2004 - Fachgebiet Lichttechnik

Transcription

Technische
Universität Berlin
Viertes Symposium
Licht und Gesundheit
Berlin, 26. und 27. Februar 2004
2
DGP
Deutsche
Gesellschaft
für Photobiologie
Technische
Universität Berlin
Viertes Symposium
Licht und Gesundheit
26. und 27. Februar 2004
Eine Sondertagung der TU Berlin und
der Deutschen Gesellschaft für Photobiologie
Mitveranstalter: BZPH, LiTG und DAfP
Herausgeber:
H. Kaase und F. Serick
Institut für Energie- und Automatisierungstechnik
Technische Universität Berlin
Einsteinufer 19, 10587 Berlin
Druck: Paul Kistmacher, Berlin
ISBN 3-9807635-0-1
Februar 2004
3
TAGUNGSBEIRAT
Prof. Dr. Angelika Anders (Hannover)
Prof. Dr. Malte Bühring (Berlin)
Dr. Peter Bocionek (Stuttgart)
Prof. Dr. Wolfgang Ehrenstein (Esslingen)
Prof. Dr. med. Wolfgang Friesdorf (Berlin)
Prof. Dr. Erhard Hölzle (Oldenburg)
Prof. Dr. Dr. Jürgen Kleinschmidt (München)
Dr. Rolfdieter Krause (Berlin)
Dipl.-Ing. Hans-Joachim Richter (Arnsberg)
FACHLICHE GESAMTLEITUNG
Prof. Dr. Heinrich Kaase
4
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
6
H. Kaase, F. Serick
Themenkomplex 1: Physikalisch-Technische Grundlagen
Wirkung von Licht auf den Menschen unter Berücksichtigung neuer
Bewertungsmaßstäbe, aus der Sicht eines Lampenherstellers
8
Werner Halbritter, Stéphan Müller, Alfred Wacker, Reinhard Weitzel, München
Zum Strahlungsklima der Erde
18
Eberhard Reimer, Berlin
Solarstrahlung und Tageslicht
24
S. Aydinli, H. Kaase, Berlin
Zertifizierung von Solarienbetrieben in Deutschland
35
M. Steinmetz, Oberschleißheim
Verfahren zur Solarienbewertung
41
Helmut Piazena, Berlin
Ehrensitzung für Prof. Dr. M. Bühring und Prof. Dr. H. Meffert
Kreislaufregulation und Umwelteinflüsse
72
R. Krause, Berlin
Protection of human cells by carotenoids
Fritz Böhm, Berlin
75
5
Themenkomplex 2: Psychologie/Ergonomie I
Management der Retinabelichtung (MRL)
77
Wolfgang Ehrenstein, Esslingen
Cirkadiane Wirksamkeit der Solarstrahlung
101
Helmut Piazena, Berlin
Die Messung circadianer Strahlungsgrößen
120
Dietrich Gall, Illmenau
Bewertungsgrößen für Lichttherapiegeräte
139
M. Yeni, H. Kaase, Berlin
Right Light for Productivity, Health and Well-being
at the Workplace
150
Gerrit van den Beld, Eindhoven
Themenkomplex 3: Photodermatologie
Photodynamische Therapie
164
Rolf-Markus Szeimies, Sigrid Karrer, Wolfgang Bäumler, Regensburg
Fluoreszenzdiagnostik von soliden Tumoren
173
Wolfgang Bäumler, Christoph Abels, Günther Ackermann, Regensburg
Wirkungen der Infrarotstrahlung auf den Menschen
181
Hans Meffert, Helmut Piazena, Berlin
Themenkomplex 4: Psychologie/Ergonomie II
Licht am Arbeitsplatz - aktuelle Entwicklungen aus Sicht der
Berufsgenossenschaften
Heinz R. Schmid, St. Augustin
192
6
Bürobeleuchtung – Überlegungen zur Standortbestimmung zwischen
Lichttechnik, Arbeitsmedizin und Gestaltung
194
Paul W. Schmits, Berlin
Psycho – physiologische Aspekte des Bühnenlichtes
204
Tadeusz Krzeszowiak, Wien
Abschlussvorträge
Biologic Effects of Light and Radiation:
Historical and New Perspectives
218
M. F. Holick, Boston/USA
Lichttherapie
224
Jürgen Zulley, Roland Popp, Regensburg
Posterbeiträge:
Einfache Messung der erythemwirksamen Bestrahlungsstärke für
280 ≤ λ ≤ 400 nm und für 320 < λ ≤ 400 nm
236
D. Kockott, H. Piazena, R. Sippel
Herzinfarkt und Farblichtanwendung
242
Harald Brost, Johannes Tebbe
Bio-Licht
Gesundes Licht
248
Gerold Kurz von Schmeling
Unterstützung der Pflege und Betreuung Demenzkranker durch
Lichtmanagement – eine Pilotstudie1
254
Michael Brach, Oskar Dierbach, Wolfgang Ehrenstein
Licht, Gesundheit und Bewusstsein
Maximilian Y. Schäfer
261
7
Vorwort
Anknüpfend an die drei vorangegangenen Symposien Licht und Gesundheit
befasst sich auch die vierte „Auflage“ mit den mannigfaltigen positiven und negativen
Wirkungen optischer Strahlung auf den Menschen. Als Mitveranstalter tritt erstmalig
die neu gegründete Deutsche Gesellschaft für Photobiologie in Erscheinung.
In diesem Konferenzband sind alle Beiträge zusammengestellt, die uns von den
Verfassern bis zum endgültigen Redaktionsschluss zugesandt wurden. Sie gliedern
sich in die Komplexe „Physikalisch-technische Grundlagen“, „Psychologie/Ergonomie
I und II“ und „Photodermatologie“, wofür wiederum namhafte Autoren als Hauptvortragende gewonnen werden konnten, ergänzt durch fünf Posterbeiträge.
Ein hoch aktueller Schwerpunkt ist die circadiane Wirkung von natürlichem und
künstlichem Licht, der inzwischen erste Erkenntnisumsetzungen insbesondere für
Schichtarbeitsplätze aber auch bei Lampenherstellern zeitigt.
Neben dem vom Auge wahrnehmbaren Licht spielen auch UV- und IR-Strahlung eine
zentrale Rolle. Sie werden nicht nur für therapeutische Zwecke genutzt, sondern ihre
ausgewogene Dosierung ist mit der Gesundheit und dem Wohlbefinden der in
Gebäuden Lebenden und Tätigen ebenso verknüpft wie deren Leistungsfähigkeit am
Arbeitsplatz. So werden neben den Gefahren zunehmend auch gesundheitsfördernde Effekte beschrieben, über die auf diesem Symposium ausführlich berichtet
wird.
Hervorgehoben werden sollen die beiden Vorträge, die den 65. Geburtstagen der
diese Symposien prägenden Professoren Malte Bühring und Hans Meffert gewidmet
sind. Außerdem ist es uns eine besondere Freude auf die Abschlussbeiträge von
Prof. Michael F. Holick aus Boston und Prof. Jürgen Zulley aus Regensburg
hinzuweisen.
H. Kaase
F. Serick
8
Wirkung von Licht auf den Menschen unter Berücksichtigung neuer
Bewertungsmaßstäbe, aus der Sicht eines Lampenherstellers
Werner Halbritter, Stéphan Müller, Alfred Wacker, Reinhard Weitzel
alle OSRAM GmbH, Hellabrunner Str.1, 81543 München
1 Mensch und Strahlung
Seit Beginn des neuen Jahrtausends wird die Diskussion über den Einfluss von Licht
auf den Menschen verstärkt geführt. Der Mensch als Individuum rückt in den
Mittelpunkt der Betrachtungen, zumal in den Industrieländern immer mehr
Leistungsfähigkeit und -bereitschaft vom Einzelnen erwartet wird.
Über Faktoren für den reinen Sehprozess, wie Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte,
Blendung, Farbwiedergabe ist in den letzten fünfzig Jahren intensiv geforscht,
diskutiert und publiziert worden. Entsprechende Ergebnisse sind in verschiedene
Normen für die Beleuchtung eingegangen. Über die konkrete Abhängigkeit von
Einwirkungsdauer, Intensität und Spektrum des Lichtes auf die Physiologie und
Psyche des Menschen liegen aber immer noch relativ wenig Erkenntnisse vor.
Solche Untersuchungen können nur mit sehr hohem Aufwand durchgeführt werden.
Nichtsdestoweniger wird in einigen jüngeren Veröffentlichungen klar gezeigt, welch
„mächtiges“ Werkzeug Licht sein kann, um das Wohlbefinden zu beeinflussen.
Unser Organismus bewegt sich etwa in einem 24h Rhythmus („Circadianer
Rhythmus“) mit Aktivität am Tag und Ruhephase in der Nacht. Licht synchronisiert
diesen Ablauf. Die „Lichtmeldung“ für die Steuerung der inneren Uhr erweist sich
auch beim Menschen als unabhängig von den bekannten helligkeits- und
farbempfindlichen Rezeptoren (Stäbchen und Zäpfchen), mit denen die Umwelt
„bildhaft“ erfasst wird.
Im Mittelpunkt stehen derzeit die Untersuchungen der von G. C. Brainard et al. [1]
und K. Thapan et al. [2] beschriebenen Effekte der „circadianen Photorezeptoren“.
Es konnte gezeigt werden, dass besonders Licht im Wellenlängenbereich von 430
nm bis 470 nm einen direkten Einfluss auf die Bildung des „Müdemacher Hormons“
Melatonin im menschlichen Körper hat.
9
Abbildungen 1 und 2 stellen neben den genormten Hellempfindlichkeitsfunktionen
V(λ) und V’(λ) auch eine von Gall vorgeschlagene, circadiane Wirkungskurve c(λ)
dar [3].
Abb. 1
Abb. 2
Ein „nicht zum Sehvorgang“ benutztes Photopigment in den Ganglionzellen der
Retina
ist
verantwortlich
für
die
Registrierung
dieses
blau
dominierten
Spektralanteils. Wird Licht von den speziellen Photorezeptoren registriert, leiten
Nervenbahnen (retinahypothalamischer Trakt – RHT) entsprechende Signale zum
„suprachiasmatischen Nukleus“, einer Nervenverdickung, die mit der Zirbeldrüse in
Verbindung steht. Die Zirbeldrüse unterdrückt dann ihre Melatonin-Produktion. Ist es
dagegen „dunkel“, läuft die Melatoninbildung auf vollen Touren und Schläfrigkeit ist
die Folge. Bereits verhältnismäßig geringe Beleuchtungsstärken im ermittelten
Spektralbereich scheinen zur Beeinflussung der Hormonbildung zu genügen. Trotz
laufender Untersuchungen über die Wirkung von „Blaulicht“ [4] gibt es noch keine
verwertbare Dosisangabe des „circadianen Blauanteils“ für Lampenentwicklungen.
Selbst unter Einhaltung aller heutigen Normen für „gute“ Beleuchtung können wir in
einer „biologischen Dunkelheit“ leben.
Durch die Erfindung des elektrischen Lichtes wird die auf naturgegebenen
Bedingungen beruhende innere Uhr des Menschen beeinflusst. In umfangreichen
Studien wird derzeit untersucht wie man durch angepasste, zeitveränderliche
Lichtszenarien das Wohlbefinden und die Motivation u. a. von Schichtarbeitern
verbessern
kann.
Erste
Ergebnisse
zeigen
eine
deutliche
Erhöhung
der
Leistungsbereitschaft, begleitet von positiven Einflüssen auf die Produktivität [5].
10
Speziell in der Autoindustrie werden solche Studien derzeit durchgeführt [6], die auch
Langzeiteffekte erfassen sollen.
Bereits seit langem ist vor allem die Heilwirkung des Lichtes bekannt bei Saisonal
Abhängiger Depression (SAD) in der „dunklen Jahreszeit“, bei Hautkrankheiten
(Neurodermitis, Psoriasis) und die Bedeutung für die Vitamin D Bildung. Also die
direkte Einwirkung auf unsere Gesundheit.
Durch
die
Einführung
von
Medikamenten,
vor
allem
von
Vitamin-
und
Hormonpräparaten, wurde die Lichttherapie ab den 30iger Jahren weitgehend
zurückgedrängt. Durch die in der Regel auftretenden Nebenwirkungen der
Arzneimittel, bzw. nur unvollständige Heilwirkung, erhielt der Einsatz von Licht in
diesem wichtigen Bereich der Medizin in den letzten Jahren wieder verstärkte
Aufmerksamkeit.
Über die direkte biologische Wirkung hinaus gibt es sicherlich aber auch den Einfluss
von Licht auf unsere Stimmung bzw. Gefühle. Die Ästhetik des Lichtes erhält einen
höheren Stellenwert. Stimmungen entstehen ganz unbewusst aufgrund von
Reaktionen auf unsere Umgebungsbedingungen. Von unseren Gefühlen hängt aber
ganz eindeutig unsere Leistungsfähigkeit ab: Höchstleistungen erbringen wir nur
wenn wir uns „glücklich bzw. zufrieden“ fühlen, Krankfühlen lähmt uns. Stimmungen
sind also ein wesentlicher Faktor für Wohlfühlen und damit für unsere Gesundheit.
Das Gesundheitsbewusstsein hat in den letzten Jahren immer stärker an Bedeutung
gewonnen. Wir versuchen bewusst unsere Umweltbedingungen aktiv so zu
gestalten, dass wir uns wohlfühlen.
Neben der Einflussnahme auf Klima und Architektur stellt die Art und Auslegung der
Beleuchtung einen weiteren Regelparameter dar.
Auch die „Deutsche Agenda Optische Technologien für das 21. Jahrhundert“ [7]
beschreibt die Notwendigkeit von „örtlicher und zeitlicher Veränderung von Intensität
und Farbe der Beleuchtung im Innenraum ..., auch unter Einbeziehung des
Tageslichtes“.
11
Licht kann aber auch negative Einflüsse auf den Menschen haben. So besitzt Licht
bevorzugt im Wellenlängenbereich von 380 bis 500 nm bei hoher Intensität die
Eigenschaft photochemische Prozesse im Auge auszulösen. Die als sogenannte
„Blue
Light
Hazard“
bekannte
Gefährdung
liegt
mit
ihrer
spektralen
Bewertungsfunktion sehr dicht an der spektralen Verteilung der circadianen
Wirkungsfunktion (Abb. 1 und 2). Die Strahlungsleistung und -verteilung von Lampen
ist also eine wichtige zu beachtende Komponente bei der Auslegung für die
Beleuchtung. Da die „Blaulichtgefährdung“ jedoch als eine leuchtdichteabhängige
Größe zu bewerten ist, tritt bei den heute üblichen Beleuchtungssituationen in der
Allgemeinbeleuchtung bislang keine bekannte Gefährdung auf. Selbst natürliche
Sonnenstrahlung birgt Risiken und führt bei einer erhöhten Dosis zu irreparablen
Schäden.
Die Geschichte des Menschen dauert bereits etwa 500.000 Jahre, von denen die
überwiegende Zeit durch natürliches Licht gesteuert wurde. Sonne und Feuer waren
die Referenz. Unsere künstliche, „elektrische Lichtwelt“, erst gute 100 Jahre alt,
muss sich mehr an diesem Vorbild orientieren und verstehen lernen wie man
optimale Voraussetzungen für gesundes Wohlfühlen unter den verschiedensten
Randbedingungen schafft. Anpassen und Einbeziehen natürlicher Gegebenheiten
ohne zu schädigen und ein angenehmes Lichtklima schaffen, das ist die Aufgabe.
Lichtqualität darf sich in Zukunft nicht nur mit den Fragen nach Effizienz,
Maintenance, Umweltfreundlichkeit beschäftigen, sondern muss auch Aspekte wie
zeitlicher Verlauf von Farbe, individuelles Wohlfühlen, Stimmung und Komfort, sowie
Gesundheit und Sicherheit berücksichtigen. Diese sozialen und gesundheitlichen
Belange der Beleuchtung werden entscheidend sein für künftige Installationen.
Einen umfassenden Überblick über die wissenschaftlichen Aspekte zum Thema
„Licht und Gesundheit“ gibt eine Veröffentlichung der TU Ilmenau [8]. In diesem
Zusammenhang sei auch auf die erst kürzlich erschienene Studie „Licht und
Gesundheit für den arbeitenden Menschen“ der niederländischen Stiftung für
Beleuchtungszwecke, NSVV, hingewiesen [9].
12
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Konsequenzen, welche die jüngeren
wissenschaftlichen Erkenntnisse auf die Verwendung von künstlichen Lichtquellen
und die aktuelle Normungssituation haben können.
Dabei stellt sich auch die Frage ob überhaupt genug Ergebnisse vorliegen, um so
weitreichende Entscheidungen wie die Entwicklung neuer Lampenfamilien sinnvoll
treffen zu können?
Was kann also ein Lampenhersteller aufbauend auf der jetzigen Situation tun, um
den Weg zu einer besseren (Licht) Welt zu fördern?
2 Stand der Licht- und Beleuchtungstechnik in den Normen
Die Suche nach einer den Bedürfnissen entsprechenden Beleuchtungssituation wird
immer stärker in nationalen bzw. internationalen Richtlinien und Normen umgesetzt.
Hierbei wird sowohl versucht, eine den Sehaufgaben entsprechende Beleuchtung zu
schaffen, circadiane Effekte zu berücksichtigen und gleichzeitig auch die
wirtschaftlichste und umweltfreundlichste Lösung zu finden (z.B. EN 12464 [10]).
Die Entwicklung zu besserer Lichtqualität wird z.B. unterstrichen durch eine
Entwicklung in Australien. Hier werden nach letztem Stand Leuchtstofflampen mit
einem Farbwiedergabeindex kleiner 80 ab 2005 verboten sein. Dies ist eine
Entwicklung nicht nur in Richtung verbesserter Beleuchtungslösungen für den
Anwender, sondern gleichzeitig in Richtung von Lampen mit besserer Lichtstromund Farbstabilität über die Lebensdauer, sowie geringerem Energieverbrauch
(energy label Gruppe A) bei vergleichbarem Beleuchtungsniveau. Gleichzeitig wird in
Richtung
Umweltschutz
ein
positiver
Beitrag
geleistet,
da
mit
Dreibandenleuchtstoffen der Quecksilbergehalt der Leuchtstofflampen auf weniger
als 5 mg abgesenkt werden kann.
Ein wichtiger Schritt zur Erweiterung der Vorschriften für „gutes Licht“ in Europa ist in
der DIN EN 12464-1 unter Pkt. 4.6.2. die Feststellung: "Lampen mit einem
Farbwiedergabe-Index kleiner als 80 sollten in Innenräumen, in denen Menschen für
längere Zeit arbeiten oder sich aufhalten, nicht verwendet werden. Ausnahmen
13
davon sind möglich bei bestimmten örtlichen Gegebenheiten und/oder Tätigkeiten
(z.B. in hohen Hallen), jedoch sind geeignete Maßnahmen zu ergreifen, damit an
festen ständig besetzten Arbeitsplätzen und dort, wo Sicherheitsfarben fehlerfrei
erkannt werden müssen, eine höhere Farbwiedergabe sichergestellt ist".
Zur Überarbeitung deutscher Normen wurde ein spezieller Arbeitskreis der DIN im
„Fachausschuss Normen Lichttechnik“, FNL 7 unter Leitung von Kaase gebildet, der
sich mit den Einflüssen der o.a. circadianen Effekte beschäftigt.
