Het circadiaanse (=dagelijkse) ritme van de mens regelt allerlei hormoonafscheidingen en herstelprocessen en is van levensbelang voor de mens. Dit ritme is beïnvloedbaar door toepassing van licht. De mate van beïnvloeding kan worden berekend volgens de methode uitgedacht door het Lighting Research Center (LRC) waarbij een Circadiaanse Stimulus (CS-waarde) berekend wordt.

Inleiding

Het circadiaanse ritme duurt ongeveer 1 dag. Het is van belang voor de mens omdat het veel biologische processen regelt, processen die o.a. te maken hebben met herstel van de mens. Het is van belang dat de mens goed en voldoende slaap heeft, aar ook tijden van alertheid en waakzaamheid. Door middel van (buiten of natuurlijk) licht kan dit menselijke circadiaanse ritme gelijk gelijk gelegd met het normale dag/nacht ritme wat zich buiten afspeelt. Aangezien velen van ons het (hoofzakelijk of alleen) met kunstlicht moeten doen, is het van belang kunstlicht zo in te zetten dat het circadiaanse ritme zich gelijkzet met het actuele dag/nachtritme wat zich buiten (en op onze klokken en horloges) afspeelt.

In dit artikel wordt verteld hoe goed het licht van een bepaalde lamp een invloed kan uitoefenen op het circadiaanse ritme van de mens. In een eerder artikel heb ik uitgelegd dat volgens een tweetal van normen men ervan uitging dat de gevoeligheid van een bepaalde stof in een bepaalde lichtreceptor in het oog (melanopsine in de ganglioncellen in het oog) hiervoor gebruikt kon worden. Wat men deed was het lichtspectrum van een lamp wegen tegen deze spectrale gevoeligheid van deze sensor en daaruit kwam dan een effectiviteitsgetal wat aangaf in hoeverre dit licht van deze lamp effectief zou kunnen zijn in het beïnvloeden van het circadiaanse ritme van de mens.

De genoemde normen stammen uit 2013 en 2015. Sindsdien is er meer onderzoek gedaan en is het genoemde LRC van het Rensselaer Polytechnical Institute in Troy, New York, tot de conclusie gekomen dat niet het gevoeligheidsspectrum van 1 stof uit 1 type receptor alleen voldoende is om de mate van beïnvloeding te bepalen, maar dat het een samenspel is van nog twee andere receptoren. En dat er het een effect is van een type receptor dat afneemt naarmate er meer licht gebruikt wordt.

In het navolgende leg ik uit welke methode nu eventueel gebruikt kan worden om bij licht van een willekeurig spectrum, en inachtneming een bepaalde verlichtingssterkte (in lux) gemeten verticaal op het oog, met een verlichtingsduur van 1 uur, in welke mate dat leidt tot een beïnvloeding van het circadiaanse ritme.

Melanopische effecten

In de norm 67600-2013 stond aangegeven dat een bepaaalde hoeveelheid licht op het oog nodig was om in verschillende omstandigheden goed te functioneren (in een klas, of in een zorgcentrum etc). Men ging uit van minimaal 250 lux verticaal op het oog, afkomstig van een bepaalde TL buis met een 8000K CCT licht, en dat voor minimaal 15 minuten. Pas bij meer licht of langere duur was het melanopisch effectief en daarmee dus een effect hebbende op het circadiaanse ritme.

In een eerder artikel heb ik dan uitgelegd dat het genoemde 8000K licht van de TL buis omgerekend kon worden naar een melanopische effect-factor (0,867 voor deze buis). Bij een te meten andere lamp, waarbij het spectrum van het licht gemeten werd, kon ook een melanopische effect-factor berekend worden. De relatie tussen deze twee factoren kon je dan gebruiken om te bepalen of je licht van de andere lamp effectiever was of niet en je kon zelfs bepalen hoeveel meer of minder licht (in lux) je dan nodig had melanopisch effectief te zijn.

Een voorbeeld: de TL-buis had een melanopisch effect van 0,867. Een ledlamp van 3075K had deze waarde op 0,387. Deze ledlamp was dus minder effectief in het beïnvloeden van het circadiaanse ritme, of je moest zorgen voor 0,867/0,387 = 2,25 x zoveel licht verticaal op het oog voor minimaal 15 minuten.

Een bovenstaande voorbeeld dat aangeeft in zwarte lijn, het spectrum van de genoemde 8000K TL-buis. Dat werd gewogen tegen de rode curve die het gevoeligheidsspectrum van melanopsine aangeeft. Dat kon weer vergeleken worden tegenover wat de weging met de gewone lichtgevoeligheidscurve van het oog is (de blauwe curve). Deze deling gaf dan de melanopische effeciviteitsfactor aan.

