licht und gesundheit
TRANSCRIPT
Licht und Gesundheit
‐ Der Einfluss des Lichts auf Körper und Psyche ‐
Prof. Dr. Thomas Jüstel
Münster University of Applied Sciences
1
Münster University of Applied Sciences
Münster, 11. Juni 2013
Licht Beleuchtung
Licht Bildwiedergabe
Licht Umweltproblem
Etwa 20% der erzeugten elektrischen Energiewird für Beleuchtung eingesetzt (Quelle: NASA)
Licht und Gesundheit• Licht verlängert den Tag!
• Licht beeinflusst das Wohlbefinden, z.B. wirkt gegen „Winterdepression“
• Licht steuert hormonelle Aktivität, z.B. die des Schlafhormons Melatonin
• Licht heilt Hautkrankheiten, wie z.B. Akne oder Psoriasis
• Licht wirkt therapeutisch bei Vitamin D Mangel und Gelbsucht
• Licht hat eine schmerzstillende Wirkung
• Licht desinfiziert und reinigt Luft, Oberflächen und Wasser
Licht als Teil des elektromagnetischen Spektrums
UV‐C UV‐B UV‐A Blau Grün Rot IRHaut Haut Haut Auge/Haut Auge Auge/Gefäße GefäßeDesinfektion Bräunung Bräunung ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ Visuelle Wahrnehmung ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ WärmeReinigung Vitamin D‐ Melatoninsup.
Bildung NO‐BildungBilirubinabbau
Die spektrale Augenempfindlichkeit Der Farbraum
Licht als Teil des elektromagnetischen Spektrums0 9
ndlichkeit V
()
UV IRVIS
0 50.60.70.8
Spektralfarben PlanckkurveMischfarbenWeißpunkte
0.9
opische Em
pfin
0.20.30.40.5y
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wellenlänge [nm]
Phot
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.700.1
0.8x
Natürliche und künstliche Lichtquellen
Natürliche KünstlicheNatürliche Künstliche‐ Sonne ‐ Feuer/Fackeln/Kerzen‐ Sterne ‐ Gasleuchten‐ Glut ‐ (Halogen)Glühlampen ‐ Blitze ‐ Entladungslampen‐ Biolumineszenz ‐ (O)LEDs
Direktes Sonnenlicht Gestreutes Sonnenlicht „Der blaue Himmel“
Natürliche und künstliche Lichtquellen
~ 1000 W/m2
Das Leben auf der Erde ist an das Lichtspektrum der Sonne angepasst und alle Erkenntnisse legen nahe, dass jede Abweichung von den speziellen Eigenschaften des Sonnenlichtes direkte Auswirkungen auf die Gesundheit haben!
Natürliche und künstliche LichtquellenLichtausbeute
555 nm460 nm 610 nm
e [lm
/W]
• Sonnenlicht– 1000 W/m2
– ca. 100 lm/W– 100.000 lm/m2 = 100.000 lux
umen
ausbeu
te100.000 lm/m 100.000 lux• Künstliche Beleuchtung
– 8 W/m2
– ca. 250 lm/W
Wellenlänge [nm]
L– 2.000 lm/m2 = 2.000 lux• Optimal für monochrom grünes Licht bei 555 nm
– 683 lm/W
Natürliche und künstliche Lichtquellen
Natürliche und künstliche Lichtquellen
FarbwiedergabeWeiße Lichtquellen Farbige Lichtquellen
z.B. Na-DampflampenSonnenlicht undHalogenlampen
Beleuchtung mit Beleuchtung mit e euc tu g tweißemLicht
e euc tu g tgelben Licht
Lichtquelle mit niedriger Farbwiedergabe Lichtquelle mit hoher Farbwiedergabe
Farbwiedergabe
Künstliche Lichtquellen19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt.