Die neuen Aspekte zur Bewertung der Beleuchtung erfordern nicht nur die
Betrachtung nach Lichtmenge und Farbwiedergabe, sondern insbesondere auch
eine Bewertung im Verhältnis zum natürlichen Licht, das sich im Laufe des Tages
bezüglich Spektrum, Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke ändert und damit die
täglichen Funktionsabläufe des Menschen, wie schon seit etwa 500.000 Jahren
beeinflusst.
3 Stand der Lampentechnologie
Erste Untersuchungen an z. Zt. gefertigten und im Markt vorhanden Lichtquellen
sollen zeigen, wie der derzeitige Stand der Lampentechnologie in Bezug auf o.a.
Lichtparameter zu sehen ist.
Gall [3] hat einen Vorschlag erarbeitet wie man die circadianen Lichtgrößen analog
zu anderen lichttechnischen Größen, auch messtechnisch erfassen kann. Es wird ein
Verhältnis aus „circadian“ und photopisch (V(λ)) bewerteter Strahlung gebildet.
780 nm
∫ E λ ⋅ c ( λ ) ⋅ dλ
e
Circadianer Wirkungsfaktor:
a
cv
=
380 nm
780 nm
∫ E λ ⋅ V ( λ ) ⋅ dλ
e
380 nm
;
14
Nach eigenen, derzeitigen Einschätzungen können unter Berücksichtigung des acv
bestimmte Situationen und Tätigkeiten in 3 Bereiche eingeteilt werden:
Circadianer
Situation / Tätigkeit
Lichtfarbe
Wirkungsfaktor
Stille Stunden, Entspannen, aber auch für nicht
< 0,4
warmweiss
0,3 – 0,8
neutralweiss
> 0,7
tageslichtweiss
professionelle Anwendungen im Privatbereich
Büro, Industrie, Straßenbeleuchtung, Geschäfte,
Märkte, Märkte bei erhöhten Anforderungen
Für optimale Arbeitskonzentration und Wohlfühlen in
Verbindung mit hohen Sehanforderungen, Therapie
Bewertet man nun die auf dem Markt befindlichen Lichtquellen ergibt sich folgendes
Bild.
Anteil der Strahlungsleistung im "Sichtbaren" (380...780nm) bezogen auf die aufgenommene elektrische Leistung:
50
2000K
Warmweiss
< 3300K
45
40
Strahlungsausb. im sichtb. Bereich [%]
3000K
4000K
5000K
6000K
Neutralweiss
3300 - 5300K
8000K
HCI-NDL
35
HCI-WDL
> 6500K
in Leuchten kombinierbare, verfügbare
Lampen, mögliche Neuentwicklungen
HQI-D
30
F
e
u
e
r
25
20
15
LLwarmweiss
bedeutet ein ausgewogenes Verhältnis an
circadian (c(λ)) bewerteter Strahlung und
V(λ) bewerteter Strahlung
Glühlampen
0.3
0.4
0.5
0.6
b
l
a
u
e
r
H
i
m
m
e
l
acv= 1
0.2
>25000K
LL-tageslichtweiss
LLneutralweiss
HQL
10
5
0.1
20000K
Tageslichtweiss
> 5300K
S
o
n
n
e
NAV
10000K
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Circadianer Wirkungsfaktor acv : (Verhältnis aus circadian (c( λ) ) bewerteter Strahlung zu V( λ) bewerteter Strahlung
HCI / HQI: Metallhalogenidlampe mit Keramik- bzw. Quarzbrenner; WDL / NDL / D: warmweiss / neutralweiss / tageslichtweiss
LL: Leuchtstofflampen; NAV: Natriumhochdrucklampe; HQL: Quecksilberdampf Hochdrucklampe mit Leuchtstoffaussenkolben
Abb. 3
Es wird deutlich, dass mit steigender Farbtemperatur und dem damit verbundenen
„Blauanteil“ in den Lampenspektren der circadiane Wirkungsfaktor acv ansteigt.
15
Ein ausgewogenes Verhältnis zwischen circadianer Wirkung und photopischem
Hellempfinden liefert dabei ein übliches Tageslichtspektrum von ca. 6000K
Farbtemperatur. Warm- und neutralweisse Farbtemperaturen liefern hingegen einen
Wirkungsfaktor acv < 1.
Es fällt auf, dass die heute in der Praxis üblichen, künstlichen Lichtquellen nur den
Bereich bis 6500 K bedienen, ein Wirkungsfaktor acv > 1 mit verfügbaren Lampen
aber noch kaum abgedeckt ist. In der Natur sind jedoch beim blauen Himmel
Farbtemperaturen von 10.000 K – 20.000 K durchaus üblich.
Als Ergebnis der Untersuchung ist klar zu erkennen, dass in der Vergangenheit die
Lichtquellen nur bzgl. der direkt visuell wahrnehmbaren Eigenschaften entwickelt
wurden. Als Lampenhersteller sind wir allerdings heute in der Lage verschiedenste
Lichtspektren anzubieten, die als Referenz für weitere (Langzeit-) Studien genutzt
werden können. Auch die Einbeziehung des Einflusses kurzwelliger (blauer)
Strahlungsanteile stellt kein grundsätzliches Problem dar.
Lampensysteme mit intelligenten, elektronischen Steuerungen bieten hier eine breite
Palette an Möglichkeiten.
Für die Entwicklung konkreter neuer Lichtquellen, die o.a. Effekte der Lichteinwirkung
auf den Menschen berücksichtigen, sehen wir allerdings die Notwendigkeit zur
Klärung so kritischer Fragen wie die anwendungsbezogene Einstellung der richtigen
Intensität
und
des
Farb-Spektrums
des
eingesetzten
Lichtes
über
einen
dynamischen Nutzungszeitraum. Welche Empfindungen löst man mit welchen
Lichteinstrahlungen aus? Gibt es negative Nebeneffekte auf den Organismus des
Menschen bei längerer Einwirkung der Strahlung (Langzeiteffekte)?
Wie
berücksichtige ich das Tageslicht auf geeignete Weise beim Lichtdesign. Welche
Freiheiten muss ich dem Nutzer bei der Einstellung seiner „Lichtumgebung“ geben?
Hier ist noch ein weites Feld für intensive Studienarbeiten. So faszinierend Licht ist,
so unverstanden sind immer noch seine Wirkungen auf den Menschen im Detail.
16
4 Zusammenfassung
Neue Studien im Bereich der Lichteinwirkung auf den Menschen haben viele neue
Fragen
aufgeworfen.
Zur
Beantwortung
dieser
Frage
können
wir
als
Lampenhersteller einen wichtigen Beitrag leisten. Bereits heute steht ein breites
Sortiment an Lichtquellen und elektronischen Steuerungen auf der Grundlage hohen
technologischen Know Hows zur Verfügung, die wir als Referenz für weitere
gemeinsame Untersuchungen mit Wissenschaftlern aus dem Bereich der Medizin,
Chronobiologie und Psychologie zur Verfügung stellen können. Es ist jetzt Aufgabe
dieser Wissenschaften, die begonnenen Studien konsequent weiterzuführen und die
Aufgabenstellung für die Forschung und Entwicklung neuer Lampen- und
Leuchtensysteme zu formulieren.
Parallel zu diesen Arbeiten wird derzeit durch die Lampenindustrie geprüft, wie durch
den Einsatz modernster Lichterzeugungsmethoden wie der LED, die Generierung
geeigneter, flexibler Beleuchtungsanlagen beschleunigt werden kann.
Licht hat die Entwicklung des Menschen geprägt. Wir müssen die Einflussfaktoren im
Detail verstehen lernen und dies in künstlichen Lichtquellen zum Wohle des
Menschen nutzen.
Literatur
[1]
Brainard, G.C. et al., Action Spectrum for melatonin regulation in humans:
evidence for a novel circadian photoreceptor. Journal of Neuroscience,
15 August 2001, 21(16); 6405 – 6412
[2]
Thapan, K. et al., An action spectrum for melatonin suppression: evidence for
a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans. Journal of
Physiology, 2001, 535.1: 261 - 267
[3]
Gall, D., Circadiane Lichtgrößen und deren messtechnische Erfassung, Licht
7-8, 2002, 860 – 871
[4]
Schierz, Ch., Leben wir in der biologischen Dunkelheit?, Tagung Licht 2002,
Maastricht, Tagungsband, 381 – 389
17
[5]
Lange, H., „Handbuch für Beleuchtung“, SLG, LiTG, LTG, NSVV. 5. Auflage,
(1999)
[6]
Light for Vitality, Symposium, 7.Nov. 2003 in Dresden
[7]
Deutsche Agenda Optische Technologien für das 21. Jahrhundert, Mai 2000,
ISBN 3-00-006083-9, 43 – 49
[8]
Fisch, Licht und Gesundheit, Das Leben mit optischer Strahlung,
Literaturrecherche März 2000
[9]
NSVV-Kommission Licht und Gesundheit, Licht und Gesundheit für arbeitende
Menschen, Nov. 2003
[10]
DIN EN 12464-1 Licht und Beleuchtung - Beleuchtung von Arbeitsstätten - Teil
1: Arbeitsstätte in Innenräumen, März 2003.
18
Zum Strahlungsklima der Erde
Eberhard Reimer
Institut für Meteorologie, Freie Universität Berlin
Die Sonne sendet ein breites Spektrum elektromagnetischer Strahlung aus, das sich
vom extremen Ultraviolett bis hin zu den Infrarotstrahlen erstreckt. Der Großteil der
Energie entfällt dabei auf den sichtbaren und den infraroten Bereich.
Abb. 1:
Spektrale Zusammensetzung der Sonnenstrahlung
Die Strahlungsenergie stellt die fundamentale Energiequelle für unser Klimasystem
dar. Die Wirkung auf unser Klimageschehen und die damit verbundenen Prozesse
und Wechselwirkungen sind von unmittelbarem Interesse.
19
Abb. 2:
Atmosphärische Durchlässigkeit der Sonnenstrahlung
Beim Transport der Strahlung durch die Atmosphäre bis zur Erdoberfläche treten
Einflüsse auf, die die Strahlungsenergie in Abhängigkeit von der Wellenlänge
verändern. Durch Absorbtion, Streuung und Reflexion werden komplexe Reaktionen
hervorgerufen, die unser Klimasystem stark beeinflussen (Abb. 2).
Neben der räumlichen Abhängigkeit, die bereits durch den Gang der Erde um die
Sonne gegeben ist, ergeben sich durch die vertikale Verteilung der gasförmigen,
flüssigen und festen Bestandteile der Luft sehr variable Einflüsse, die auch von den
kurzfristigen Wetterbedingungen stark abhängen.
In der Abb. 3 ist eine generelle Übersicht über die globale Bilanz gegeben. Dabei
geht man von einem Gleichgewicht der importierten und der exportierten Energie
aus.
Dabei sind neben der langwelligen Ausstrahlung der Erdatmosphäre und der
Oberfläche
auch
strahlungsmäßig
aktive
Substanzen,
wie
Ozon,
Methan,
Kohlendioxid, elementarer Kohlenstoff und Aerosole wichtig. Besonderen Einfluss
hat die Wolkenbildung, die besonders in den unteren 10 km der Atmosphäre
(Troposphäre) durch Absorbtion, Ausstrahlung und besonders auch durch Reflexion
einwirken.
20
Abb. 3:
Allgemeine Bilanz der Strahlungsenergie im Klimasystem
Die sich daraus ergebende, räumlich unterschiedliche Energiebilanz an der
Erdoberfläche führt zur typischen Wetterentwicklung, indem sich bei sehr starken
horizontalen Temperaturgradienten
Ausgleichsströmungen entwickeln, die wir als
Tiefdruck- und Hochdruckgebiete kennen.
Für die Klimaentwicklung ist jedoch die zeitliche Variation der verschiedenen
treibenden Faktoren wichtig, da der oben angenommene Gleichgewichtszustand
exakt nicht besteht oder sich verändert.
So ist in den letzten 100 Jahren eine stark zunehmende antropogene Veränderung
der Zusammensetzung der Atmosphäre zu beobachten. Unter Einbeziehung der
natürlichen Variabilität des Klimageschehens besteht ein unmittelbarer Bedarf an der
Abschätzung der möglichen Auswirkungen in den nächsten Jahrzehnten.
Zu diesem Zwecke wird neben der Untersuchung verschiedenster Klimafaktoren
auch die natürliche Variabilität der Sonnenstrahlung und der damit verbundenen
21
Prozesse an historischen Messungen und Ereignissen verfolgt. Anhand von
Klimamodellen wird für vergangene Klimate, z.B. vor zwanzigtausend Jahren oder für
die letzten 1000 Jahre, versucht, das Zusammenspiel des Systems Atmosphäre,
Ozean, Boden zu verstehen.
Hier zeigt sich durch Rekonstruktion der Planetenstellung und Sonnenaktivität, dass
die Strahlungsenergie der Sonne sehr großen Veränderungen unterlag und ein
entsprechend starker Einfluss auf die Eisbedeckung und die Vegetationsentwicklung
bestand. Anhand zahlreicher Messungen an z.B. Pflanzenfunden und Eisbohrkernen
lässt sich eine generelle, globale Klimarekonstruktion durchführen.
Von besonderem Interesse ist die Abschätzung der Auswirkung des industriellen
Zeitalters auf das augenblickliche Klimageschehen, also der Abschnitt der letzten
300 Jahre.
Z.Zt. lassen sich verschiedene Faktoren nennen, die in den Strahlungshaushalt der
letzen Jahrhunderte eingriffen:
-
Für die globale, positive Bilanz mit bis zu 2,5 Watt/m² in den letzten 250 Jahren
werden wesentlich die Zunahmen von CO2, Methan, troposphärischem Ozon und
elementarem Kohlenstoff genannt.
-
Negative Beiträge zur Bilanz resultieren aus der Anreicherung von Aerosolen,
Partikeln aus Waldbränden und in indirekter Form auch aus einer stärkeren
Wolkenbildung, die sehr komplex von dem jeweiligen Aerosolaufkommen beeinflusst
wird.
Im Interesse der Forschung stehen in diesem Zusammenhang auch (als
Auswirkungen der Langstreckenflüge) Stoffe die die Bildung hoher Wolken, Cirren
und Kondenzstreifen beeinflussen und so durch Reflexion die Einstrahlung der
Sonne reduzieren können.
Die Variabilität des stratosphärischen Ozons zeigt in diesen Abschätzungen nur
geringen Einfluss auf die globale Strahlungsbilanz, obwohl die UVB-Strahlung sehr
stark von den beobachteten Veränderungen der winterlichen, stratosphärischen
Ozonschicht abhängen.
22
Die Ultraviolette (UV) Strahlung kennzeichnet jenen Teil des elektromagnetischen
Spektrums zwischen Röntgenstrahlung und sichtbarem Licht. Der UV-Bereich lässt
sich je nach Wellenlänge in drei Gruppen unterteilen:
UV-C von 100 nm – 280 nm
UV-B von 280 nm – 315 nm
UV-A von 315 nm – 380 nm
Dabei gilt, je kürzer die Wellenlänge, desto energiereicher ist die Strahlung.
Abb. 4:
UV-Strahlung
Obwohl der im Wesentlichen stratosphärische Ozonanteil in der Atmosphäre nur
sehr gering ist, typischerweise nur einige Moleküle Ozon pro 1 Million Luftmoleküle,
so reicht diese Menge aus, um beinahe die gesamte UV- Strahlung (UV-C und UV-B)
zu absorbieren und so das Leben auf der Erde zu schützen.
-
Der Ozon- und der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre bewirken, dass der
UV-C Anteil der Sonnenstrahlung als ganzes absorbiert wird und nicht bis zur
Erdoberfläche durchdringt.
-
Die UV-B Strahlung wird zu einem Großteil absorbiert, nur ein geringer Anteil
von wenigen Prozent erreicht dennoch den Erdboden.
23
-
UV-A wird nur geringfügig durch Ozon beeinflusst und kann beinahe
ungehindert bis zum Erdboden vordringen.
Der bis zum Erdboden gelangende Teil der UV-B Strahlung beeinflusst allerdings
eine Reihe von troposphärischen Spurenstoffen, die im Ozonkreislauf und bei der
Bildung von Aerosolen relevant sind. Dazu gehören Stickstoffdioxid, einige
Kohlenstoffverbindungen und sog. Radikale.
Eine Veränderung in der UV-B Strahlung durch antropogene Einflüsse ist in den
letzten 50 Jahren in Europa gegeben. So wird z.B. in Europa von 1930 bis 1990 in
den Sommermonaten eine Reduktion der UV-B Dosis von mindestens 2 bis 10%
angenommen, die durch Verkehrs- und Industrieentwicklung hervorgerufen wurde.
Durch die Verringerung des stratosphärischen Ozons in den letzten 20 Jahren wird
diese Entwicklung in Europa gebietsweise umgekehrt und in einer Abschätzung in
Westeuropa bald wieder den Stand von 1930 erreichen.
Abschließend ist zu bemerken, dass die Auswirkung antropogener Emissionen auf
die Strahlungsbilanz zu sehr differenzierten Reaktionen führt und sich der natürlichen
Variabilität überlagert. Daher ist eine Abschätzung des antropogenen Einflusses auf
die lokale zukünftige Klimaentwicklungen schwierig.
Literatur
IPCC, Climate Change 2001, The Scientific Basis
Cambridge, University Press
Guicherit, R. et al., 2001.
Surface Ultraviolet Levels; Prediction and History from Atmospheric Trends
over Europe SULPHATE. USB-2 report 00-15, Netherlands.
Beer, J. et al., 2000.
The role of the sun in climate forcing.
Quarternary Science Reviews 19, 403-415
Bard, E., et al., 1999
Solar irradiance during the last 1200 years based on the cosmogenic nuclides.
Tellus, 52B, 985-992
24
Solarstrahlung und Tageslicht
S. Aydinli, H. Kaase
Fachgebiet Lichttechnik, Sekr. E6
Technische Universität Berlin
[email protected]
http://www.lichttechnik.tu-berlin.de
1 Einleitung
Nach der Entwicklung von Leuchtstofflampen hat man in den 50er und 60er Jahren
versucht, Innenräume ausschließlich mit Kunstlicht zu beleuchten. So entstanden zu
dieser Zeit fensterlose Gebäude.
Erst anfangs der 70er Jahre wurde ausgelöst durch die Energiekrise die
Tageslichtnutzung in Gebäuden wieder entdeckt.
Seit 20 Jahren ist in der
Innenraumbeleuchtung ein Umdenkprozess zu beobachten: Kunstlichtbeleuchtung
wird mit Tageslichtbeleuchtung kombiniert. Die Begründung liegt zum einen in
energieeffizienten Aspekten (Tageslicht steht bis zu 90 % der jährlichen Arbeitzeiten
zur
Verfügung)
zum
anderen
werden
die
Dynamik
in
Farbe
und
im
Beleuchtungsniveau ausgenutzt.
Ein weiterer Gesichtspunkt bezieht sich auf die photobiologische Wirkung des
Tageslichtes; danach ist eine ausreichende Belichtung (Beleuchtungsstärke x Zeit)
für das Wohlbefinden erforderlich. Dieser Wert wird für arbeitende Menschen in
Gebäuden insbesondere in tageslichtarmen Jahreszeiten nicht ohne weiteres
erreicht. Zur Behandlung von Lichtmangelkrankheiten werden Beleuchtungsstärken
2500 lx bis 10000 lx bei einer Belichtung von 5000 lxh empfohlen. Es fehlen jedoch
Angaben über die Leuchtdichte [1].