Circadiaanse Stimulus

Wat ontbrak aan de voorgaande benadering waren een aantal zaken. Eentje was dat men niet wist in hoeverre meer verlichtingssterkte dan ook meer effect zou hebben. En ten tweede is men van mening dat niet alleen Ganglion cellen met hun melanopisch wegingseffect op het circadiaanse ritme hebben maar ook bepaalde kegeltjes (de S-kegeltjes die voor korte golflengtes gevoelig zijn) en de staafjes (zolang ze niet in saturatie gedreven worden bij heel veel licht). Dit is het standpunt van LRC. Zij leggen in bepaalde documenten dat weging anders moet (zie onderaan voor referenties). Ze komen uiteindelijk uit op een omrekening van een hoeveelheid lux verticaal op het oog naar een Circadian Stimulus effect. Dit laatste is een waarde van 0 tot 0.7. In het kort gezegd, alles onder de 0,1 is niet van invloed, en alles boven de 0.3 heeft wel al invloed (bij 1 uur aan verlichtingsduur).

Vanuit het spectrum van het licht wordt eerst bepaald of het licht een zogenaamde koude lichtbron danwel een warme lichtbron genoemd kan worden. Bij de warme lichtbron wordt er alleen gewogen met de melanopische gevoeligheid (zoals al eerder aangegeven) maar bij een koude lichtbron wordt er ook het effect van de S-kegeltjes en de staafjes meegenomen. Deze gevoeligheidscurves zijn in onderstaande figuur opgenomen.

Tevens wordt, na de weging van het spectrum van het licht van de lamp, het resultaat omgezet in een CS-waarde. Een hoge CS-waarde kan dan overigens behaald worden met een warme lichtbron en een hoge verlichtingssterkte, of met een koude lichtbron met lagere verlichtingssterktewaarde.

Bovenstaande figuur geeft aan dat bij 30 lux verticale verlichtingssterkte op het oog, er niet veel verschil is in CS-waarde of het licht nu van een koude danwel een warme lichtbron komt. Dit verschil wordt groter bij 100 en 300 tot aan 1000 lux. Bij nog hogere luxwaardes is het verschil weer minder en treedt saturatie op.

Tevens geeft het figuur aan dat de CS waarde overeenkomt met de mate van het onderdrukken van het slaaphormoon melatonine. Dit is het effect op het circadiaanse ritme van de mens waarover we het hebben in dit artikel.

Calculator

Het LRC heeft een excel bestand en een web-calculator beschikbaar gesteld om het circadiaanse effect (CS-waarde) en de circadiaanse lichtwaarde (CL_A) te bepalen van een aantal bekende spectra maar ook van een eigen gemeten spectrum.

In een paar stappen selecteer je het gewenste spectrum (hier is D65 daglicht gekozen), je kiest een verlichtingssterktewaarde verticaal ter hoogte van het oog (hier 500 lux), en dan wordt bij stap 3 resultaten bepaald of het een koude of warme lichtbron is (hier koud, te zien aan de blauwe lijn in de grafiek) en het spectrum zelf wordt getoond (hier dmv gele lijn aangegeven). De  CL_A en de CS waarde worden getoond (resp 779 en 0,492). Je kunt zelfs meerdere spectra bij elkaar voegen en ieder spectrum een eigen luxwaarde geven. Dan wordt van deze som het totaal berekend.

Je kunt eindeloos spelen met de luxwaarde en zien wat dat doet met de CS waarde. Weet dat een CS-waarde kleiner dan 0,1 weinig tot geen invloed heeft en hoger dan 0,3 invloed heeft op het circadiaanse ritme. Dit wel bij belichting gedurende 1 uur.

Er zijn twee links in het geheel opgenomen in de calculator die meer zeggen over de berekening ervan (document uit 2012) en daarop weer een corrigendum. Let wel, de calculator heeft toch weer (kleine) afwijkingen in de berekening tov de in deze documenten vermelde formules. De excelfile die ook te downloaden is die stamt uit eind 2017.

De calculator geeft ook uitleg over de parameters, zoals deze twee die we herhaaldelijk genoemd hebben:

Circadiaans licht (Eng: Circadian Light, CL_A) is de bestralingssterkte (Eng: irradiance) op het hoornvlies (Eng: cornea) gewogen op een manier die overeenkomt met de gevoeligheid van het menselijke circadiaanse systeem dat is gemeten als een acute melatonine onderdrukking na een 1 uur durende belichting.

Circadiaanse Stimulus (CS): is de berekende effectiviteit van de spectraal gewogen bestralingssterkte op het hoornvlies van drempelwaarde (CS=0,1) tot saturatie (CS=0,7), uitgaande van een vaste bestralingsduur van 1 uur.

Metingen door OliNo

Ik heb in een compleet meetverslag al de melanopische effectwaarde genoemd, zoals het eruit ziet is deze waarde alleen niet voldoende om het effect op het circadiaanse ritme te bepalen. Daartoe zou deze CS waarde meer informatie geven en ik zal deze informatie toevoegen aan het rapport. In de vorm van een tabel waarbij ik een aantal luxwaardes neem zoals die aan het oog gemeten zouden worden en welke CS waarde daar dan bijhoort. Ik neem een serie van oplopende luxwaardes zoals in de norm EN 12464-1 genoemd wordt als oplopende waardes die horen bij het kleinst subjectief merkbaar effect.

Referenties

Designing with Circadian Stimulus

Modelling the spectral sensitivity of the human circadian system

Web calculator voor CS en CL_a waarde

Quantifying Circadian Light and its Impact

Lighting for the body, not just for the eyes

Circadian light