Glüh- undHalogenglühlampen
Gasentladungs-lampen + bildschirme
Anorganische und organische Leuchtdioden
Exotisches: Chemische
Lichtquellen + Laser
Zeit bzw. Grad der Kontrolle
Leuchtdioden Lichtquellen Laser
Künstliche Lichtquellen
Halogenlampen FluoreszenzlampenHalogenlampen
0 6
0,8
1,0
tens
ität
80
90
100
110
120
krom
eter
]
Fluoreszenzlampen
Zum Vergleich:Halogenlampe
0,2
0,4
0,6
Nor
mie
rte
In
10
20
30
40
50
60
70
Leis
tung
[W/M
ik Halogenlampe
400 500 600 700 8000,0
Wellenlänge [nm]500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0
10
Wellenlänge [nm]
Niedrige Lichtausbeute + hohe Farbwiedergabe Hohe Lichtausbeute + mäßige Farbwiedergabe
1.2Blaue LED + Gelber + Roter Leuchtstoff
Künstliche Lichtquellen
0.2
0.4
0.6
0.8
1 JAZZ 3300K
BB 3300K
Anorganische Leuchtdioden (LED)• 1 – 5 W pro LED
400 450 500 550 600 650 700 750 800nm
b la c k b o d y 3 6 0 0 K
f lu o r e s c e n t C C T = 3 6 0 0 K
400 450 500 550 600 650 700 750nm
• 100 ‐ 250 lm/W• Warm‐weißes Licht • Hohe Farbwiedergabe ähnlich zu Halogenlampen 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0
n m
f lu o r e s c e n t , C C T = 3 6 0 0 K
Anorganische LED ‐ Status 2013
Künstliche Lichtquellen
Lichtaubeute: Kalt‐weiß > 200 lm/WWarm‐weiß > 100 lm/W
Farbwiedergabe: 70 – 95Lebensdauer: > 10000 hDesign: Retrofits für Leuchtstoffröhren und (Halogen)Glühlampen
Vorteile anorganischer LED gegenüber Glüh‐ und Halogenlampen FluoreszenzlampenHöh L b d Ei f h A t /Di b k itHöhere Lebensdauer Einfachere Ansteuerung/DimmbarkeitHöhere Effizienz Bessere FarbwiedergabeGrößere Robustheit Größere RobustheitKeine IR‐Strahlung Keine UV‐Strahlung Alles optimal?
Photopische und circadiane Lichtausbeute
Sichtbares (blaues) Licht beeinflusst die
Rezeptoren im Auge• Stäbchen S/W-Kontrast• Zäpfchen Farbwahrnehmung• Blaulicht (pRGC) Hormonsteuerung
Sichtbares (blaues) Licht beeinflusst die MelatoninkonzentrationCortisolkonzentration Aufmerksamkeit, Körpertemperatur etc.
Lichtquelle Lichtausbeute Verhältnis Lichtausbeute(photopisch) circadian/photopisch
Photopische und circadiane Lichtausbeute100 Phototopische Wirkung
Jüngere Leute
Melatoninsuppresion
(photopisch) circadian/photopischTageslicht 6500 K 100 lm/W 2,78FL 3000 K 90 lm/W 1,00FL 4100 K 90 lm/W 1,85
20
40
60
80
Ältere L t
Rel
ativ
e W
irkun
g [%
]
430 nm
460 nm
555 nm
LED 5500 K 90 lm/W 2,91
Melatonin (Schlaf)
Körpertemperatur
400 450 500 550 600 650 7000
20 Leute(linsen-korrigiert)
Wellenlänge [nm]
Cortisol (Stress)
Melatonin (Schlaf)
AufmerksamkeitUhrzeit
Aktivitätssteuerung mit dynamischer Beleuchtung
Arbeitsbeginn 08:15 UhrPrime time 11:45 Uhr
Feierabend 17:45 Uhr
Neutrale Atmosphäre...
Kühle Atmosphäre...Warme Atmosphäre...
LichttherapieAnwendung im Zusammenhang mitBeleuchtungsstärke > 5000 lux g g• Jet‐lag• Schichtarbeit• Essstörungen• Übergewicht
Tageslicht Sommer ~ 100000 lux
• Schlafstörungen• Lichtwecker 250 lux• Winterdepression 10.000 lux
Melatoninsuppression und Lichtausbeute: Optimal mit weißen LEDs (460 nm + 555 nm)Lichttherapie
Bl LED G lb L ht t ffEnergie [eV]
40
50
60
70
inte
nsitä
t
Tc = 5270 K CRI = 82Tc = 4490 K CRI = 79Tc = 4110 K CRI = 76
Tc = 3860 K CRI = 73
Blaue LED Gelber Leuchtstoff
1,2x107
1,4x107
1,6x107
1,8x107
2,0x107
Teelicht
tät
3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6
0
10
20
30
Emis