Die Aufenthaltsqualität in Innenräumen wird durch die natürliche Beleuchtung
beeinflußt. Eine Ausreichende Sichtverbindung nach außen sowie ein angenehmes
Helligkeitsniveau am Tage werden in Verordnungen [2] vorgeschrieben bzw. in
Normen [3] empfohlen.
25
Tageslicht
hat
allerdings
auch
störende
Wirkungen
(wie
Strahlungs-
und
Wärmebelastung sowie Blendwirkung) zur Folge. Zur Begrenzung dieser Wirkungen
wird versucht, in Normen und Richtlinien Empfehlungen für Grenzwerte festzulegen.
So werden nach DIN E 5035 Teil 7 [4] durch Fenster gesehene Leuchtdichten mit L
> 4000 cd/m2 als störend empfunden. Solche Festlegungen beruhen meist auf
Erfahrungswerten, die allerdings nicht genügend abgesichert sind.
Für die Optimierung von Lichttherapiegeräten und Beleuchtungsanlagen ist die
Kenntnis bewerteter Leuchtdichten, Beleuchtungs- und Bestrahlungsstärken sowie
ein Vergleich mit natürlichem Licht bei verschiedenen Himmelszuständen im Freien
und im Innenraum hilfsreich.
2 Photometrische Größen des klaren Himmels
Klarer Himmel entspricht dem wolkenlosen Himmelszustand, für den die relative
Leuchtdichteverteilung nach CIE [5,6] festgelegt ist. Die Beleuchtungs- und
Bestrahlungsstärken in vorgegebenen Ebenen der Erdoberfläche sind von der
atmosphärischen Trübung und vom Sonnenhöhenwinkel abhängig [7]. Die mittleren
monatlichen Werte der atmosphärischen Trübung für Deutschland sind in [7]
angegeben.
In Bild 1 sind die horizontalen Beleuchtungsstärken durch direkte Sonnenstrahlung
und die Beleuchtungsstärken auf einer zur Sonne gewandten vertikalen Fläche durch
die Sonne für verschiedene Trübungsfaktoren TL dargestellt.
26
ESh für
TL = 4
TL = 5
TL = 6
ESv für
TL = 4
TL = 5
Bild 1: Horizontale (ESh) und vertikale (ESv) Sonnenbeleuchtungsstärken
für verschiedene TrübungsfaktorenTL
Im
Bild
2
sind
Werte
der
horizontalen
Beleuchtungsstärken
bei
klarem
Himmelszustand und Werte der Beleuchtungsstärke auf einer von der Sonne
abgewandten vertikalen Fläche bei klarem Himmelszustand dargestellt. Parameter:
Trübungsfaktor TL.
Die CIE hat relative Leuchtdichteverteilung von 15 verschiedenen Himmelszuständen
angegeben [6]. Aus diesen Werten lässt sich die absolute Leuchtdichteverteilung bei
klarem Himmel und bei bekannten horizontalen Beleuchtungsstärken ermitteln. In
den Bildern 3a und 3b sind die Leuchtdichteverteilungen des klaren Himmels für
folgende Parameter dargestellt:
Sonnenhöhe:
60°
30°
Trübungsfaktor:
6,4 (Juni)
4,3 (Oktober)
CIE Himmel Nr.:
12 (hohe Trübung)
13 (geringe Trübung)
27
EHh für
TL = 6
TL = 5
TL = 4
EHv für
TL = 6
TL = 5
Bild 2: Horizontale EHh und vertikale EHv Beleuchtungsstärken durch den
klaren Himmel für verschiedene Trübungsfaktoren
cd/m2
Bild 3a: Leuchtdichteverteilung des klaren Himmels. Parameter: Sonnenhöhenwinkel
γ = 60°; Trübungsfaktor TL= 6,4
28
cd/m2
Bild 3b: Leuchtdichteverteilung des klaren Himmels. Parameter:
Sonnenhöhenwinkel γ = 30°; Trübungsfaktor TL= 4,3
Die mittlere Leuchtdichte der Sonne hängt von der Sonnenhöhe und von der
atmosphärischen Trübung ab. Sie liegt bei einem Sonnenhöhenwinkel von 60° und
Trübungsfaktoren TL = 3,5 bis 6 zwischen 1,5⋅109 und 1,0⋅109 cd/m2.
3 Photometrische Größen des Himmels bei vollkommen
bedecktem Himmelszustand
Der vollkommen bedeckte Himmel ist im Sinne der Tageslichttechnik durch einen
gleichmäßig bewölkten Himmel festgelegt. Die relative Leuchtdichteverteilung des
bedeckten Himmels ist rotationssymmetrisch und wird durch die CIE beschrieben [8].
Dabei ändert sich die spektrale Verteilung der Himmelsleuchtdichte mit der
Sonnenhöhe kaum: Die ähnlichste Farbtemperatur Tcp liegt zwischen 6020 K und
6050 K [9].
Die horizontale und die vertikale Beleuchtungsstärke, die durch den vollständig
bedeckten Himmel erzeugt wird, hängen von der Sonnehöhe ab (Bild 4). Die
29
Leuchtdichteverteilung des bedeckten Himmels ist im Bild 5 für verschiedene
Sonnenhöhenwinkel des betrachteten Punktes über dem Horizont dargestellt.
25000
Eh
20000
E / lx
15000
10000
Ev
5000
0
0
15
30
45
60
75
90
γ in °
Bild 4: Horizontale (Eh) und vertikale(Ev) Beleuchtungsstärke bei vollkommen
bedecktem Himmel im Freien als Funktion vom Sonnenhöhenwinkel γ
10000
Sonnenhöhe:
60°
7500
L / cd/m2
45°
5000
30°
2500
15°
0
0
15
30
45
60
75
γ in °
Bild 5: Leuchtdichteverteilung des bedeckten Himmels für verschiedene
Sonnenhöhenwinkel γ
90
30
4 Der mittlere Himmel
Vollkommen bedeckte und klare Himmelszustände sind idealisierte Vorstellungen,
die in der Praxis nur selten auftreten. Für langfristige Betrachtungen müssen deshalb
über eine mehrjährige Zeitspanne erfasste Mittelwerte berücksichtigt werden. Diese
können auf der Grundlage der örtlichen Sonnenscheinwahrscheinlichkeit SSW [10]
berechnet werden. Die auftretenden Beleuchtungsstärken und Leuchtdichten sind
dann u. a. von der SSW abhängig. Sie sind i. A. größer als die bei bedecktem bzw.
bei klarem Himmelszustand.
Bild 6 zeigt die horizontalen und vertikalen Beleuchtungsstärken als Funktion der
Sonnenhöhe für drei Trübungsfaktoren (TL = 4, 5 und 6) und für SSW = 50%.
In den Bildern 7 und 8 sind die Leuchtdichteverteilungen des mittleren Himmels für
folgende Parameter angegeben:
SSW:
50 %
50%
Sonnenhöhe:
60°
30°
Trübungsfaktor: 6,4 (Juni)
4,3 (Oktober)
CIE Himmel Nr.: 9
(teilweise bewölkter Himmel mit bedeckter Sonnenkrone)
Ehm
TL=6
TL=5
Evm
TL=6
TL=5
γ in °
Bild 6: Horizontale (Ehm) und vertikale(Evm) Beleuchtungsstärke bei mittlerem
Himmel im Freien als Funktion des Sonnenhöhenwinkels γ
31
cd/m2
Bild 7: Leuchtdichteverteilung des teilweise bewölkten Himmels.
Sonnenhöhenwinkel γ = 60° und bei SSW = 50%
cd/m2
Bild 8: Leuchtdichteverteilung des teilweise bewölkten Himmels.
Sonnenhöhenwinkel γ = 30° und bei SSW = 50%
32
5 Zusammenfassung
In der Tabelle 1 sind Werte der horizontalen (Eh) und vertikalen (Ev)
Beleuchtungsstärke
bei
unterschiedlichen
Himmelszuständen
Sonnenhöhenwinkel γ dargestellt. In Tabelle 2 sind
Leuchtdichten
bei
drei
Höhenwinkeln
über
dem
für
zwei
die entsprechenden
Horizont
und
bei
einer
Azimutwinkeldifferenz zur Sonne von 180° angegeben.
Tabelle 1: Horizontale und vertikale Beleuchtungsstärken bei unterschiedlichen
Sonnenhöhenwinkel
Sonnenhöhenwinkel
30°
60°
Eh / klx
11
18,5
Ev / klx
4,3
7,3
Eh / klx
15
25
Ev / klx
5
6
Eh / klx
20
34
Ev / klx
7
10
Bedeckter Himmelszustand
Klarer Himmelszustand
Mittlerer Himmelszustand
33
Tabelle 2: Himmelsleuchtdichten bei unterschiedlichen Sonnenhöhenwinkeln und
Höhenwinkeln über Horizont
Sonnenhöhe
30°
60°
Höhenwinkel / °
Höhenwinkel / °
15°
30°
60°
15°
30°
60°
1900
2900
4100
3200
5000
7000
5000
3000
1800
6000
4000
3800
6800
5000
4000
10000
8500
7500
Bedeckter Himmelszustand
L / cd/m2
Klarer Himmelszustand
L / cd/m2
Mittlerer Himmelszustand
L / cd/m2
Bei mittlerem Himmelszustand ist die Himmelsleuchtdichte fast immer größer als
4000
cd/m2.
Aber
Himmelsleuchtdichten
auch
größer
bei
als
bedecktem
4000
cd/m2
Himmelszustand
(insbesondere
können
bei
hohen
Sonnenhöhen) vorkommen. Bei klarem Himmelszustand ist die Leuchtdichte gerade
am Horizont fast immer größer als 4000 cd/m2. In diesen Fällen wäre dann eine
Blendschutzeinrichtung notwendig. Es ist jedoch noch zu bemerken, dass die
ermittelten Beleuchtungsstärken und Leuchtdichten mittlere Werte mit einer
Summenhäufigkeit von ca. 50% sind [11,12]. Höhere Werte (z. B. 1,25 und 1,5 x
mittlere Werte) können mit Summenhäufigkeiten von 25% bzw. 10% auftreten.
Literatur
[1]
Biologische Rhythmen uns Schlaf, Lichttherapie
Roderer Verlag, 1999; Regensburg, ISBN 3-89783-020-5
ed. Zulley, J., Wirz-Justice, A.
[2]
Arbeitsstättenverordnung, ArbStättV
[3]
DIN 5034 “Tageslicht in Innenräumen”,
Teil 1 “Allgemeine Anforderungen“, 1999
34
[4]
DIN 5035 “Beleuchtung mit künstlichem Licht”,
Teil 7 “Beleuchtung von Räumen mit Bildschirm-arbeitsplätzen“,
Entwurf, 2001
[5]
CIE Publ. Nr 20, Standardization of Luminance
Distribution on Clear skies, 1973
[6]
CIE Standard S 011/E:2003, Spatial Distribution of
Daylight – CIE Standard General Sky
[7]
DIN 5034 “Tageslicht in Innenräumen”,
Teil 2 “Grundlagen“, 1985
[8]
CIE Committee E-3.2, Natural Daylight
Official Recommendations Compte Rendu
13. Sitzung, Bd. 2, Paris 1955
[9]
Krochmann J., Seidl M.: Quantitative Data on Daylight for Illuminating
Engineering, Lighting Research and Technology, Vol. 6 No. 3 (1974)
[10]
DIN 4710, Statistiken meteorologischer Daten zur Berechnung des
Energiebedarfs von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen, 2002.
[11]
Aydinli S., Wittig W., Statistische Bewertung von Strahlungs- und Tageslichtdaten für den bedeckten Himmel, Proc. 2., VI. Lux Europa, Budapest, 1989
[12]
Alonistiotis C., Aydinli S., Kaase H.,
Statistische Bewertung von
Strahlungs- und Tageslichtdaten bei klarem und mittlerem Himmel,
LICHT’94, Interlaken, 1994
35
Zertifizierung von Solarienbetrieben in Deutschland
M. Steinmetz, BfS
1 Einleitung
In den letzten Jahren ist in Deutschland eine zunehmende Nutzung künstlicher
Strahlung zu kosmetischen Zwecken (wie z.B. Bräunung) zu beobachten. Bei einem
Bestand von ca. 7.500 Solarienbetrieben setzt sich schätzungsweise im Mittel jeder
Bundesbürger 2-3 mal jährlich einer Bestrahlung im Solarium aus, manche
Bundesbürger sogar täglich. Infolge der damit verbundenen Zunahme der UVExposition
der
Bevölkerung
wird
eine
Zunahme
der
UV-bedingten
Gesundheitsschäden erwartet. Dies hat auch die Strahlenschutzkommission (SSK) in
ihrer Empfehlung vom 8. Juni 2001 festgestellt [1,2].
Überdies zeigten stichprobenartige Testmessungen unterschiedlicher Institutionen
wiederholt gravierende Mängel in Solarienbetrieben. Dies betraf insbesondere
überhöhte und unkontrollierte Emissionen der Geräte, schlechte Hygiene, nicht
ausreichend ausgebildetes Personal und fehlende Verbraucherinformationen. Ein
Großteil der Geräte verfügte über Bestrahlungswerte, die weit höher sind als die der
Sonne am Äquator [3].
Zur Reduzierung der gesundheitlichen Gefahren durch die Nutzung künstlicher UVStrahlung haben das BfS [4] und andere Organisationen wie z.B. die SSK oder die
Arbeitsgemeinschaft
Dermatologische
Prävention
und
Deutsche
Krebshilfe
zahlreiche Informationskampagnen für die Verbraucherinnen und Verbraucher
durchgeführt [5,6]. Die bisherigen Erfolge blieben jedoch eher bescheiden. Die
Hautbräune wird nach wie vor als Zeichen für Jugendlichkeit, Sportlichkeit und
Gesundheit gesehen.
Einige europäische Länder wie Schweden, Norwegen, Finnland, Frankreich und
Spanien verfügen bereits über gesetzliche Vorschriften im Rahmen einer Verordnung
bzw. Genehmigungspflicht. Diese enthalten Begrenzungen der UV-Dosis, erlaubte
Gerätetypen,
teilweise
Zuwiderhandlungen.
Auf
auch
Inspektionen
freiwilliger
Basis
mit
können
Strafmaßnahmen
sich
in
bei
Luxemburg
Solarienbetreibe vom staatlichen Gesundheit zertifizieren lassen, in England gibt es
hierfür ein ”self practise conduct” (Selbstverpflichtung der Solarienbetreiber). In
Deutschland fehlt zur Zeit die Rechtsgrundlage für gesetzliche Vorschriften.
36
Im Januar 2002 hatte das BfS einen Runden Tisch Solarien (RTS) mit Teilnehmern
wissenschaftlicher
und
staatlicher
Institutionen
sowie
Vertretern
von
Solarienbetrieben und Solarienherstellern gegründet. Der RTS hatte das Ziel, auf
Basis der SSK-Empfehlung “Schutz des Menschen vor den Gefahren der UVStrahlung in Solarien” einheitliche Kriterien für einen Mindeststandard zum Schutz
der Kunden von Solarienbetrieben festzulegen und eine freiwillige Zertifizierung für
die Betriebe anzubieten, die diesen Mindeststandard erfüllen. Im Juni 2003 wurde
Einigkeit über die Kriterien und das Verfahren für die Zertifizierung der Solarien
erzielt und mit der Akkreditierung begonnen.
2 Verfahren
Ein Solarienbetrieb kann sich nur von einer Zertifizierungsstelle zertifizieren lassen,
die vom BfS bereits akkreditiert worden ist. Das Zertifizierungsverfahren umfasst die
Überprüfung des Solarienbetriebes auf Einhaltung der Zertifizierungskriterien des
BfS. Alle hierfür benötigten Unterlagen sind der BfS-Heimseite www.bfs.de unter
dem Stichwort „Solarien“ zu entnehmen. Die wichtigsten Punkte sind in diesem
Kapitel aufgeführt.
2.1
Akkreditierung
Die wesentlichen Bedingungen für Antragsteller, die vom BfS akkreditiert werden
wollen, sind:
•
Das zertifizierende Personal muss im Bereich der GeräteMitarbeiterausbildungsstandards
sachkundig
sein,
d.h.
Hygiene- und
selbst
technisch
ausgebildet sein, sich weiterbilden und im Betrieb eines Solarienbetriebes
erfahren sein.
•
Die Zertifizierung hat nach den RTS-Kriterien SSK-konformer Solarien zu
erfolgen.
•
Die Akkreditierung darf nicht missbräuchlich genutzt wie z.B. Rufschädigung,
Vortäuschung, Irreführung.
•
Einer Überprüfung der Antragsstelle durch das BfS ist zuzustimmen.
37
Nach Einreichung eines formellen Antrages (Formulare im Internet: Antrag auf
Akkreditierung,
Fragebogen
Verpflichtungserklärung)
wird
zum
das
Antrag,
Anlage
„Personal“
Akkreditierungsverfahren
und
eingeleitet.
Die
Begutachtung umfasst im wesentlichen:
•
Sachliche Prüfung der Antragsunterlagen, die neben dem Antrag aus einem
Fragebogen zur Infrastruktur, zur Dokumentation und Qualitätssicherung der
Antragsstelle, sowie einer rechtsverbindlichen Verpflichtungserklärung bestehen.
•
Gegebenenfalls erfolgt eine Begutachtung beim Antragsteller.
•
Bei Mängeln sind kostenpflichtige Wiederholungsprüfungen möglich.
•
Nach BfS–Entscheidung erfolgt der Abschluss eines Vertrages.
•
Die Akkreditierung erlischt nach 5 Jahren, kann jedoch erneuert werden.
Während
der
Zeitdauer
der
Akkreditierung
bestehen
zwischen
BfS
und
Zertifizierungsstelle im wesentlichen folgende Vereinbarungen:
•
Änderungen bzgl. der Akkreditierungsregeln sind zeitgerecht umzusetzen.
•
Das BfS kann die Zertifizierungsarbeiten überwachen und bei Mängeln Auflagen
erteilen.
•
Die Akkreditierung kann bei Verstößen widerrufen werden.
•
Das
BfS
verpflichtet
sich
zur
Vertraulichkeit,
Beschwerden
gegen
Entscheidungen können schriftlich eingereicht werden.
•
Die akkreditierten Zertifizierungsstellen sind in einer Liste auf der BfS-Heimseite
www.bfs.de unter dem Stichwort „Solarien“ aufgeführt.
2.2
RTS – Zertifizierungsverfahren
Das Zertifizierungsverfahren, d.h. die Prüfung eines Solarienbetriebes durch eine
akkreditierte Zertifizierungsstelle umfasst im wesentlichen folgende 4 Punkte, die in
dem Kriterienkatalog SSK-konformer Solarien aufgeführt sind:
•
Definierter Gerätestandard: Konstruktion der Geräte nach DIN EN 60335-2-27 mit
limitierter max. Erythem-Bestrahlungsstärke von 0,6 W/m², Notabschaltung,
Dosierung in 0,2 MED -Schritten mit Zwangsabschaltung bei 3,5 MED,
vernachlässigbarer Emission im UV-C, Geräteaufschriften und Betriebsbuch
38
•
Betriebsablauf: Einhaltung der allgemeinen Hygienerichtlinien, wie z.B.
