sull’occhio… confronto tra predizione e
melatonina ematica reale
Buona predizione per lampada da 8.000K
Discreta predizione per lampada 4.100K per lux più elevati
Oltre certi livelli di illuminamento (saturazione) il modello fallisce
per l’insorgere di fenomeni spontanei di chiusura totale o
parziale delle palpebre
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Un modello più complesso…
Valutando il CS delle sorgenti comuni si scopre che in
realtà la luce bianca delle FL ha un effetto circadiano
molto limitato proprio a causa dell’opponenza
A parità di consumi, una FL da 7.500K è oltre 2 volte
più efficiente dal punto di vista circadiano di una FL da
3.000K
Light Source
Photopic lumens/watt
Circadian stimulus/watt
100 lm/W
74 CS/W
I LED blu hanno il Fluorescent 3000K
Fluorescent 7500K
100 lm/W
157 CS/W
massimo effetto
Incandescent
12 lm/W
12 CS/W
D65
70 lm/W
133 CS/W
Clear Mercury (Hg)
45 lm/W
18 CS/W
8 lm/W
223 CS/W
15 lm/W
418 CS/W
Blu LED (470 nm)
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E quindi?
Luce Blu in abbondanza?
……MA !?
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Rischi per la salute ??
Minore la lunghezza d’onda della radiazione
e.m. maggiore il danno che si produce sugli
organismi viventi
Precisi riferimenti relativi alle lesioni
fotochimiche della retina umana, riferite al
rischio della luce blu e UV, denominato BLH
(Blue Light Hazard) sono riportate nelle:
–
–
CIE 138/2000 - Photobiology and Photochemistry
CIE S 009/E:2002 - Photobiological Safety of
Lamps and Lamp Systems
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Norme ??
Oltre alle classiche norme sulla illuminazione
in interni ed esterni la raccomandazione “CIE
158/2004 - Ocular Lighting Effects on Human
Physiology and Behaviour” raccoglie una serie
di documenti tecnico-scientifici degli effetti
biologici sul nostro sistema neuro-endocrino,
quindi non legati alla visione, e le conseguenti
influenze comportamentali della luce
La raccomandazione CIE 166/2005 - Cognitive
Colour tratta gli aspetti cognitivi del colore in
termini di elementi comportamentali
neuropsicologici e neurofisiologici.
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Conseguenze sul progetto
Sulla base di queste altre ricerche il Light
Design può gestire nuovi aspetti della luce per
influire sul benessere umano:
–
–
Nella progettazione degli apparecchi
Nella progettazione degli impianti
Tramite:
–
–
–
il controllo della quantità di illuminazione,
la reale distribuzione spettrale della luce
la dinamicità dell’illuminazione (temporizzazione e
durata della illuminazione con controllo automatico).
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Obiettivi dell’illuminazione
circadiana in ambienti artificiali
Corretta valutazione dei parametri
fondamentali di quantità, spettro,
distribuzione, durata (dinamicità) e tempo
del ciclo notte-giorno
Per assicurare l’adattamento dell’orologio
biologico allo schema di attività-riposo
richiesto dalle specifiche esigenze sociali di
una persona
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Linee guida?
Difficili da definire perché:
– Gli esseri umani sono tutti diversi tra loro
– Nella società moderna tendono a vivere
secondo cicli aperiodici
– Possono svolgere lavori atipici che
richiedono attività notturne ripetitive o
saltuarie
Tuttavia….
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Linee guida?
Ogni persona dovrebbe essere esposta:
– a luce circadiana nei periodi di attività
– assenza di luce circadiana nei periodi di
riposo
– e questo dovrebbe avere un ciclo di 24 ore
Questo potrebbe:
– Massimizzare le nostre prestazioni
– Migliorare il nostro benessere e salute
(effetti positivi sul sistema immunitario)
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Linee guida?
Purtroppo i sistemi di illuminazione sono
progettati per rispondere alle esigenze:
– Del sistema visivo
– Del risparmio energetico
– Non per influire consapevolmente sul
sistema circadiano
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Linee guida? Nei luoghi di lavoro
L’ambiente dovrebbe favorire l’adattamento
circadiano durante il periodo di attività
In assenza di una adeguata illuminazione
solare, dovrebbe esserci una luce artificiale
circadiana in modo continuativo o periodico
Se l’illuminazione artificiale ambientale
presente non ha requisiti circadiani (come
spesso avviene per ragioni di risparmio
energetico o altri) si dovrebbe implementare
un sistema supplementare a corte
lunghezze d’onda (es. LED blu) per
favorire l’adattamento circadiano
durante l’attività
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Linee guida? Nei luoghi di riposo
L’ambiente dovrebbe favorire
l’adattamento circadiano durante il
periodo di riposo con prestazioni opposte
a quelle dei luoghi di lavoro
Evitare luci forti o bianco brillanti con
elevata componente di corte lunghezze
d’onda: meglio sorgenti calde con
temperatura di colore
non superiore a 3000K
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Linee guida?
E nei luoghi non di lavoro e non di
riposo?
– In che orari?
– Che attività?
– Quali relazioni?
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Bibliografia generale
M. Rossi, Design della Luce – Fondamenti ed
Esperienze nella progettazione della luce per gli esseri
umani, Ed. Maggioli, 2008
M. Rea et. al., More than vision – L’influenza della luce
sui ritmi circdiani, iGuzzini, Editoriale Domus, 2008
M. Rea, Light - Much more than vision, International
Symposium on Light and Human Health, CIE. 2003
Boyce, Peter R., Human Factors in Lighting, CRC
Press. 2003
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