sion
s Tc = 3540 K CRI = 70
0,0
2,0x106
4,0x106
6,0x106
8,0x106
1,0x107
Inte
nsit
Empfehlung• Allgemeinbeleuchtung: Variabler Blauanteil kaltweiße LEDs• Ruhezonen: Kein Blauanteil warmweiße/gelbe LEDs oder Kerzen/Teelicht
400 500 600 700 800Wellenlänge [nm]
400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wellenlänge [nm]
Eindringtiefe von Licht (UV‐C bis IR‐C)
Wirkung von Licht über die Körperoberfläche
UV‐C → ErbgutschädenUV‐B → Vitamin D Bildung
UV‐A → MelaninoxidationBlau → Bilirubinabbau, NO‐BildungBlau → Bilirubinabbau, NO Bildung
Rot → Gefäßerweiternde Wirkung
Optisches Fenster“
IR‐C 0.1 mm
IR‐B 0.5 mm
Oberhaut
Lederhaut
„Optisches Fenster von 650 bis 1300 nmEindringtiefe vonIR‐A etwa 5 mm
IR‐A 4 ‐ 5 mm
Unterhaut‐gewebe
UV‐Licht TherapieBehandlung von• Tuberkulose seit ca. 1895• Rachitis seit etwa 1920
Sanatorien in Davos, Braunwald, etc. A d S li ht 10% Anwendung von Sonnenlicht
Effekt: Bildung von Vitamin D3– Produktion in der Haut– Mit UV‐B Licht (290 ‐ 315 nm)
90%
10%
Mit UV B Licht (290 315 nm)– Optimal: > 60 ng/ml Serum
Wirkung von UV‐Strahlung
UV‐Licht Therapie0,8
1,0 UV-AUV-B
UV‐A (320 ‐ 400 nm): 95% vom Tageslicht‐UV• Bräunung schnell Kurzzeiteffekt
0,2
0,4
0,6
Inte
nsitä
t
UV-Tageslichtspektrum60° Sonnenhöhenwinkel Kurzzeiteffekt
UV‐B (280 – 320 nm): 5% vom Tageslicht‐UV• Vitamin D Bildung• Bräunung
280 300 320 340 360 380 4000,0
Wellenlänge [nm]
60° Sonnenhöhenwinkel(klarer Himmel)
• Bräunung nach 2‐3 Tagen Langzeiteffekt
Moderne Solarienemittieren kaumUV‐B Strahlung
B h dl
Blau‐Licht Therapie
Behandlung von • Akne• Neurodermitis
Wirkungsoptimum bei 415 nm (blauviolett)
Spektral optimierte FluoreszenzlampenFluoreszenzlampenmit α‐Ba3Y(BO3)3:Eu
1,0 Aktionsspektrum des Bilirubinabbaus
Blau‐Licht TherapieBehandlung der Gelbsucht mit blauem Licht
0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
Relat
ive W
irkun
g
Das gelbe Bilirubin ist ein Abbauprodukt desHämoglobinstoffwechselsGesunde: Abbau in der Leber + AusscheidungLeberkrankte: Einlagerung in der Haut/Gehirn
400 450 500 550 6000,0
Wellenlänge [nm]
0,20
0,25
0,30
nten
sitä
t
Emissionsspektrum einer „Bilirubinlampe“
g g /
400 450 500 550 6000,00
0,05
0,10
0,15
Emission
sin
Wellenlänge [nm]
Bilirubin (wasserunlöslich) → Lumirubin (wasserlöslich)
Neugeborenen‐Ikterus (Gelbsucht)
Blau‐Licht Therapieg ( )
Direkt nach der Geburt ist die Leber noch „unreif“ Unzureichender Abbau des Bilirubins Bestrahlung mit blauem Licht (460 nm) Lumirubin wird über die Nieren ausgeschieden
Philips Lampen F20T12/BB bzw. F40/BB
Schmerztherapie mit blauem Licht
Blau‐Licht Therapie
→ Bildung des Neurotransmitters Stickstoffmonoxid NO
1 . 4 m m
B l a u e m i t t i e r e n d e L E D s Blaue LEDs
5
3x105
4x105
ensi
tät
4 3,5 3 2,5 2Energie [eV]
2 0 m m
4 m mP h o s p h o r C e r a m i c Flexible Polymerbasis
300 350 400 450 500 550 600 650 7000
1x105
2x105
Inte
n
Wellenlänge [nm]
Stickstoffmonoxid (NO)‐Radikale
Blau‐Licht Therapie
• In hohen Konzentrationen toxisch• In niedrigen Konzentrationen gefäßerweiternd und muskelentspannend
→ Blutdruckregulation→ Schmerzreduktion→ Schmerzreduktion→ Entzündungshemmende Wirkung
Enzymatische Produktion L‐Arginin (Aminosäure) L‐Citrullin + NOBildung durch blaues Licht Nitrit NO2
‐ + H2O OH‐ + OH. + NOS‐Nitroso‐Serumalbumin NO
Behandlung von