Reinigung nach jeder Gerätenutzung, Verwendung von anerkannten
Desinfektionsmitteln
•
Mitarbeiterqualifikation: Nachweis einer anerkannten Qualifikation mit
Abschlusstestat, Nachweis über Fortbildungskurse innerhalb von 5 Jahren,
Fähigkeit zur Hauttypbestimmung und Dosierungsplanerstellung
•
Kundeninformation: Vorhandensein von Schutzhinweisen und Basisinformationen
über
z.B.
biologische
UV-Wirkungen,
gesundheitliche
UV-Risiken
und
Dosierungskonzepte
Der Geräteprüfung kommt dabei eine zentrale Rolle zu. Die Konformität mit den
RTS-Kriterien wird in der Regel anhand des Betriebs- und Prüfbuches geprüft. Bei
Neugeräten und Verwendung autorisierter Ersatzteile wird die Baumusterprüfung
(Herstellerzertifikat) als Nachweis anerkannt, andernfalls hat der Solarienbetreiber
gleichwertige Nachweise zu erbringen. Für evtl. notwendige Messungen (z.B.
Neubewertung) werden im Anhang A des Zertifizierungsverfahrens ausführliche
Hinweise
gegeben.
Vom
BfS
empfohlene
Messinstitute,
die
eine
solche
Neubewertung vornehmen können, sind in einer Liste im Internet aufgeführt.
Prüfergebnisse sind entsprechend Anhang B des Zertifizierungsverfahrens zu
dokumentieren. Bei positiver Prüfung erhält der Solarienbetrieb ein Zertifikat und darf
das Signum ”Zertifizierter Solarienbetrieb” mit einer Gültigkeitsdauer von 3 Jahren
führen. Das Logo hat folgende Form:
Bei Nichteinhaltung des geprüften Zustandes wird die Zertifizierung widerrufen. Dem
betroffenen
Solarienbetrieb
wird
allerdings
vorher
Gelegenheit
zu
einer
Stellungnahme gegeben. Der geprüfte Zustand kann durch unangemeldete
39
Überprüfungen in zertifizierten Betrieben festgestellt werden. Solarienbetriebe haben
mit der Zertifizierung der Akkreditierungs-/Zertifizierungsstelle das Recht zu solchen
Überprüfungen eingeräumt.
2.3
Schulungsunterlagen
In einer vom RTS verfassten UV-Fibel [7] sind die wichtigsten Grundlagen zur
Schulung der im Kundenkontakt stehenden Betreiber und Mitarbeiter von
Solarienbetrieben enthalten. Nach einer kurzen physikalischen Einführung über die
UV-Strahlung werden die Wirkungen der UV-Strahlung auf den Menschen
ausführlich dargestellt. Neben einer Beschreibung der Empfangsorgane Haut und
Augen werden in diesem Kapitel die akuten und chronischen Wirkungen auf
molekularer, zellulärer, lokaler und systemischer Ebene beschrieben. Ein weiteres
Kapitel beschäftigt sich mit der Gerätetechnik der Solarien. Neben dem Aufbau und
Betrieb wird detailliert auf die Kennzeichnung und Klassifizierung der Geräte
eingegangen. Weiterhin sind in einem Textabschnitt die Anforderungen zur
Qualitätssicherung erläutert.
Der UV-Fibel sind auch genaue Angaben zur Dosierung und Begrenzung von
Hautexpositionen
zu
entnehmen.
Neben
den
Ausschlusskriterien
für
eine
Bestrahlung (z.B. Kinder, Hauttyp I, krankhafte Hautveränderungen) werden Hilfen
für das Kundengespräch gegeben, das u.a. die Bestimmung des Hauttyps und die
Erstellung eines individuellen Bestrahlungsplans enthält. Ausführliche Anlagen zu
z.B. einer Liste phototoxischer Medikamente, Hygienebedingungen, Empfehlungen
und Normen sind im Anhang zu finden.
Wegen der hohen Nachfrage war die UV-Fibel schon kurz nach Erscheinen
vergriffen. Über eine Neuauflage wird zur Zeit diskutiert. Die UV-Fibel kann jedoch
von der Heimseite www.bfs.de heruntergeladen werden.
3 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
Mit der erfolgreich abgeschlossenen Tätigkeit des RTS ist es gelungen, auf
freiwilliger Basis den Nutzern von zertifizierten Solarienbetrieben zukünftig einen
Mindestschutz vor zu hoher UV-Belastung zu sichern. Damit wird eine deutliche
Reduzierung
des
gesundheitlichen
Risikos
für
die
Verbraucherinnen
und
Verbraucher erreicht. Dieser Mindestschutz wird vor allem durch folgende Punkte
erreicht:
40
•
Definierte Gerätestandards mit max. Bestrahlungsdosis, einheitliche
Betriebsabläufe bzgl. der Hygiene, fachliche Qualifikation der Mitarbeiter und der
Umfang der Kundeninformation
•
Als Qualitätssicherungsmaßnahme kann das BfS während der Zeitdauer der
Zertifizierung durch stichprobenartige Prüfungen die Einhaltung der Kriterien
überwachen.
Als Ausbildungsstätten sind zur Zeit die Akademie für Besonnung und die Deutsche
Dermatologische Akademie anerkannt. Das BfS als Akkreditierungsstelle für die
Institutionen, die Solarienbetriebe nach den Kriterien des RTS zertifizieren wollen,
hat bereits mehrere Akkreditierungen ausgesprochen, einige weitere Anträge
befinden sich in der Prüfungsphase. Mit einer ersten Zertifizierung wird im Februar
2004 gerechnet.
Jetzt bleibt nur noch zu hoffen, dass im Sinne des Nutzers die Zertifizierung von
möglichst allen Solarienbetrieben angenommen wird. Sollte sich gegen Ende des
Jahres 2004 herausstellen, dass die Zertifizierung nur auf geringe Akzeptanz stößt
sollte, behält sich das BfS vor, gegebenenfalls weitere Maßnahmen zu ergreifen.
Literatur
[1]
SSK-Empfehlung: „Schutz des Menschen vor den Gefahren der UV-Strahlung
in Solarien“. www.ssk.de (2001)
[2]
SSK-Empfehlung: „Schutz des Menschen vor den Gefahren der UV-Strahlung
in Solarien“ – wissenschaftliche Begründung. www.ssk.de (2001)
[3]
Piazena, H.: „Photobiologische Eigenschaften von Solarien in Berlin /
Brandenburg“, Teilprojekt des BMBF- Forschungsvorhabens 07UVB613
(2001)
[4]
BfS -Infoblatt: „Solarienbenutzung erhöht das gesundheitliche Risiko“ (4/2001)
[5]
Breitbart, E., Christophers, E.: „Change in health behaviour following a nation
wide campaign on prevention and early detection of skin cancer in the Federal
republic of Germany”. Melanoma Research 3:12 (1993)
[6]
Greinert, R. et al.: “ Prävention von Hautkrebs – Notwendigkeit, Durchführung
und Erfolg“. Hautarzt (2003)
[7]
Runder Tisch Solarien / BfS: “UV-Fibel “ www.bfs.de (2003)
41
Verfahren zur Solarienbewertung
Helmut Piazena
Universitätsklinik für Dermatologie, Venerologie und Allergologie (Charité),
Schumannstr. 20/21, D-10117 Berlin
1 Einleitung
Im Unterschied zu unerwünschten UV-Expositionen, wie beispielsweise an einigen
Arbeitsplätzen oder bei zahlreichen Aktivitäten im Außenbereich, finden UV-Hautbestrahlungen in Solarien wie auch in der Prophylaxe und Therapie mit einer
kosmetischen, gesundheitsfördernden oder therapeutischen Zielstellung statt, aus
der sich spezielle Anforderungen an die Bestrahlungsbedingungen ableiten.
Die
biologischen
und
therapeutischen
Wirkungen
hängen
von
mehreren
Einflußgrößen ab. Hierzu gehören u.a. die spektrale Verteilung der Strahlung, die
Dosis und – bei Verletzung des Bunsen-Roscoe´schen Proportionalitätsgesetzes –
auch die Bestrahlungsstärke, die zeitliche Abfolge der Expositionen, die individuelle
spektrale Transparenz der Haut, der Gesundheitszustand, das Alter und das
eventuell gegebene Einwirken photosensibilisierend, -toxisch oder -allergisch
wirkender Substanzen. UV-Hautbestrahlungen können sowohl gesundheitsfördernde
als auch gesundheitsschädigende Effekte auslösen, deren Eintrittswahrscheinlichkeiten von den genannten Einflußgrößen abhängen.
Klassifizierung der Bestrahlungsgeräte.
Die Notwendigkeit zur Bewertung der biologischen Wirksamkeit ultravioletter
Strahlen aus Gründen des Gesundheitsschutzes wie auch zur Auswahl wirksamer
Spektralbereiche für die Stimulation erwünschter Effekte ergab sich bereits in der
Frühzeit der Anwendung künstlicher UV-Strahler. Auf einen Vorschlag von Coblentz
(1934) wurde die ultraviolette Strahlung zunächst in die spektralen Bereiche UV-C
(200 – 280 nm), UV-B (280 – 315 nm) und UV-A (315 – 400 nm) eingeteilt, während
die Dosierung künstlicher UV-Hautbestrahlungen wie auch der Expositionen mit
solarer UV-Strahlung durch die Erythemwirksamkeit der Strahlung begrenzt wurde.
Die Definition der Grenzen zwischen den Teilbereichen UV-C, UV-B und UV-A
entsprach den damaligen technischen Möglichkeiten der Strahlungserzeugung und –
42
messung und wurde mit den Nachweisgrenzen biologischer Wirkungen begründet.
Von besonderer Bedeutung war dabei die Aufklärung des Aktionsspektrums für das
UV-Hauterythem durch Coblentz and Stair (1935) (vgl. Abb. 1). Bereits Meyer und
Seitz (1949) wiesen jedoch auf die
Willkür der auf das Minimum der
Erythemwirksamkeit bezogenen Grenze bei 280 nm hin, da „wichtige biologische
Wirkungen wie Erythembildung, Rachitisheilung und Bakterientötung von Strahlung
sowohl des Bereiches UV-B als auch UV-C hervorgerufen werden“. Die Abgrenzung
zwischen den Teilbereichen UV-B und UV-A erfolgte durch Coblentz (1934) mit dem
Hinweis, „daß die meisten biologischen Wirkungen ihre langwellige Grenze bei etwa
315 nm haben“ (Meyer und Seitz, 1949).
Relative spektrale Wirksamkeit
1.2
Ery-Cobl.fpw
Wirkungsspektrum des UV-Hauterythems
(Coblentz and Stair, 1935)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
UV-C
UV-B
250
300
UV-A
0.0
350
400
Wellenlänge [nm]
Abb. 1: Relative spektrale Wirksamkeit der UV-Strahlung zur Erzeugung des UVHauterythems nach Messungen von Coblentz and Stair (1935) und Grenzen
der Teilbereiche UV-C, UV-B und UV-A nach Coblentz (1934).
Die Erythemwirksamkeit als Grundlage zur Bewertung.
Verbesserte Meßmöglichkeiten, vor allem aber die Entwicklung spektral selektierter
UV-Quellen größerer Leistung führten in der Folgezeit zu der Einsicht, daß sowohl
die Erythemwirkung als auch andere Effekte, wie Photokarzinogenese und
Pigmentierung nicht auf den Teilbereich UV-B beschränkt sind, sondern bei
43
hinreichender Dosierung auch durch UV-Strahlung aus dem Teilbereich UV-A
hervorgerufen werden können.
Abbildung 2 zeigt experimentelle Daten mehrerer Autoren zur spektralen
Wirksamkeit der UV-Strahlung für das UV-Hauterythem, die die Basis zur Definition
des Referenzspektrums der Internationalen Beleuchtungskommission (Commission
Internationale D‘ Eclairage, CIE) bildeten.
10
Ery-ActC.fpw
1
Wirkungsspektrum des UV-Hauterythems
10
0
Coblentz and Stair, 1935
Parrish, et al., 1982
Young et al., 1998
-1
10
-2
10
Mc Kinley and Diffey, 1987
(CIE)
-3
10
-4
10
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
Wellenlänge [nm]
Abb. 2: Relative spektrale Wirksamkeit der UV-Strahlung zur Erzeugung des UVHauterythems nach Messungen von Coblentz and Stair 1935, Parrish et al.
1982 und Young et al. 1998; Verlauf des Referenzspektrums des UVHauterythems der CIE (Mc Kinley and Diffey 1987).
Das
UV-Hauterythem
ist
eine
sich
bereits
im
Verlauf
weniger
Stunden
manifestierende, leicht beobachtbare, akute Reaktion auf eine UV-Überdosierung.
Die von der individuellen UV-Empfindlichkeit abhängige Erythemschwellendosis kann
daher
zweckmäßig
als
Grundlage
zur
individuellen
Dosierung
von
UV-
Hautexpositionen genutzt werden (Piazena und Meffert 1994, Meffert u.a. 1998).
Jedoch ist die Erythemwirkung nicht mit allen Effekten der UV-Strahlung auf die Haut
korreliert. So können erwünschte wie unerwünschte Wirkungen in Abhängigkeit von
44
der spektralen Qualität der Strahlung, von der zeitlichen Abfolge der Anwendungen
und
von
der
kumulativen
Dosis
auch
bei
erythemunterschwelligen
Einzelbestrahlungen hervorgerufen werden. Wie Abbildung 3 zeigt, weichen die
Wirkungsspektren
zahlreicher
UV-Effekte
erheblich
vom
Verlauf
des
Wirkungsspektrums für das UV-Hauterythem ab. Einschränkend ist allerdings zu
bemerken, daß die Qualität der Daten und ihre Randbedingungen für die einzelnen
Effekte unterschiedlich sind. Während für einige UV-Effekte, wie zum Beispiel für die
Vitamin-D3-Synthese und für die Sofortpigmentierung, gesicherte Daten vorliegen,
sind die spektralen Abhängigkeiten anderer Wirkungen bislang umstritten, spekulativ,
nur teilweise bekannt, noch völlig unbekannt oder basieren auf Daten von
Tierbestrahlungen.
Hierzu
gehören
die
verzögerte
Pigmentierung,
die
Immunsuppression, die Photoalterung der Haut, die Stimulation der Melanom-,
Basalzellenkarzinom- und Plattenepithelkarzinomentstehung.
10
1
Act-Haut.fpw
UV-Wirkungsspektren (Haut)
10
1
0
3
4
-1
10
6
5
-2
10
2
-3
10
-4
10
-5
10
5
1: Erythem
2: Verzögerte Pigmentierung
3: Sofortpigmentierung
4: Vitamin-D 3-Synthese
5: Photokarzinogenese (SCUP-h)
6: Immunsuppression
1
-6
10
250
300
350
400
450
Wellenlänge [nm]
Abb. 3: Die relative spektrale Wirksamkeit ultravioletter Strahlung zur Stimulation des
Hauterythems gemäß CIE (1), der verzögerten Pigmentierung (2), der
Sofortpigmentierung (3), der subkutanen Vitamin-D3-Synthese (4), der
Entstehung des Plattenepithelkarzinoms (SCUP-h, 5) nach DIN 5031/10
sowie der Immunsuppression nach DeFabo and Noonann (1983, 6) als
Funktion der Wellenlänge.
45
Auf Grund von Unterschieden in der Bauart, in der Auswahl der Strahlungsquellen,
Reflektoren und Filter, in den Betriebsbedingungen sowie infolge technischer
Weiterentwicklungen
unterscheiden
sich
die
verfügbaren
Solarien
in
ihren
Auswirkungen auf biologische Effekte untereinander und im Vergleich zur Sonne
erheblich.
In den Normen DIN 5050 (Teil 1:1992, Teil 2: 1998), EN 60335-2-27 (2001), in den
Empfehlungen der Strahlenschutzkommission (SSK, 2001) sowie durch den Runden
Tisch Solarien (RTS, 2003) wurden daher Kriterien und Qualitätsstandards zur
Dosierung sowie zur Bewertung des Gesundheitsrisikos in Solarien definiert. Sie
basieren auf der Analyse der erythemwirksamen Bestrahlungsstärke in der
Nutzfläche und auf einer aus diesen Daten abgeleiteten Klassifizierung.
Im Unterschied zu den Verfahren für die strahlenhygienische Bewertung werden in
dem Verfahren zur photobiologischen Bewertung sowohl die Erythemwirksamkeit als
notwendige Information zur Dosierung als auch das spektrale Nutzen-RisikoVerhältnis als hinreichendes Kriterium zur Charakterisierung der biologischen
Wirksamkeit von UV-Quellen für die Hautbestrahlung bewertet (Piazena und Meffert,
1997, 1999, Piazena u.a. 2000).
Im folgenden werden die Bewertungsgrößen und -kriterien der verschiedenen
Bewertungsverfahren zusammengestellt und am Beispiel unterschiedlicher Solarien
diskutiert.
2 Verfahren zur Bewertung und Begrenzung des
Gesundheitsrisikos nach DIN 5050, EN 60335-2-27 und zur
Zertifizierung gemäß RTS
2.1
Meßgrößen
Die
Verfahren
Bestrahlungsstärke
basieren
auf
der
Auswertung
der
erythemwirksamen
46
• im Spektralbereich 250 nm – 400 nm bezüglich des Maximums (Eer) und
des Minimums (Eer,min) der Strahlungsverteilung in der Nutzfläche und
• in den Wellenlängenbereichen 250 nm ≤ λ ≤ 320 nm (Eer
≤320)
und
320 nm < λ ≤ 400 nm (Eer >320) im Maximum der Strahlungsverteilung.
Im Unterschied zu den Normen DIN 5050 und EN 60335-2-27 wird in den
Qualitätsstandards des RTS mit EUVC < 10-3 W m-2 zusätzlich die Vernachlässigbarkeit von Beiträgen aus dem Spektralbereich UV-C (250 – 280 nm) gefordert, die
daher ebenfalls eine Meßgröße darstellt. In Anlehnung an die in der Medizin üblichen
Festlegung werden die spektralen Teilbereiche 280 nm ≤ λ ≤ 320 nm und 320 nm < λ
≤ 400 nm durch den RTS abweichend von der Definition nach Coblentz (1934) als
UV-B und UV-A bezeichnet.
2.2
Meßverfahren
Für die Datenerfassung sind zwei Methoden vorgesehen:
(1) Spektralradiometrische Messungen
• zur Berechnung der Bestrahlungsstärke im Teilbereich UV-C durch
Integration der spektralen Bestrahlungsstärke über den Wellenlängenbereich 250 nm – 280 nm sowie
• zur Berechnung der erythemwirksamen Bestrahlungsstärke durch Gewichtung der spektralen Bestrahlungsstärke mit dem Wirkungsspektrum des
UV-Hauterythems gemäß CIE (vgl. Abb. 2 und 3) und anschließender
Integration über den zur Erythemwirkung beitragenden Wellenlängenbereich.
(2) Messungen mit einem Radiometer
• zur direkten Erfassung der Bestrahlungsstärke im Teilbereich UV-C, falls
die Nachweisgrenze des Radiometers unter 10-3 W m-2 liegt.
• zur direkten Erfassung der erythemwirksamen Bestrahlungsstärke im
spektralen
Gesamtbereich
der
zur
Erythemwirkung
beitragenden
Wellenlängen sowie im Teilbereich über oder unter 320 nm, falls die
spektrale
Empfindlichkeit
des
Radiometers
hinreichend
an
das
Wirkungsspektrum des UV-Hauterythems angepasst ist und die Separation
der Teilbereiche in genügender Genauigkeit erfolgt.
47
Da sich die biologische Wirksamkeit der UV-Strahlung mit der Wellenlänge um
mehrere Größenordnungen ändert (vgl. Abb. 2 und 3), erfordert die Bewertung der
biologischen Eigenschaften von Solarien Meßgeräte mit einem Meßbereich von 5 – 6
Dekaden. Dies leisten gegenwärtig nur Doppelmonochromatorspektralradiometer mit
einem Sekundärelektronenvervielfacher in hinreichender Genauigkeit. Sie sind daher
in den Normen DIN 5050, EN 60335-2-27 und durch den RTS für die Neubewertung
und Klassifizierung vorgesehen. Der großen Meßgenauigkeit stehen allerdings
mehrere Nachteile wie hohe Anschaffungs- und Wartungskosten, ein großer
Aufwand beim Transport und große Meßzeiten zur Aufnahme eines Spektrums
gegenüber.
Die Anwendung von Doppelmonochromatorspektralradiometern kann durch den
Einsatz
von
wesentlich
preiswerteren
und
sich
durch
kurze
Meßzeiten
auszeichnenden Spektralradiometern mit Dioden-Array-Empfängern ergänzt werden,
insbesondere bei größeren Meßreihen und im Rahmen der Qualitätskontrolle. Es
bleibt jedoch zu prüfen, in welchem Maße die eingeschränkte Nachweisgrenze von
etwa 10-4 W m-2 nm-1 und die prinzipiellen Nachteile eines Einfachmonochromators
Fehleinschätzungen der Meßgrößen verursachen können.
Zur Dosierung und Qualitätskontrolle von Solarien mit UV-Fluoreszenzlampen als
Strahlungsquellen steht seit kurzem ein Radiometer zur Verfügung, das die direkte
Erfassung der erythemwirksamen Bestrahlungsstärke und ihrer Verteilung auf die
spektralen Teilbereiche unter und über 320 nm mit einer systematischen Abweichung
≤ ± 20% im Vergleich zu den Daten eines Doppelmonochromatorspektralradiometers
gestattet. Der Test des Radiometers erfolgte an 31 üblichen Solarienlampen
verschiedener Hersteller und Bauart (vgl. Beitrag von Kockott, u.a. 2004).
2.3
Bewertungsgrößen
Aus den Meßgrößen werden folgende Bewertungsgrößen berechnet:
• Der Gleichmäßigkeitsfaktor
g2 = Eer,min / Eer
(1)
• Die Größe der Nutzfläche, die als Fläche definiert wird, in der die Bedingung
g2 ≥ g2k erfüllt ist. Sie dient als Grundlage für die Klassifizierung der Geräte
hinsichtlich ihrer Eignung zur Ganz- oder Teilkörperbestrahlung (s. Tab. 2).
48
• Der Sonnen-Erythem-Faktor
fSE = Eer / Eer,RS.
(2)
Die Bezugsgröße Eer,RS bezeichnet die erythemwirksame Bestrahlungsstärke
der „Referenzsonne“. Sie kennzeichnet die solare UV-Einstrahlung auf einer
horizontalen Fläche in Meeresspiegelhöhe bei wolkenlosem Himmel, bei dem
atmosphärischen Ozongehalt von 320 DU, bei einem atmosphärischen
Trübungsfaktor von 0,06 und bei einem Sonnenhöhenwinkel von 90°. Ihr
Betrag wird aufgerundet mit Eer,RS = 0,3 W m-2 angegeben (vgl. DIN 67501,
1999).
• Die Expositionsdauer ter zum Erreichen der Minimalen Erythemdosis (MED),
die mit dem Betrag 1 MED = 250 J m-2 die mittlere Schwellendosis des UVHauterythems für den standardisierten, unvorbestrahlten Hauttyp II definiert
(vgl. DIN 5031-10, 2000):
ter = 250 J m-2 / Eer
(3a)
oder unter Verwendung des Sonnen-Erythem-Faktors:
ter = 250 J m-2 / fSE ⋅ Eer,RS
(3b)
• Der UV-Typ zur Klassifizierung der spektralen und biologischen Eigenschaften
des Gerätes gemäß IEC (DIN 5050 und EN 60335-2-27, s. Tab. 3a) und die
UV-Gruppe zur Klassifizierung nach den Qualitätsstandards des RTS (s. Tab.
3b).
• Die minimale Expositionsdauer t1,er zum Erreichen der nach DIN 5050, EN
60335-2-27 und RTS zulässigen Höchstdosis der Erstbestrahlung
H1,er = 100 J m-2 (= 0,4 MED) gemäß
t1er = H1,er / Eer
(4)
mit [t1,er ] = s und [Eer] = W m-2.
• Die minimale Schrittweite ∆Her der Dosierung entsprechend den minimal
möglichen Zeitschritten ∆t der Schaltuhr oder der internen Dosissteuerung
∆Her = Eer ⋅ ∆t
(bzw. in Einheiten der MED: ∆Hér = ∆Her / 250)
(5)
49
•
Die
technischen
Voraussetzungen
zur
Einhaltung
der
mittleren
Schwellendosen des UV-Hauterythems für die standardisierten Hauttypen II –
IV als zulässige Höchstdosen Hs,er der Expositionen.
• Die Einhaltung der zulässigen Höchstdosis Her,max bei Erreichender maximal
möglichen Expositionsdauer zum Zeitpunkt der Zwangsabschaltung des
Gerätes
Her,max = Eer ⋅ tmax
(6a)
( bzw. in Einheiten der MED: Hér,max = Her,max / 250).
Während sich alle vorstehenden Bewertungsgrößen auf eine Nutzfläche in
definiertem Abstand zur Strahlungsaustrittfläche beziehen, ist zur Bewertung von
Geräten ohne fest vorgegebenen Abstand aus Sicht des Strahlenschutzes eine
zusätzliche Information über die Divergenz des Strahlungsfeldes bezüglich des
Abstandes zu fordern. Da sich die Normen DIN 5050 und EN 60335-2-27
ausschließlich auf Nutzabstände beziehen, die entweder durch die Konstruktion der
Geräte technisch oder per Empfehlung vorgegeben sind, enthalten beide Normen
hierzu keine Aussage. In den Qualitätsstandards des RTS wird auf die Bewertung
der Divergenz des Strahlungsfeldes ebenfalls verzichtet, da Geräte ohne fest
vorgegebene Nutzabstände aus Sicht des Strahlenschutzes als nicht zertifizierbar
gelten.
50
2.4
Bewertungskriterien
Im folgenden werden die in den Normen DIN 5050 und EN 60335-2-27 sowie durch
den RTS definierten Kriterien zur Bewertung von Solarien zusammengestellt.
Tab. 1: Kriterien der DIN 5050 und der EN 60335-2-27 sowie des RTS zur
Bewertung der Eigenschaften von Solarien.
Bewertungsgröße
EUVC
g2k
Größe der Nutzfläche
UV-Typ
UV-Gruppe
Kriterium
DIN 5050 / EN 60335-2-27
RTS
Nicht definiert
< 10-3 W m-2
0,4
0,4
S, M, L, XL
S, M, L, XL
1 – 5 (DIN), 1 – 4 (EN)
-
Ia – Id, II
≤ 0,502 (Ia)
fSE
H1,er
≤ 5,55
≤ 1,0
(Ib – Id)
≤ 2,0
(II)
≤ 100 J m-2 (= 0,4 MED) ≤ 100 J m-2 (= 0,4 MED)
≥ 11 min (Ia)
t1,er
≥ 1 min
≥ 5,6 min (Ib - Id)
≥ 2,8 min (II)
Nicht definiert
≤ 50 J m-2 (= 0,2 MED)
Hs,er (Hauttyp II)
250 J m-2 (= 1,0 MED)
250 J m-2 (= 1,0 MED)
Hs,er (Hauttyp III)
350 J m-2 (= 1,4 MED)
350 J m-2 (= 1,4 MED)
Hs,er (Hauttyp IV)
450 J m-2 (= 1,8 MED)
450 J m-2 (= 1,8 MED)
Nicht definiert
875 J m-2 (= 3,5 MED)
∆Her
Her,max
tmax
60 min (Typen 1 – 3)
30 min (Typ 4)
51
Tab. 2: Einteilung der Geräte nach der Größe der Nutzfläche gemäß DIN 5050, EN
60335-2-27 und RTS. Innerhalb der Nutzfläche gilt g2 ≥ 0,4.
Maße eines die Nutzfläche
Gerät
zur Bestrahlung des Gesichts
zur Teilkörperbestrahlung
zur Ganzkörperbestrahlung
definierenden Rechtecks
Symbol
Länge [m]
Breite [m]
2.4.1.1.1.1.
M
≥ 0,3
≥ 0,3
≥ 0,5
≥ 0,5
L
≥ 1,6
≥ 0,5
XL
≥ 1,6
≥ 0,5
(einseitig)
zur Ganzkörperbestrahlung
(mehrseitig)
Tab. 3a: Definitionsbereiche und Grenzwerte der auf das Maximum der
Strahlungsverteilung in der Nutzfäche bezogenen erythemwirksamen
Bestrahlungsstärke Eer in den Teilbereichen 250 nm ≤ λ ≤ 320 nm (Eer
≤320)
und im Teilbereich 320 nm < λ ≤ 400 nm (Eer >320) gemäss IEC und
nach DIN 5050 sowie EN 60335-2-27.
Erythemwirksame Bestrahlungsstärke [W m-2]
im spektralen Teilbereich
UV-Typ
250 nm ≤ λ ≤ 320 nm
320 nm < λ ≤ 400 nm
(Eer ≤320)
(Eer >320)
0
< 0,0005
≤ 0,15
1
< 0,0005
> 0,15
2
0,0005 – 0,15
> 0,15
3
0,0005 – 0,15
≤ 0,15
4
> 0,15
≤ 0,15
5
> 0,15
> 0,15
52
Tab. 3b: Definitionsbereiche und Grenzwerte der auf das Maximum der
Strahlungsverteilung in der Nutzfäche bezogenen erythemwirksamen
Bestrahlungsstärke Eer in den Teilbereichen UV-B (280 – 320 nm) und
UV-A (320 – 400 nm) sowie im Bereich UV-B + UV-A (280 – 320 nm)
gemäss RTS.
Erythemwirksame Bestrahlungsstärke [W m-2]
UV-Gruppe
1
im spektralen Teilbereich
UV-B
UV-A
UV-B + UV-A
(280 – 320 nm)
(320 – 400 nm)
(280 – 400 nm)
Ia
< 0,0005
≤ 0,15
< 0,1505
Ib
< 0,0005
0,15 – 0,2995
≤ 0,30
Ic
0,0005 – 0,15
0,15 – 0,2995
≤ 0,301
Id
0,0005 – 0,15
≤ 0,15
≤ 0,30
II
≤ 0,60
≤ 0,15
≤ 0,60
) Für Zertifizierungen vor dem 30.6.2006 gilt: Eer ≤ 0,45 W m-2.
2.5
Begründung der Bewertungskriterien und der Grenzwerte
Die Begründung der Grenzwerte in den Bewertungsverfahren basiert nur teilweise
auf direkten experimentellen Untersuchungen, infolge der unvollständigen Datenlage
aber auch auf Erfahrungen und Analogieschlüssen aus der therapeutischen
Anwendung ultravioletter Strahlung sowie auf epidemiologischen Untersuchungen
und klimatologischen Daten:
• Die Anwendbarkeit des Bunsen-Roscoe´schen Proportionalitätsgesetzes wurde
bisher ausschließlich für die Erythembildung durch kurzwellige UV-Strahlung
(UV-B und UV-C) an menschlicher Haut in vivo untersucht und gilt im Bereich
0,05 ≤ fSE ≤ 69 ... 83 als gesichert (Park et al. 1984). Dagegen sind weder für
andere unerwünschte oder schädigende Effekte wie Photoalterung, –
karzinogenese und Immunsuppression noch für Expositionen mit langwelliger
UV-Strahlung (UV-A) aussagefähige Daten verfügbar.
• Die Daten über die spektralen Dosis-Wirkungs-Beziehungen und über die
Schwellendosen
für
die
Photokarzinogenese,
-alterung
und
53
Immunsuppression sind bisher noch lückenhaft und teilweise widersprüchlich
(Übersicht u.a. bei Longstret et al.1995 und 1998). Zuverlässige quantitative
Aussagen
über
die
Risiken
bei
Anwendung
von
UV-Quellen
mit
unterschiedlichen Spektralverteilungen sind daher bisher kaum möglich.
Jedoch lassen alle verfügbaren Daten auf ansteigende Risiken bei häufigen
Expositionen mit großen Einzeldosen schließen. Für die Entstehung des
Basalzellenkarzinoms
Kumulativdosis
zeigt
sich
ein
erythemwirksamer
Anstieg
des
UV-Strahlung.
Risikos
mit
Für
der
das
Plattenepithelkarzinom konnte ein mit der Dosis und Häufigkeit der
Expositionen steigendes Risiko direkt nachgewiesen werden, das jedoch
bereits bei Dosierungen unterhalb der Erythemschwellendosis erhöht war
(DeGruijl, 1983). Die Mechanismen der Photoalterung der Haut sind bisher nur
teilweise untersucht, insbesondere im Fall der photochemischen Bildung von
Radikalen. Jedoch ist auch bei dieser Schädigung ebenso wie bei der
Immunsuppression von einer Erhöhung des Risikos mit der Dosis und mit der
Häufigkeit hochdosierter Expositionen auszugehen. Weitgehend unklar und
widersprüchlich sind die Zusammenhänge zwischen UV-Hautbestrahlungen
und der Entstehung des Melanoms (Setlow et al. 1993, Longstret, 1998).
• Für alle erwünschten Effekte von UV-Hautbestrahlungen sind Bestrahlungen
unterhalb der Schwellendosis des UV-Hauterythems hinreichend, falls UVQuellen mit einer geeigneten Spektralverteilung verwendet werden. Hierzu
gehören u.a. die Steigerung der unspezifischen Resistenz (Meffert u.a. 1989),
der Aufbau des hauteigenen UV-Schutzes einschließlich der Hautbräunung
und die Vitamin-D3-Synthese, für die eine Begrenzung durch den Zerfall der
synthetisierten Vorstufen des Vitamins D3 in Tachysterol und in Lumisterol bei
Überschreitung der Erythemschwellendosis beobachtet wurde (McLaughlin et
al. 1982).
• Der Mensch hat sich an das solare Strahlungsklima in seinem jeweiligen
ethnischen Heimatgebiet angepaßt. Es wird angenommen, daß die Risiken bei
Expositionen mit sonnenähnlichen Spektren und Bestrahlungsstärken, die in
der Größenordnung der solaren Bestrahlungsstärke liegen, mit den Risiken
bei der Anwendung solarer Strahlung annähernd vergleichbar sind. Auf Grund
54
der bestehenden Defizite im Wissen über die Dosis-Wirkungsbeziehungen für
bedeutsame Schadwirkungen wird daher empfohlen, die erythemwirksame
Bestrahlungsstärke wie auch die spektrale Bestrahlungsstärke bei Anwendung
künstlicher Strahler nicht wesentlich höher ausfallen zu lassen als unter
natürlichen Bedingungen. Zur Definition biologisch exakt begründeter
Grenzwerte wäre allerdings die Schaffung einer hinreichenden Datenbasis
durch direkte prospektive Untersuchungen der Dosis-Wirkungsbeziehungen
notwendig.
• Die Nutzung großer Bestrahlungsstärken ist auf Grund der sich verkürzenden
Expositionszeiten mit erhöhten Anforderungen an die Präzision der Dosierung
verbunden, die eine hohe fachliche Kompetenz des betreuenden Personals
erfordert.
3 Verfahren zur Bewertung des spektralen Nutzen-/RisikoVerhältnisses und zur erythemgewichteten Dosierung
Das
Verfahren
basiert
auf
der
Auswertung
der
Beträge
der
effektiven
Bestrahlungsstärke erwünschter und unerwünschter Effekte sowie des UVHauterythems. Es ermöglicht damit eine von willkürlichen Einteilungen in spektrale
Teilbereiche freie Klassifizierung von Solarien und therapeutisch genutzten UVBestrahlungsgeräten hinsichtlich ihrer Eigenschaften zur Stimulation biologischer
Effekte.
3.1
Meßgrößen
Meßgrößen sind die erythemwirksame Bestrahlungsstärke und die Beträge der
effektiven Bestrahlungsstärke der in den Vergleich einbezogenen UV-Effekte. Ihre
Bestimmung
erfolgt
durch
Gewichtung
der
Meßwerte
der
spektralen
Bestrahlungsstärke mit den spektralen Wirkungsfunktionen der jeweiligen UV-Effekte
und anschließender Integration über den gesamten, zur Wirkung beitragenden
Wellenlängenbereich. Sie kann auch durch direkte Messungen vorgenommen
werden, falls Radiometer mit hinreichender Nachweisgrenze, Meßdynamik und
55
Anpassung der spektralen Empfindlichkeit an die spektralen Wirkungsfunktionen der
jeweiligen Effekte verfügbar sind.
Da die erythemgewichtete Bestrahlungsstärke nicht nur zur photobiologischen
Bewertung der spektralen Eigenschaften des Gerätes, sondern auch zur Dosierung
genutzt wird, sind die Meßwerte auf das Maximum der Strahlungsverteilung in der
Nutzfläche zu beziehen.
3.2
Bewertungsgrößen
(1) Charakteristika der Erythemwirksamkeit
Als Grundlage zur Dosierung sowie zur Bewertung der Erythemwirksamkeit
eines UV-Hautbestrahlungsgerätes werden bestimmt:
• Der Sonnen-Erythem-Faktor fSE = Eer / Eer,RS nach Gleichung 2.
• Die Expositionsdauer ter zum Erreichen der MED nach Gleichung 3
oder alternativ:
• Die Expositionsdauer
ter,SED = 1 SED / Eer
(7)
zum Erreichen der Standardisierten Erythemdosis (1 SED = 100 J m-2), die als
Bezugsgröße
zur
Charakterisierung
der
Erythemwirksamkeit
von
Bestrahlungsgeräten durch die CIE (1997) eingeführt wurde, da der Betrag der
MED international unterschiedlich angegeben wird und somit die Ursache
zahlreicher Mißverständnisse war.
(2) Charakteristika zur Bewertung des Nutzen-/Risiko-Verhältnisses
Zur Bewertung des Verhältnisses zwischen der Wirksamkeit zur Erzeugung
eines erwünschten Effektes gegenüber der Wirksamkeit zur Stimulation eines
unerwünschten oder Schadeffektes werden bestimmt:
• Der Sonnen-Effekt-Faktor
fSX = Ex / Ex,RS,
(8)
der die Wirksamkeit eines Gerätes zur Stimulation eines Effektes x mit der
Wirksamkeit der Referenzsonne (RS) vergleicht. Gleichung (8) stellt eine
56
Verallgemeinerung
des
auf
den
Vergleich
der
Erythemwirksamkeit
bezogenen Sonnen-Erythem-Faktors dar.
• Das Effekt-Erythem-Verhältnis
EER = fSX / fSE,
(9)
das das Verhältnis zwischen der Wirksamkeit eines Gerätes für den Effekt x und
zwischen seiner Erythemwirksamkeit unter Bezug auf das entsprechende, für die
Referenzsonne bestimmte Verhältnis definiert.