Infrarot‐Therapie
• Rheumatismus• Neurodermitis• Rückenschmerzen• Tumore (mit IR‐A Strahlung)
Photodynamische Therapie→ Photodynamische Therapie
IR‐Quellen• IR‐A and IR‐B
Halogenlampen mit Farbfilter
IR‐C 0.1 mm
IR‐B 0.5 mmHalogenlampen mit FarbfilterNd:YAG Laser
• IR‐Cgeheizte Keramikstäbe IR‐A 4 ‐ 5 mm
Wasseraufbereitung (im Wasserwerk oder am „Point‐of‐use“)
Wasser‐/Oberflächen‐/Luftbehandlung mit Lichtg ( „ )
• UV‐C Licht (265 nm) desinfiziert→ Vermehrung von Mikroorganismen wird gestoppt
0,8
1,0 nach DIN 5031-10
mke
it
UV‐Quellen 200 250 300 3500,0
0,2
0,4
0,6
,
Rel
ativ
e W
irksa
m
Wellenlänge [nm]
• Quecksilberdampflampen• UV LED• Xe Excimerlampen
Wellenlänge [nm]
Wasseraufbereitung (im Wasserwerk oder am „Point‐of‐use“)
Wasser‐/Oberflächen‐/Luftbehandlung mit Licht4,0
4,5c = 0,001MT = 293 Kp = 1 bar, airSolvent: demi H O
5-fluorouracil with 500mg/l H2O2
g ( „ )• UV‐C Licht (< 280 nm) oxidiert• UV‐Licht (< 400 nm) und Katalysator oxidiert
→ Entfernung von Pestiziden, Herbiziden, Tensiden,Medikamentenrückständen (Krebsmarker Antibiotika etc ) 0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5Solvent: demi H2OLamp: NIQEm.spectrum: 254nm
Abs
orba
nce
0min 5min 10min 15min 20min 30min
Medikamentenrückständen (Krebsmarker, Antibiotika, etc.)
UV‐Quellen
200 225 250 275 300 325 3500,0
Wavelength [nm]
0 6
0,8
1,0
1,2c = 0,00005 MT = 293 Kp = 1 bar, airSolvent: demi H2OLamp: NIQEm.spectrum: 254,185nm
ance
0min 10min 20min 30min 40min 50min 60min 0min without H2O2
Tetracycline with 50mg/l H2O2
• Quecksilberdampflampen• UV LED• Xe Excimerlampen 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450
0,0
0,2
0,4
0,6
Abs
orba
Wavelength [nm]
Phototherapie• Vitamin D Aufbau 310 nm• Akne‐, Ekzem‐, Psoriasis‐, Vitiligobehandlung 415 nm
Licht und Gesundheit, , , g g
• Melatoninsuppression 430 nm• Bilirubinabbau 450 nm• Schmerztherapie 453 nm• Photodynamische Therapie Rot/NIR• Rheumabehandlung NIRKosmetik• Bräunung UV‐A + UV‐B• Epilation 755 nmEpilation 755 nm• Faltenreduktion NIR• Hautflecken‐ und Tattooentfernung 694, 1064 nmDiagnostik• Endoskopie VIS• In‐vitro und in‐vivo Fluoreszenzmarkierung VIS• Optische Bildgebung NIR• Photoplethysmographie NIRChirurgieChirurgie• Laserskalpell 1.06, 10.6 µm• Augenkorrekturen 193, 800 nm• Kariesentfernung 2.94, 10.6 µmWasser‐/Oberflächen‐/Luftbehandlung• Entkeimung 200 – 280 nm• Reinigung < 190 ‐ 400 nm
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!Literatur
• R. Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung – von der Glühlampe bis zum LASER, Highlight‐Verlag, 2004• M. Born, T. Jüstel, Elektrische Lichtquellen, Chemie in unserer Zeit 40 (2006) 294• T. Jüstel, S. Möller, H. Winkler, W. Adam, Luminescent Materials in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol.
A1‐28, Wiley‐VCH (2012)
Internet‐LinksInternet Links
• Homepage T. Jüstel www.fh‐muenster.de/juestel• CREE http://www.cree.com/• GELcore http://www.gelcore.com/• Global Light Industries http://www.globallight.de/index.html• Nichia http://www nichia co jp/about nichia/index html• Nichia http://www.nichia.co.jp/about_nichia/index.html• Osram Opto http://www.osram.de/• Philips Lumileds http://www.luxeon.com/• Seoul Semiconductor http://www.seoulsemicon.com/en/prCenter/• Sylvania http://www.sli‐sylvania.com/content/view/65/77/