• Das Verhältnis Erwünschte Wirksamkeit/Schädigungspotential
BDR = fSX / fSY,
(10)
das die Wirksamkeit zur Stimulation eines erwünschten Effektes x mit der
Wirksamkeit gegenüber einer Schadwirkung y unter Normierung auf das
entsprechende, für die Referenzsonne bestimmte Verhältnis vergleicht.
3.3
Begrenzungen
Die Methode der photobiologischen Bewertung erlaubt nur Näherungen. Ihre
Anwendbarkeit
ist
insbesondere
begrenzt
im
Fall
ungenau
bekannter
Aktionsspektren der zu untersuchenden biologischen Effekte und bei veränderten
Randbedingungen. So beziehen sich die Aussagen zur Photokarzinogenität der
Geräte ausschließlich auf das Plattenepithelkarzinom (SCUP-h), das auf Grund
serieller UV-Expositionen von Mäusen bestimmt und auf den Menschen übertragen
wurde (DeGruijl et al. 1993), während über die spektralen Zusammenhänge bei der
Entstehung des Basalioms keine und bei der Entstehung des Melanoms gegenwärtig
nur erste, in ihrer Anwendbarkeit auf den Menschen jedoch umstrittene
Anhaltspunkte vorliegen (Setlow et al. 1993). Als unaufgeklärt müssen weitere, für
die biologische Beurteilung von UV-Bestrahlungsgeräten und UV-Hautexpositionen
wesentliche und notwendige Aktionsspektren angesehen werden. Hierzu gehören
u.a. die Wellenlängenabhängigkeit der Hautalterung sowie immunmodulatorischer
Effekte. Ferner erfordert die Anwendung der Methode zur photobiologischen
Bewertung die Abwesenheit synergistischer wie auch gegenläufiger Effekte im Fall
polychromatischer Strahlung sowie die Anwendbarkeit des Bunsen-Roscoe´schen
Proportionalitätsgesetzes. Angesichts dieser offenen Probleme erscheinen weitere
grundlegende Untersuchungen als notwendig.
57
4 Anwendung der Verfahren auf die Bewertung von Solarien
Nachfolgend werden die vorgestellten Verfahren exemplarisch auf die Bewertung
von vier Solarien angewandt. Die Geräte waren zur Ganzkörperbestrahlung
liegender Personen ausgelegt und enthielten mit Ausnahme des Solariums 2 jeweils
Module zur gleichzeitigen UV-Exposition des Gesichts (Modul „Gesichtsbräuner“, G)
sowie der vorderen und hinteren Körperhälfte (Module „Himmel“ (H) und „Auflage“
(A)). Das Solarium 2 war eine offene Sonnenbank mit zwei Modulen (H und A).
Die Messungen erfolgten nach einer Einbrenndauer von jeweils 10 Minuten mit
einem thermostatisierten Doppelmonochromatorspektralradiometer (Typ: OL 754,
Optronic Laboratories, Orlando, Fl., USA) bei einer spektralen Auflösung von 1 nm.
Als Empfänger diente eine cosinuskorrigierte Ulbricht’sche Kugel, die über einen
Quarzlichtleiter an den Eingangsspalt des Spektralradiometers angeschlossen war.
Die Kalibrierung des Spektralradiometers erfolgte mit einer auf NIST (National
Institute of Standards and Technology) rückführbaren 200 W Standardlampe.
4.1
Ergebnisse
Die Abbildungen 4a – d zeigen die Spektralverteilungen der vier Solarien im
Vergleich zum Spektrum der Referenzsonne. Aus diesen Daten wurden die Größen
zur Bewertung der Erythemwirksamkeit und zur Klassifizierung berechnet und in
Tabelle 4 zusammengestellt. Zur Bewertung der Schrittweite der Dosierung wurden
ebenfalls die einstellbaren Zeittakte der Schaltuhr in die Tabelle aufgenommen.
Tabelle 4 enthält zusätzlich die Beträge der (ungewichteten) Bestrahlungsstärke im
Teilbereich UV-A (320 nm < λ ≤ 400 nm, E
>320)
erythemgewichteten Bestrahlungsstärke (Eer
Betrag der Referenzsonne (ERS
>320
zum Vergleich mit den Daten der
>320)
und mit dem entsprechenden
= 61,89 W m-2, vgl. DIN 67501, 1999). Hierzu
wurde der im folgenden als Sonnen-UVA-Faktor bezeichnete Quotient definiert:
fSA = (E >320) / (ERS >320).
(11)
Die berechneten Daten des Sonnen-UVA-Faktors wie auch die Größen zur
Charakterisierung der Erythemwirksamkeit (fSE und ter), zur Schrittweite der
Dosierung (∆Her) und zur Klassifizierung gemäß DIN 5050, EN 60335-2-27 und RTS
wurden in Tabelle 5 zusammengestellt. Die Tabelle enthält zusätzlich die Daten des
„räumlichen Gleichmäßigkeitsfaktors“
58
gM = Eer,M1 / Eer,M2 ,
(12)
der das Verhältnis zwischen den maximalen Beträgen der erythemwirksamen
Bestrahlungsstärke in den Nutzflächen zweier Module (Eer,M1 und Eer,M2) beschreibt,
falls
diese
gleichzeitig
betrieben
werden
und
über
eine
vergleichbare
Spektralverteilung verfügen. Für die untersuchten Solarien definiert der Faktor gM
das Verhältnis zwischen den Maxima der erythemwirksamen Bestrahlungsstärke in
den durch die Bestrahlungsmodule A („Auflage“) und H („Himmel“) festgelegten
Nutzflächen
gM = Eer,A / Eer,H.
(12a)
Tabelle 6 zeigt die Ergebnisse zur spektralen Nutzen-/Risiko-Bewertung der
Solarien. Ausgewählt wurden für den Vergleich die Daten der effektiven
Bestrahlungsstärke zur Stimulation der Vitamin-D3-Synthese (VD3), der direkten
Pigmentierung (DP), der verzögerten Pigmentierung (VP), der Entstehung des
Plattenepithelkarzinoms (SCUP-h) sowie der Augenschädigung gemäß ACGIH (ED)
im
Vergleich
zur
erythemwirksamen
Bestrahlungsstärke
(Effekt-Erythem-
10
Spektrale Bestrahlungsstärke [W m
-2
-1
nm ]
Verhältnisse).
10
10
Sol-1.fpw
2
Referenzsonne
Solarium 1
1
G
H
0
A
-1
10
-2
10
Bestrahlungsmodul
-3
H - Himmel
A - Auflage
G - Gesichtsbräuner
10
-4
10
-5
10
250
300
350
400
450
Wellenlänge [nm]
Abb. 4a: Solarium 1. Die spektrale Bestrahlungsstärke als Funktion der Wellenlänge
und im Vergleich zum Spektrum der Referenzsonne nach Messungen in
den Punkten des Maximums der Strahlungsverteilung in den durch die
Bestrahlungsmodule H (Himmel), A (Auflage) und G (Gesichtsbräuner)
definierten Nutzflächen.
10
-2
-1
nm ]
59
10
10
Sol-2.fpw.fpw
2
Referenzsonne
Solarium 2
1
0
H
-1
10
A
-2
10
Bestrahlungsmodul
H - Himmel
A - Auflage
-3
10
-4
10
-5
10
250
300
350
400
450
Wellenlänge [nm]
Abb. 4b: Solarium 2. Die spektrale Bestrahlungsstärke als Funktion der Wellenlänge
und im Vergleich zum Spektrum der Referenzsonne nach Messung im
Punkt des Maximums der Strahlungsverteilung in der durch das
Bestrahlungsmodul H (Himmel) definierten Nutzfläche sowie nach Messung
auf der Auflage (A) in entgegengesetzter Richtung.
10
-2
-1
nm ]
60
10
Sol-3.fpw
2
Solarium 3
1
G
H
10
0
A
-1
10
Referenzsonne
-2
10
Bestrahlungsmodul
-3
10
H - Himmel
A - Auflage
-4
10
-5
10
250
300
350
400
450
Wellenlänge [nm]
Abb. 4c: Solarium 3. Die spektrale Bestrahlungsstärke als Funktion der Wellenlänge
10
-2
-1
nm ]
61
10
Sol4a.fpw
2
G
Solarium 4
1
H
10
A
0
-1
10
Referenzsonne
-2
10
Bestrahlungsmodul
H - Himmel
A - Auflagefläche
-3
10
-4
10
-5
10
250
300
350
400
450
Wellenlänge [nm]
Abb. 4d: Solarium 4. Die spektrale Bestrahlungsstärke als Funktion der Wellenlänge
62
Tab. 4: Daten der erythemwirksamen Bestrahlungsstärke im Spektralbereich 250 nm
≤ λ ≤ 400 nm (Eer), in den Teilbereichen 250 nm ≤ λ ≤ 320 nm (Eer ≤320) und
320 nm < λ ≤ 400 nm (Eer >320) sowie der ungewichteten Bestrahlungsstärke
im Teilbereich 320 nm < λ ≤ 400 nm (E
>320)
nach Messungen an vier
Solarien in den Punkten des Maximums der Strahlungsverteilung in den
Nutzflächen
der
Module
H
(„Himmel“,
A
(„Auflage“)
und
(„Gesichtsbräuner“) sowie Zeittakte der Schaltuhren der Geräte.
Solarium
Modul
[min]
Eer
Eer ≤320
Eer >320
E >320
0,1801
0,0599
0,1202
181,90
0,1059
0,0381
0,0678
100,69
0,0927
0,0121
0,0806
176,78
0,1712
0,1583
0,0129
25,99
A
0,0357
0,0327
0,0030
5,68
H
0,4449
0,2489
0,1960
281,23
0,2705
0,1513
0,1192
169,09
G
0,1927
0,0445
0,1482
271,27
H
0,4999
0,2883
0,2116
316,61
0,4186
0,2270
0,1916
288,61
0,4960
0,0491
0,4469
1159,18
H
1
A
10
G
2
3
4
Bestrahlungsstärke [W m-2]
Zeittakt
H
A
A
G
12
7
5
G
63
Tab. 5: Charakteristika zur strahlenhygienischen Bewertung der Solarien 1 – 4 und
zur Dosierung: Der Sonnen-Erythem-Faktor (fSE), die Bestrahlungszeit (ter)
zum Erreichen der MED (= 250 J m-2), die minimale Schrittweite der
Dosierung (∆Hér, in Einheiten der MED), die Klassifizierung in den UV-Typ
gemäss DIN 5050 und EN 60335-2-27 sowie in die UV-Gruppe nach RTS,
der Sonnen-UVA-Faktor (fSA) und der räumliche Gleichmäßigkeitsfaktor (gM).
Die Solarien und Module, die die Kriterien des RTS zur Klassifizierung nicht
erfüllen, wurden mit „N“ gekennzeichnet.
Bewertungsgröße
Solariu
Modul
fSE
m
1
2
3
4
ter
∆Hér
[min]
[MED]
(IEC)
(RTS)
UV-Typ UV-Typ
fSA
gM
0,59
H
0,60
23,14
0,43
3
Id
2,94
A
0,35
39,34
0,25
3
Id
1,63
G
0,31
44,97
0,22
3
Id
2,86
-
H
0,57
24,34
0,49
4
II
0,42
0,21
A
0,12
116, 9
0,10
3
Id
0,09
H
1,48
9,37
0,75
(5)
N
4,54
A
0,90
15,40
0,45
4
II
2,73
G
0,64
21,62
0,32
3
Id
4,38
-
H
1,67
8,34
0,60
(5)
N
5,12
0,84
A
1,40
9,96
0,50
(5)
N
4,66
G
1,65
8,40
0,60
2
N
18,73
0,61
-
64
Tab. 6: Die relative Wirksamkeit der Solarien 1 – 4 mit den Modulen H, A und G zur
Stimulation der Vitamin-D3-Synthese (VD3), der direkten Pigmentierung (DP),
der
verzögerten
Pigmentierung
(VP),
der
Entstehung
des
Plattenepthelkarzinoms (SCUP-h) sowie der Augenschädigung nach ACGIH
(ED) im Vergleich zur Erythemwirksamkeit (Effekt-Erythem-Verhältnisse).
Effekt-Erythem-Verhältnis (EER) bezüglich
Solarium
1
2
3
4
Modul
VD3
DP
VP
SCUP-h
ED
H
0,33
4,44
1,21
0,67
3,19
A
0,34
4,19
1,20
0,68
3,02
G
0,13
7,34
1,57
0,59
5,93
H
0,88
0,61
1,00
0,91
0,81
A
0,92
0,70
0,96
0,98
0,80
H
0,57
2,79
1,06
0,83
2,08
A
0,57
2,75
1,06
0,84
2,05
G
0,23
5,90
1,38
0,60
4,39
H
0,56
2,78
1,10
0,76
2,13
A
0,53
3,03
1,13
0,75
2,29
G
0,09
8,60
1,77
0,59
7,23
5 Diskussion und Ausblick
5.1
Verfahren zur strahlenhygienischen Bewertung
Nach den Daten in Tabelle 4 unterscheiden sich die von den Bestrahlungsmodulen
eines jeden Solariums in den Nutzflächen erzeugten Beträge der Bestrahlungsstärke
im spektralen Gesamtbereich sowie in den Teilbereichen erheblich. Da die Module
gleichzeitig
und
Bewertungsgrößen
mit
in
gleichen
Tabelle
Zeittakten
6
zur
betrieben
werden,
strahlenhygienischen
müssen
die
Beurteilung
des
Gesamtgerätes auf die Daten des Moduls mit der größten Erythemwirksamkeit
bezogen werden. Diese wurden in Tabelle 6 fett hervorgehoben.
Danach zeigt sich, daß Solarium 1 eine gemäß DIN 5050, EN 60335-2-27 und RTS
geforderte Begrenzung der Erstbestrahlung auf H1,er = 0,4 MED technisch annähernd
65
ermöglicht, während der Zeittakt der anderen Geräte dieser Vorgabe nicht entspricht.
Als wesentlich zur Vermeidung von Überdosierungen bei wiederholter Exposition
erscheint darüber hinaus die Forderung des RTS nach einer nur mäßigen Erhöhung
der Dosierung in Schritten von maximal 0,2 MED, die keines der hier vorgestellten
Solarien technisch erlaubt.
Bis auf das Solarium 2 erfüllten alle der untersuchten Geräte das an den
Gleichmäßigkeitsfaktor g2 gestellte Kriterium g2k ≥ 0,4 in der zur Auflage genutzten
Fläche. Die Daten des räumlichen Gleichmäßigkeitsfaktors gM in Tabelle 5 ergeben
für die Solarien 1, 3 und 4 Unterschiede der maximalen Bestrahlungsstärke in den
durch die Module H und A definierten Nutzflächen, die innerhalb der Änderung der
Bestrahlungsstärke in den Nutzflächen liegen. Für das Solarium 2 sind die
Differenzen mit gM = 0,21 < g2k dagegen größer. Diese Beispiele zeigen, daß ein
Bestrahlungsgerät mit mehreren, in ihrer spektralen Verteilung vergleichbaren
Bestrahlungsmodulen durch die Angabe des räumlichen Gleichmäßigkeitsfaktors in
seinen geometrischen Eigenschaften genauer charakterisiert werden kann als durch
die bloße Beschränkung auf die einzelnen Komponenten. Es bleibt zu prüfen, ob
hierdurch die Kennzeichnung eines UV-Hautbestrahlungsgerätes sinnvoll ergänzt
werden kann.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Bewertungsverfahren besteht in der
Begrenzung zulässiger Höchstwerte der erythemwirksamen Bestrahlungsstärke.
Während die DIN 5050 eine Klassifikation in die UV-Typen 0 – 5 vornimmt, werden in
der EN 335-2-27 lediglich die UV-Typen 1 – 4 als zulässig deklariert.
Eine Begrenzung der zulässigen Bestrahlungsstärke in den Teilbereichen UV-B und
UV-A ergibt sich nach beiden Normen durch die Beschränkung des SonnenErythem-Faktors auf fSE ≤ 5,55 aus den Anforderungen an die Höchstdosis und an
die Minimaldauer der Erstexposition, wenn vorausgesetzt wird, daß die spektrale
Bestrahlungsstärke des Gerätes zeitlich konstant ist.
Die Kriterien des RTS geben dagegen eine Begrenzung des Sonnen-ErythemFaktors auf fSE ≤ 2,0 für die Gerätegruppe II, auf fSE ≤ 1,0 für die Gruppen Ib – Id
sowie auf fSE ≤ 0,502 für die Gruppe Ia vor.
Diese Unterschiede spiegeln sich in der Klassifizierung der Solarien in Abbildung 5
wider: Während die Solarien 1 und 2 die Standards der DIN 5050 und der EN 335-2-
66
27 erfüllen sowie nach den Kriterien des RTS zertifizierbar sind, genügen die
Solarien 3 und 4 weder den Anforderungen der EN 335-2-27 noch den Vorgaben des
RTS.
Unterschiedliche Ergebnisse zeigen sich ebenfalls in der Bewertung des Moduls zur
Gesichtsbräunung in Solarium 4 (vgl. Tab. 5). Nach den Standards des RTS erweist
es sich nicht als zertifizierbar. Dagegen erfüllt es mit der Einordnung in den UV-Typ 2
und mit dem Betrag fSE = 1,65 die Forderungen der EN 335-2-27. Wie die Analyse
des Sonnen-UVA-Faktors ergibt, übertrifft die (ungewichtete, bzw. mit dem Faktor „1“
bewertete) Bestrahlungsstärke des Moduls im Teilbereich 320 nm – 400 nm die der
Referenzsonne um den Faktor fSA = 18,73 (vgl. Tab. 5).
Die biologische Relevanz dieser Vergrößerung der Bestrahlungsstärke gegenüber
den
im
natürlichen
Lebensraum
des
Menschen
maximalen
Einstrahlungsverhältnissen kann gegenwärtig nicht beurteilt werden. Hierfür wäre
zunächst die Klärung grundsätzlicher Fragen der Photobiologie langwelliger UVStrahlung, wie z.B. der Gültigkeit des Bunsen-Roscoe’schen Gesetzes und der
Dosis-Wirkungs-Beziehungen für bedeutsame Schadwirkungen wie Photoalterung, –
karzinogenese und –allergie notwendig.
Darüber hinaus erscheint es angesichts der fehlenden Korrelation zwischen der
Erythemwirkung und der Stimulation dieser Schadwirkungen sowie fehlender
Wirkungsspektren als unbegründet, die Bewertung der biologischen Wirksamkeit
langwelliger UV-Strahlung ausschließlich auf der Grundlage der Auswertung der
erythemwirksamen
Bestrahlungsstärke
im
Teilbereich
320
nm
–
400
nm
vorzunehmen.
Wie die Daten in Abbildung 5 zeigen, unterscheiden sich die Beträge des SonnenUVA-Faktors
der
Körperbestrahlung
Module
der
zur
Gesichtsbestrahlung
Solarien
bei
und
gegebener
der
Module
zur
erythemwirksamer
Bestrahlungsstärke infolge unterschiedlicher Filterungen im Teilbereich 320 nm –
400 nm im Mittel um den Faktor 1,6 ... 1,7. Es sei bemerkt, daß auch andere
Filterungen technisch möglich sind, so daß das Verhältnis E
>320
/ Eer >320 in weiten
Grenzen variiert werden kann. Für ein Bestrahlungsgerät zur hochdosierten UV-A1-
67
Therapie wurde beispielsweise ein Sonnen-UVA-Faktor von fSA = 11,77 bei einem
Betrag Eer >320 = 0,223 W m-2 erreicht.
Da das Verhältnis E >320 / Eer >320 bei einem gegebenen Betrag der erythemwirksamen
Bestrahlungsstärke im Teilbereich UV-A (Eer
>320)
nicht eindeutig definiert ist, sind
auch die durch den RTS vorgegebenen Grenzwerte für Geräte der UV-Gruppen
Ia – Id und II hinsichtlich der Größe des Sonnen-UVA-Faktors nicht eindeutig,
sondern von der jeweiligen Spektralverteilung abhängig.
Um hieraus aus Sicht des Strahlenschutzes begründete Konsequenzen ableiten zu
können, wären allerdings zunächst die schon erwähnten Untersuchungen zur
Photobiologie langwelliger UV-Strahlung erforderlich.
UVA-FSA.fpw
20
Module
1: Körperbestrahlung (Kreise)
2: Gesichtsbestrahlung (Sterne)
UV-Gruppen (RTS)
fSA
15
Ia / Id / II
Ib / Ic
10
2
5
1
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
-2
Eer>320 [W m ]
Abb. 5: Der Sonnen-UVA-Faktor (fSA) im Vergleich zur erythemgewichteten
Bestrahlungsstärke im Teilbereich 320 nm – 400 nm (Eer
>320)
nach
Messungen in den Nutzflächen der Module zur Körperbestrahlung und zur
Gesichtsexposition von Solarien unterschiedlicher Bauart während einer
stichprobenartigen Vermessung Berliner Solarien im September 2000.
68
5.2
Verfahren zur photobiologischen Bewertung
Tabelle 6 enthält die Daten des Effekt-Erythem-Verhältnisses (EER), das für die
untersuchten Wirkungen und Solarien charakteristische Unterschiede aufweist. So
zeigt nur Solarium 2 ein mit der Sonne annähernd vergleichbares Verhältnis
zwischen der Wirksamkeit zur Vitamin-D3-Synthese und der Erythemwirksamkeit,
während sich die Solarien 1, 3 und 4 auf Grund ihrer Spektralverteilung als wenig
effektiv zur Vitamin-D3-Synthese erweisen. Dagegen besitzen die Solarien 1, 3 und 4
im Vergleich zur Referenzsonne eine größere Wirksamkeit zur Hautbräunung als zur
Erythembildung. Jedoch zwingt das relativ große Potential zur Augenschädigung zur
Einhaltung
eines
konsequenten
Augenschutzes
während
der
Expositionen.
Anzumerken ist die relative Wirksamkeit der Solarien zur Stimulation des
Plattenepithelkarzinoms (SCUP-h) im Vergleich zur Erythemwirksamkeit, die nur für
Solarium 2 mit dem Verhältnis der Solarstrahlung vergleichbar ist, für die anderen
Geräte aber kleiner ausfällt.
Diese Beispiele zeigen, daß die Kenntnis der Erythemwirksamkeit von UVHautbestrahlungsgeräten
zur
Charakterisierung
ihrer
photobiologischen
Eigenschaften und zur Minimierung des Bestrahlungsrisikos notwendig aber nicht
hinreichend ist. Die Methode der photobiologischen Evaluierung ermöglicht im
Gegensatz zur Einteilung der Geräte in Typen, mit denen lediglich die
Erythemwirksamkeit im Wellenlängenbereich unterhalb und oberhalb von 320 nm
gekennzeichnet wird, eine speziellere und detailliertere Charakterisierung und damit
eine Optimierung ihrer Verwendung in Abhängigkeit von der speziellen Zielstellung
der Exposition. Allerdings ist das Verfahren nur so gut wie die in ihm verarbeiteten
Informationen über die spektralen Dosis-Wirkungs-Beziehungen der Effekte und die
Bedingungen ihrer Gültigkeit, die, wie bereits erläutert, gegenwärtig noch erhebliche
Lücken aufweisen.
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72
Kreislaufregulation und Umwelteinflüsse
R. Krause
AG Heliotherapie / Abt. f. Naturheilkunde,
Campus Benjamin Franklin, Berlin
Die Kreislaufregulation ist von vielen endogenen Faktoren abhängig: z.B. von der
Elastizität der Arterien und der Widerstandsgefäße, von der Muskelkraft und der
Erregungsbildung und -leitung des Herzens, von der Funktionsfähigkeit des
Hormonsystems und von der Regulationsbreite der vegetativen Innervation.
Die Kreislaufregulation ist weiterhin abhängig von verschiedensten exogenen
Faktoren, z.B. von der Umgebungstemperatur, der Jahreszeit, dem geographischen
Aufenthaltsort (Breitengrad oder Höhe über dem Meeresspiegel), von Tageszeit,
Lebensalter, Trainingszustand, psychischem Status.
Die Adaptationsfähigkeit der Herzkreislaufregulation nimmt mit zunehmendem
Lebensalter physiologischerweise ab, sie kann durch körperliches Training und nach
längerem Aufenthalt in mittleren Höhenlagen günstig beeinflusst werden; darüber
hinaus ist sie abhängig von der Tageszeit und von der Helligkeit bzw. Lichtexposition
sowie von der Umgebungstemperatur.
In den letzten Jahrzehnten sind zahlreiche tierexperimentelle Untersuchungen,
epidemiologische Erhebungen, klinische Beobachtungen und Studien zu den
verschiedensten Einflüssen von möglichen Interaktionen zwischen Umweltfaktoren
und Kreislaufregulation bzw. dem Herzfrequenz- und/oder Blutdruck-Verhalten
publiziert worden.
Zusammenfassend lässt sich folgendes feststellen:
1.
Die
Kreislauf(dys)regulation
wird
beeinflusst
von
genetischen
Prädispositionen, wahrscheinlich ist der Vitamin-D-Rezeptor – Gen Polymophismus
ebenfalls beteiligt.
73
2.
Es ist gut belegt, dass es saisonale Variationen der Kreislauf-, insbesondere
der Blutdruckregulation gibt: die niedrigsten Werte finden sich im Sommer (Juli /
August bzw. auf der Südhalbkugel Januar / Februar) und die höchsten Werte im
Winter.
Wahrscheinlich
sind
hieran
mehrere
Ursachen
beteiligt,
wie
die
unterschiedlichen Aussentemperaturen, eine veränderte immunologische Situation
gegenüber z.B. respiratorischen Infekten und die saisonalen Unterschiede der UVStrahlung.
3.
Die Herzkreislauf-Morbidität und -Mortalität weisen ebenfalls saisonale und
geographische Unterschiede auf: der Gipfel liegt im Winter, in (mittlerer) Höhenlage
nimmt sie ab.
4.
Die
regelmäßige
kurmedizinische
Exposition
Höhenaufenthalte,
ausdauertrainingsähnliche
Herzschlagfrequenz
(„serielle“)
und
mit
Leben
in
Kreislauf-Adaptationen
des
Blutdruckes
in
natürlicher
Sonne
Äquatornähe)
mit
Ruhe
und
Reduktion
auf
(z.B.
zeigen
der
gegebenen
(ergometrischen) Belastungsstufen.
5.
Vitamin-D-Mangel (und entsprechender Anstieg des Parathormons) haben
negative Effekte auf die Relaxation der glatten Gefäßmuskulatur, auf das ReninAngiotensin-System und das NO-System.
6.
Die Höhe der Blutspiegel von 25-Hydroxy-Vitamin D3 und des hormonell
aktiven Metaboliten 1,25-Dihydroxy-Vitamin D3 sind negativ korreliert mit der
Häufigkeit von Herzinfarkten und mit der Herzfunktion insgesamt.
Die heliotherapeutischen Arbeitsgruppen in Frankfurt/Main und Berlin haben in den
vergangenen 20 Jahren etliche Belege dafür gesammelt, dass auch regelmäßige
Expositionen mit sonnenähnlichen UV-Spektren sowohl bei Gesunden als auch bei
Hochdruck-, Koronar- und Nierenkranken positive trainingsähnliche Wirkungen auf
die Herzkreislaufregulation und den arteriellen Blutdruck haben. Hierbei finden sich
stets positive Korrelationen mit dem Vitamin-D-Status. Die Studienergebnisse
bestätigen weitgehend, dass eine serielle suberythematöse Expositionen mit
74
artifiziellen UV-Strahlern den Mangel an kurzwelliger UVB-enthaltender Strahlung
während des Winterhalbjahres in unseren Breitengraden kompensieren kann.
Die Kreislaufregulation wird komplex von vielen Umweltfaktoren beeinflusst, wobei
der UV-Strahlung ein hoher Stellenwert zu zukommen scheint.
75
Protection of human cells by carotenoids
Fritz Böhm
Friedrichstraße 95 (IHZ), 10117 Berlin and
Charité (Universitätsmedizin Berlin), Photobiological Lab, Ziegelstrasse 5-9,
10117 Berlin
Dedicated to Prof. Dr. Hans Meffert’s 65th anniversary
It is well accepted that reactive species like free radicals and singlet oxygen play a
key role in degenerative diseases, ageing processes, as well as cancer and
atheriosclerosis. Therefore many affords are focused on understanding their role and
finding out the way to reduce their production.
Free radicals are highly reactive because of an unpaired electron. The electronical
structure of a scavenger aloud them to accept or give one or more electrons without
loosing their stability so that they are able to trap unpaired electrons becoming stable
radicals and/or rearranging to stable, unreactive species. Beside reactive species
from the environment, ultraviolet radiation (UV) can be absorbed by cellular
chromophores like aromatic amino acids, DNA, cytochromes, chlorophyll, coenzymes
etc. and start photodynamic reaction with production of singlet oxygen and other
reactive species (ROS). Cellular repair systems are protecting from ROS and DNA
damage and we know many natural endogenous or up taken substances able to
scavenge free radicals (e.g. flavenoids, carotenoids, ascorbic acid, glutathione etc.).
High levels of UV radiation or dysfunction of repair systems are the cause of an
increased oxidative stress which leads to cell necrosis or apoptosis and, in tissues, to
reactions like inflammation, degradation of fibers and other signs of disorder. For
example is the induction of singlet oxygen due to UVA or UVB irradiation followed by
increased levels of metalloproteinases in the dermis. This may result in an increasing
loss of interstitial collagen which is regarded to skin aging. It is also proven that UVA
induced singlet oxygen generates mitochondrial DNA mutations with harmful effects
for cells and tissues.
76
Carotenoids are widely spread in the plank kingdom. Many provide the evidence of
their antioxidant activity, mainly exerted via the ability to scavenge free radicals and
efficiently quench singlet oxygen. On the other side, carotenoids can become itself a
reactive species when repairing free radicals. Hence, under special circumstances,
they will act as prooxidants and damage membranes, DNA, cellular structures and
enzymes. This behaviour of carotenoids is thought to depend on their concentration
and to an accumulation of carotenoid radicals due to a low repair by other
antioxidants like lycopene or vitamin C.
Cell protection was demonstrated against nitrogen dioxide, peroxynitrite anion and
also UVA by beta-carotene in the presence of vitamin E and C in a synergism
compared with the effect of the individual antioxidants. This is explained in terms of
an electron transfer reaction in which the charged carotenoid radical can relocate
itself inside the membrane and be repaired by vitamin C. In cases of a high
concentration of beta-carotene radical cation together with a low level of vitamin C an
increased level of carcinogenesis was found. Uncharged carotenoid radicals cannot
be repaired in this way and will lead to only an additive effect of all included
antioxidants. The quenching of singlet oxygen by carotenoids gives mainly an
oxidized product without the possibility of a repair of the antioxidant.
Carotenoid radical cations can be replaced (and repaired) in a specific relative order
in terms of reduction potential. So, lycopene with the lowest redox potential of
approx. 0.96 V is able to repair the beta-carotene cation, beta-carotene the
zeaxanthin cation, followed respectively by lutein, canthaxanthin and astaxanthin. In
the process of radical trapping by single carotenoids an optimal concentration of the
antioxidant for protection against lipid peroxidation can be determined. This
concentration depends on the structure of the carotenoid.
The most efficient single carotenoid seems to be lycopene. It is able to quench highly
sufficient nitrogen dioxide (radical), singlet oxygen, reactive species arising from UVA
irradiation as well as the products of the photosensitazion of protoporphyrin IX.
Special protection factors could be calculated. This underlines the clinical findings for
persons taking lycopene reach diet in preventing several carcinomas.
77
Management der Retinabelichtung (MRL)
Wolfgang Ehrenstein
Angewandte Physiologie (140), Universität Hohenheim
Flandernstr. 103, D-73732 Esslingen
Zusammenfassung: Einleitend wird die Bedeutung des Auges als Rezeptororgan
für Lichtwirkungen auf vegetative Regulationen und das Timing System referiert.
Anschließend werden Konsequenzen dieser Erkenntnisse für eine zeitgemäße
Gestaltung der Beleuchtung diskutiert. Erst seit wenigen Jahrzehnten stehen
künstliche Lichtquellen zur Verfügung, mit denen die Photorezeptoren des Timing
Systems wirksam stimuliert werden können. Dadurch wird das ´Diktat der Nacht´ in
Bezug auf die Phasenlage der biologischen Uhr immer wirksamer durchbrochen.
Daraus entstehen wachsende Potenziale für positive und negative Einflüsse der
natürlichen und künstlichen Beleuchtung auf Gesundheit und Wohlbefinden.
Trotz ständiger Fortschritte der Beleuchtungstechnik wurden in der Vergangenheit
die physiologischen Bedürfnisse des Timing Systems zu wenig berücksichtigt. Die
dadurch entstandenen gesundheitlichen Risiken können mit einem zeitgemäßen
Management der Retinabelichtung (MRL) nicht nur vermindert sondern durch eine
aktive Förderung der Gesundheit ersetzt werden. MRL eröffnet neue Möglichkeiten
für eine humane Gestaltung der 24-Stunden-Gesellschaft. Dafür muss die circadiane
Beleuchtungstechnologie (CLT) zielstrebig fortentwickelt und verstärkt verwendet
werden. Dringend notwendig ist eine Intensivierung der Feldforschung, um die
Auswirkungen der CLT auf die Menschen umfassender als bisher zu untersuchen
und zu dokumentieren. Unerlässlich ist eine bessere Aufklärung der Allgemeinheit
über positive und negative Wirkungen der natürlichen und künstlichen Beleuchtung
auf Gesundheit und Wohlbefinden, um eine sachgemäße Nutzung der CLT zu
fördern und gesundheitliche Risiken durch eine unsachgemäße Anwendung zu
vermeiden. Längerfristig sind starke Auswirkungen von CLT und MRL auf
gesellschaftliche Zeitstrukturen zu erwarten, mit positiven oder negativen Rückwirkungen auf humane Nutzungsmöglichkeiten der neuen Beleuchtungstechnologien. Politik und Gesellschaft sollten sich mit den Auswirkungen der heraufziehenden circadianen Beleuchtungstechnologie eingehender als bisher auseinandersetzen.
78
Das Auge, ein Sinnesorgan für die räumliche und die zeitliche Orientierung
Durch die Entdeckung einer direkten Nervenbahn zwischen Netzhaut und
Hypothalamus, des retinohypothalamischen Trakts (RHT) [38; 60], durch die
anschließende
Lokalisierung
suprachiasmaticus
(SCN)
der
und
biologischen
durch
die
Uhr
im
Erforschung
paarigen
Nucleus
dieses
zentralen
Schrittmachers und des übrigen Timing Systems hat sich unser Verständnis über die
Funktion des Auges grundlegend gewandelt [1; 74].
Lange Zeit galt das Auge ausschließlich als Sehorgan. Die Beleuchtungstechnik sah
ihre wesentliche Aufgabe darin, die jeweiligen Sehaufgaben durch eine natürliche
oder künstliche Beleuchtung angemessen zu befriedigen.
Eine Zeitlang gaben manche Fachleute einer künstlichen Beleuchtung am
Arbeitsplatz sogar den Vorrang vor einer natürlichen Beleuchtung mit Tageslicht, weil
sich eine konstante künstliche Beleuchtung den gleich bleibenden Sehanforderungen
an vielen Arbeitsplätzen leichter anpassen lässt als das sich ständig ändernde
Tageslicht.
Nach wie vor besteht eine hohe Wertschätzung des Tageslichts am Arbeitsplatz trotz
aller Fortschritte der Beleuchtungstechnik mit künstlichem Licht [11]. Meist wird der
Wunsch nach Sichtkontakt mit der Außenwelt als Grund angeführt, wenn trotz
direkter Sonneneinstrahlung und Blendwirkungen ein Platz am Fenster einem
fensterfernen Arbeitsplatz vorgezogen wird.
Die Erforschung des Timing Systems hat diese Ansicht nicht widerlegt, wohl aber
durch einen wesentlichen Aspekt ergänzt. Nur in der Netzhaut sind die
Lichtrezeptoren lokalisiert, die unter natürlichen Bedingungen die Phase des
zentralen Schrittmachers des Timing Systems in Relation zum tageszeitlichen
Rhythmus der Sonnenlicht-Immission
bestimmen [24]. Weil für die Erfüllung der
Sehaufgaben in der Regel weniger Licht benötigt wird als für die angemessene
Stimulierung der circadianen Photorezeptoren, wird ein Lichtmangel des Timing
Systems an vielen Arbeitsplätzen, deren Ausleuchtung auf die Sehaufgaben
ausgerichtet ist, durch den gelegentlichen Blick ins Freie gestillt oder gemindert.
Vor einigen Jahren schien eine Aufsehen erregende Publikation darauf hinzudeuten,
dass unbekannte Lichtrezeptoren in der Haut oder den darunter liegenden Organen
ebenfalls in der Lage seien, die Phase des zentralen Schrittmachers im Timing
79
System zu beeinflussen [13]. Zahlreiche Nachuntersuchungen konnten diese
Hypothese aber nicht bestätigen [21; 36; 42; 46; 50; 51; 53; 54; 67; 84].
Unter natürlichen Bedingungen passt das Timing System die vegetative Steuerung
den solaren Lichtverhältnissen an. Es erzeugt im Körper als funktionelles Korrelat
des
externen
Tag-Nacht-Wechsels
leistungsorientierten
ergotropen
den
Phase,
stetigen
dem
Wechsel
biologischen
zwischen
einer
und
einer
Tag,
trophotropen Phase; diese biologische Nacht begünstigt Schlaf, Ruhe und Entspannung.
Das Auge ist also weit mehr als ein Sehorgan, das der Objekterkennung und
räumlichen Orientierung dient; es enthält auch die Lichtrezeptoren des Timing
Systems für die zeitliche Orientierung des Organismus in der Umwelt.
Dieses System besteht aus hierarchisch geordneten, vielfältig miteinander
verknüpften Rückkopplungskreisen. Mit seiner Hilfe kann sich der Organismus an die
tagesund jahreszeitlich wechselnden Lebensbedingungen seiner ökologischen
Nische anpassen, indem er sich antizipatorisch darauf vorbereitet.
Alle bislang untersuchten Lebewesen – Einzeller, Pflanzen, Tiere und Menschen besitzen ein Timing System. Biologische Timing Systeme existieren wahrscheinlich
seit mehr als 3 Milliarden Jahren, denn Prokaryonten, z. B. die Blaualgen, besitzen
ein Timing System [45]. Ubiquitäres Vorkommen und phylogenetisches Alter
sprechen für die vitale Bedeutung des Systems.
Lichtrezeptoren des Timing Systems
Seit wenigen Jahren ist es möglich, in der Netzhaut die Nervenzellen zu
identifizieren, die die Fasern des RHT bilden [34]. Es handelt sich um 1 – 2 % der
Zellen der Ganglienzellschicht. Im Tierexperiment können diese Zellen in vivo einzeln
elektrophysiologisch abgeleitet werden [5]. Blockiert man pharmakologisch sämtliche
Synapsen in der Netzhaut, so lässt sich eine solche Ganglienzelle durch Licht
erregen im Gegensatz zur großen Mehrheit der Ganglienzellen der Netzhaut, die
dem visuellen System zuzurechnen sind und unter den gleichen Bedingungen nicht
auf Belichtung reagieren.
Die Reizantworten der Ganglienzellen des Timing Systems sind ungewöhnlich träge
im Vergleich zu den Antworten der Ganglienzellen des visuellen Systems. Die Zellen
80
adaptieren wenig an eine Dauerbelichtung und zeigen nach dem Absetzen eines
wirksamen Lichtreizes minutenlange Nachentladungen; ihre rezeptiven Felder sind
ungewöhnlich groß, ihre Absolutschwelle liegt einige Größenordnungen über der
Absolutschwelle der Photorezeptoren des visuellen Systems.
Nicht in allen Zellen des RHT wurde Melanopsin nachgewiesen [30; 31]. Durch
gentechnische Manipulation wurden Mäuse erzeugt, die kein Melanopsin bilden
können. Dennoch passt sich die Phase der biologischen Uhr dieser Tiere dem TagNacht-Wechsel an, wenn auch in stark abgeschwächter Form [66]). Wird die
Synthese von Melanopsin in Mäusen ausgeschaltet, denen infolge einer erblichen
Degeneration auch die Stäbchen und Zapfen fehlen, so lässt sich der zentrale
Schrittmacher durch Licht nicht mehr synchronisieren [65]. Das spricht dafür, dass
nichtvisuelle
und
visuelle
Rezeptorsysteme
bei
Säugern
die
biologischen
Lichtwirkungen auslösen.
Die räumliche Anordnung der retinalen Lichtrezeptoren unterscheidet sich zwischen
dem Timing System und dem visuellen System. Die Rezeptoren des Timing Systems
sind weniger im Zentrum konzentriert sondern gleichmäßiger über die ganze
Netzhaut verteilt [34]. Nimmt man die Hemmung der nächtlichen Sekretion von
Melatonin als Kriterium, so sind die dafür verantwortlichen Rezeptoren beim
Menschen vor allem in der unteren Netzhauthälfte lokalisiert [29]. Bei horizontaler
Blickrichtung werden diese Rezeptoren im Freien vom Himmelslicht stimuliert.
Melatonin, das körpereigene Signal für die Nacht
Melatonin ist das wichtigste Hormon der Epiphyse. Fast alle Körperzellen erfahren
über den Melatoninspiegel im Blut, wann sich der Tag dem Ende neigt und wann am
folgenden Morgen die Dämmerung beginnt: Das Melatonin ist das körpereigene
Signal für die Nacht. Die Freisetzung dieses Hormons wird vom SCN kontrolliert [16].
Der SCN lässt sich anatomisch und funktionell in Kern und Schale unterteilen [59].
Viele nachgeschaltete, untergeordnete Zentren des Timing Systems, unter ihnen
auch die Epiphyse, werden vom SCN doppelt innerviert, zum einen aus dem Kern,
zum anderen aus der Schale [47].
Die biologische Uhr ist in der Schale lokalisiert, deren circadiane Phase unter
natürlichen Bedingungen durch den Tag-Nacht-Wechsel bestimmt wird. Vermeidet
81
man eine Netzhautbelichtung, die die retinalen Rezeptoren des Timing Systems
wirksam zu stimulieren vermag, z. B. durch einen mehrtägigen Aufenthalt in einem
unterschwelligen Dämmerlicht, so wird die Sekretion des Melatonins nur durch die
biologische Uhr bestimmt.
Diese hemmt die Sekretion während der ergotropen Phase und gibt sie während der
trophotropen Phase frei. Hält man noch weitere Bedingungen konstant, z. B. die
Motilität und den Wachzustand, indem man während einer sog. „constant routine“
den
Schlaf
verbietet,
so
lässt
sich
aus
dem
gemessenen
circadianen
Melatoninrhythmus derzeit am genauesten die Phase des zentralen Schrittmachers
des Menschen bestimmen.
Die Sekretion von Melatonin kann während der trophotropen Phase durch die direkte
biologische Wirkung eines retinal absorbierten überschwelligen Lichtreizes gehemmt
werden.
Diese
Wirkkomponente
wird
der
Epiphyse
anscheinend
über
calbindinhaltige Neurone des suprachiasmatischen Kerns vermittelt [47]. Sie zählt in
chronobiologischer Terminologie zur Gruppe der maskierenden Wirkungen, die einen
circadianen Rhythmus überlagern können und dann die Rückschlüsse aus
peripheren Tagesrhythmen auf die Eigenschaften der biologischen Uhr erschweren.
Die physiologische Bedeutung der direkten melatoninsuppressiven Wirkung des
Lichts dürfte darin bestehen, den erheblichen, stochastischen, witterungsbedingten
Schwankungen der Tageslichtimmission Rechnung zu tragen, die sich den tagesund jahreszeitlichen Rhythmen überlagern.
Die nächtliche Suppression von Melatonin wurde benutzt, um beim Menschen die
spektrale
Empfindlichkeit
der
dafür
verantwortlichen
Netzhautrezeptoren
zu
bestimmen. Das Empfindlichkeitsmaximum liegt im kurzwelligen sichtbaren Bereich
zwischen 460 und 480 nm [7; 77].
Melatonin senkt die Körpertemperatur [9] und macht müde [10; 19]. Während der
trophotropen Phase der Nacht kann taghelles Licht durch die Suppression der
Melatoninsekretion jederzeit die Müdigkeit am Arbeitsplatz akut und wirksam
reduzieren. Allerdings ist es unmöglich, durch technische Modifikationen der
Beleuchtung diese direkten aktivierenden Wirkungen des Lichts auszulösen ohne
gleichzeitig die biologische Uhr zu verstellen. Beide Wirkkomponenten werden von
den selben Impulsen ausgelöst, die den SCN über den RHT erreichen.
82
Abend- und Morgenoszillator
Der zentrale Schrittmacher ist funktionell in zwei miteinander gekoppelte Partitionen
gegliedert, die als Abend- und Morgenoszillator bezeichnet werden [17; 64]. Die
beiden Oszillatoren organisieren die Übergange zwischen dem biologischen Tag und
der biologischen Nacht. Diese Übergänge werden normalerweise durch die
Zeitstrukturen der Netzhautbelichtung bestimmt. Durch das Zusammenspiel des
Outputs vom Abend- und Morgenoszillator ändert sich das zeitliche Verhältnis von
ergotroper und trophotroper Phase im Wechsel der Jahreszeiten: Die Dauer der
ergotropen Phase korreliert mit der Photoperiode, d. h. der Tageslänge. Der zentrale
Schrittmacher verfügt über eine Art Gedächtnis, so dass er trotz witterungsbedingter
Schwankungen des Tageslichts die langsamen jahreszeitlichen Änderungen der
Photoperiode erkennen kann. Der Abendoszillator gibt u. a. die Sekretion von
Melatonin frei, der Morgenoszillator hemmt sie [82].
Phasen-Antwort-Kurve (Phase Response Curve, PRC)
Eine bestimmte Beleuchtung hat unabhängig von der Tageszeit konstante Auswirkungen auf den Sehprozess, sieht man von den kurzen Zeiten der Adaptation an
eine veränderte Beleuchtung ab.
Die Auswirkungen der gleichen Beleuchtung auf das Timing System hängen
dagegen in starkem Maße von der Phase des zentralen Schrittmachers ab, in der
das Licht auf die Netzhaut fällt, und betreffen nicht zuletzt die Phase dieses
Schrittmachers selbst.
Nur in der Mitte der ergotropen Phase beeinflusst ein starker Lichtreiz die Phase des
zentralen Schrittmachers nicht [44]. Beim Übergang von der ergotropen in die
trophotrope Phase und während der ersten Hälfte der trophotropen Phase wirkt der
gleiche Lichtreiz auf die Phase des Abendoszillators ein und verlagert sie um so
mehr in spätere Stunden (phase delay), je später er auf die Netzhaut fällt.
Unmittelbar nach der Mitte der trophotropen Phase bewirkt der gleiche Lichtreiz
einen sehr starken Vorschub der Phase des Morgenoszillators in frühere
Morgenstunden (phase advance). Diese Wirkung schwächt sich gegen Ende der
trophotropen Phase immer mehr ab und ist in der ergotropen Phase einige Stunden
später gänzlich verschwunden. Diese Zusammenhänge werden üblicherweise in
Form einer Phasen-Antwort-Kurve graphisch dargestellt [61].
83
Licht, das die circadianen Photorezeptoren stimuliert, übt demnach nahezu rund um
die Uhr einen Einfluss auf die Phase des zentralen Schrittmachers aus, wenn auch je
nach circadianer Phase in unterschiedlicher Stärke und Richtung.
Neuere experimentelle Befunde [39], theoretische Überlegungen und Modellrechnungen sprechen dafür, dass die Wirkungen eines überschwelligen Lichtreizes auf
den zentralen Schrittmacher aus einer Kombination einer kurzfristig erfolgenden
Phasenanpassung und einer längerfristig überdauernden Änderung der Periodendauer
bestehen [3; 4]. Dadurch dürfte die Periodendauer des zentralen Schritt-
machers des normalen, nicht erblindeten Menschen im realen Leben sehr nahe bei
24-Stunden liegen und nicht um eine viertel bis ganze Stunde von diesem Wert
abweichen, wie dies bei konstantem Dämmerlicht im sog. freien Lauf beobachtet
wird.
Abend- und Morgenoszillator sind miteinander gekoppelt [64]. Aus ihrem Zusammenwirken ergibt sich die Phase des zentralen Schrittmachers in Relation zum TagNacht-Wechsel. Unter der Einwirkung des natürlichen Tag-Nacht-Wechsels ändert
sich diese Phase im Laufe der Jahreszeiten nicht. Wohl aber ändert sich gegenläufig
zueinander die Dauer der ergotropen und der trophotropen Phase in Korrelation zum
jährlichen Wechsel der Photoperiode.
In der ergotropen Phase ist der Mensch lichthungrig, in der trophotropen Phase
lichtscheu. Durch diese tagesrhythmisch wechselnde Einstellung zum Licht werden
Verhaltensweisen gefördert, die die Einwirkung des natürlichen Tag-Nachtwechsels
auf die retinalen Zeitnehmer begünstigen und dadurch die Phase des zentralen
Schrittmachers stabilisieren.
Schlaf-Wach-Steuerung
Von allen Tagesrhythmen, die unser Leben beeinflussen, ist der tägliche Wechsel
zwischen Wachen und Schlafen der augenfälligste und einschneidendste. Dieser
kann in erster Annäherung durch das Zusammenwirken eines circadianen Prozesses
C mit einem homöostatischen Prozess S erklärt werden [18]. Dabei bleiben weitere
Faktoren unberücksichtigt, z. B. ultradiane Komponenten (REM-NREM-Zyklus) [49;
72], Monotonie, äußere Störfaktoren oder soziale Zwänge.
84
Die Einschlafneigung entsteht nach diesem experimentell gesicherten Modell aus
dem Zusammenwirken beider Prozesse. Der Prozess C erzeugt eine circadiane,
sinusartig schwankende Komponente, mit niedriger Schlafneigung in der ergotropen
Tagphase und erhöhter Schlafneigung in der trophotropen Nachtphase. Der Prozess
S erzeugt eine Komponente, die im Wachzustand langsam, kontinuierlich und
exponentiell ansteigt und im Schlaf schneller, kontinuierlich und exponentiell wieder
abfällt.
Aus dem Zusammenwirken beider Prozesse ergeben sich vielfältige Möglichkeiten
zur Gestaltung des Schlaf-Wach-Verhaltens. Legt man Wert auf die in unserer
Zivilisation übliche, einzige, konsolidierte Schlafphase, die beim Erwachsenen im
Durchschnitt 7 – 8 Stunden dauert, so gibt es während eines 24-Stunden-Tages nur
eine, genau definierte, circadiane Phasenlage, in der ein Schlaf absolviert werden
kann ohne gehäufte Unterbrechungen durch intermittierte Wachphasen [15]. Diese
circadiane Phasenlage ist anscheinend optimal für die gesundheitsförderlichen und
erholsamen Wirkungen des Schlafs mit seinen positiven Auswirkungen auf die
Qualität der nachfolgenden Wachphase.
Arbeitet man in der trophotropen und schläft in der ergotropen Phase, wie das bei
Nachtarbeit üblich aber nicht notwendig ist, so sind die Qualitäten von Schlafen und
Wachen gleichermaßen beeinträchtigt. Solche von der Norm abweichenden
Verhaltensmuster stören die zeitliche Funktionsordnung der vegetativ-hormonellen
Steuerungsprozesse [79].
Beispielsweise zeigen die Blutspiegel von Melatonin, Cortisol, Prolaktin, TSH und
Somatotropin
ausgeprägte
Tagesrhythmen
unterschiedlicher
Gestalt
mit
unterschiedlichen Lagen ihrer Tagesmaxima und –minima. Diese scheinen bei der
optimalen Phasenzuordnung von Schlaf und Circadianrhythmik zeitlich optimal
aufeinander abgestimmt zu sein. Die Rhythmen von Melatonin und Cortisol sind ganz
überwiegend an die Phase des zentralen Schrittmachers gekoppelt, Somatotropin an
den Prozess S. Bei einer Verschiebung des Schlafes in Relation zur circadianen
Phase wird deshalb die normale Zeitordnung vegetativer Funktionen erheblich
gestört. Solche Störungen werden neben dem Schlafdefizit als wesentliche Ursache
der Befindlichkeitsstörungen betrachtet, die typisch sind für diese Art von
Nachtarbeit.
85
Müdigkeit und Befindlichkeitsstörungen sind die Faktoren, die eine Rückkehr des
Schlafes in die optimale circadiane Phasenlage begünstigen und nach dieser
Normalisierung wieder verschwinden.
Im Alter werden die Prozesse C und S durch zerebrale Abbauvorgänge fragiler und
schwächer, insbesondere der Prozess S. Dadurch ergibt sich eine noch größere
Abhängigkeit der Schlafqualität von der circadianen Positionierung des Schlafes.
Amplitude und Phase der circadianen Rhythmen können durch die retinale
Belichtung beeinflusst werden. Dadurch ergeben sich wirksame Möglichkeiten, mit
Hilfe einer retinalen Belichtung am Tage die beeinträchtigte Schlafneigung und
Schlafqualität alter Menschen zu verbessern.
Fortschritte der Beleuchtungstechnik schwächen das ´Diktat der Nacht´
Der Mensch ist ein Augenwesen. In der Natur steht zum Sehen fast ausschließlich
das gestreute oder reflektierte Sonnenlicht zur Verfügung. Der überwältigenden
Lichtfülle am Tage folgt der eklatante Lichtmangel der Nacht, in der das Mondlicht
die stärkste natürliche Lichtquelle ist, sieht man vom Schein eines Feuers einmal ab.
Der Gesichtssinn hat sich an diese extremen, täglichen Schwankungen des
natürlichen Lichts genetisch angepasst. Er adaptiert in kurzer Zeit an die jeweils
herrschende, mittlere Leuchtdichte im Gesichtsfeld. Langsame tageszeitliche
Änderungen der Lichtintensität können auf diese Weise unserer visuellen
Wahrnehmung weitgehend entgehen. Ohne künstliche Lichtquellen können wir uns
selbst bei Nacht noch visuell orientieren – wenn auch erheblich eingeschränkt. Nur
bei absoluter Dunkelheit müssen wir auf den Gesichtssinn verzichten.
Die natürlichen Lichtquellen sind bei Nacht zu schwach, um die retinalen
Lichtrezeptoren des Timing Systems zu stimulieren. Die circadianen Rezeptoren
adaptieren wenig; ihre Aufgabe besteht darin, die Leuchtdichte im Gesichtsfeld zu
messen.
Am Tage können wir uns dem Tageslicht leicht entziehen, indem wir die Augen
schließen und dunkle Räume aufsuchen. Bei Nacht stehen umgekehrt aber keine
taghellen,
natürlichen
Lichtquellen
zur
Verfügung,
denen
wir
uns
durch
Modifikationen unseres Verhaltens aussetzen könnten. Stärker noch als der
Lichthunger bei Tage bestimmt daher in der freien Natur die unausweichliche
86
Dunkelheit der Nacht die Phase der biologischen Uhr. Ohne künstliche Lichtquellen
steht die Phase des zentralen Schrittmachers unseres Timing Systems unter dem
´Diktat der Nacht´.
Seit vorgeschichtlicher Zeit verfügt der Mensch durch die Verbrennung organischer
Materialien über Lichtquellen, mit denen er die Sehbedingungen im Nahfeld während
der Nacht verbessern kann (Feuer, Fackeln, Kerzen). Mit diesen schwachen
Lichtquellen können die Netzhautrezeptoren des Timing System kaum erregt
werden, zumal das von ihnen emittierte Licht wegen der niedrigen Verbrennungstemperaturen nur geringe Anteile aus dem kurzwelligen Ende des sichtbaren
Spektrums enthält. Vor der Einführung des elektrischen Lichts ließ sich das ´Diktat
der Nacht´ mit künstlichen Lichtquellen nicht unterlaufen.
Seit der Erfindung der Gasbeleuchtung und des elektrischen Lichts ändert sich die
Situation
mehr
und
mehr.
Durch
die
Glühlampe
verbesserten
sich
die
Sehbedingungen bei Nacht erheblich. Die erste Nachthälfte öffnete sich für eine
immer breitere Palette beruflicher und außerberuflicher Wachaktivitäten. Infolge
eines immer breiteren Freizeitangebots entwickelte sich die moderne Abendgesellschaft; die Stunden zwischen Sonnenuntergang und Mitternacht wurden für
viele Menschen zur attraktivsten Zeit des 24-Stunden-Tages.
Die zweite Nachthälfte als Schlaf- und Ruhezeit wird durch Glühlampenlicht nicht
ernsthaft gefährdet. Wir wissen heute, dass dieses Licht in der Regel auf Grund
seines Spektrums und seiner Intensität nicht in der Lage ist, die nächtliche Sekretion
von Melatonin wesentlich zu hemmen. In Kombination mit einer Verdunkelung des
Schlafraums, die das Morgenlicht fernhält, ist
abendliches Glühlampenlicht aber
durchaus in der Lage, die Phase des zentralen Schrittmachers durch ein Phasen
delay um einige Stunden zu verschieben.
Mit der Einführung der Leuchtstoffröhre war es erstmals möglich, die Farbtemperatur
des elektrischen Lichts der Farbtemperatur des Sonnenlichts anzugleichen und eine
nahezu taghelle Beleuchtung eines Arbeitsplatzes mit vertretbarem Aufwand zu
realisieren. Seither besteht die Möglichkeit, den Tag-Nacht-Wechsel mit Hilfe
künstlicher Lichtquellen individuell umzukehren und nicht nur den ´Tag zur Nacht´
sondern auch die Ńacht zum Tage´ zu machen.
87
Management der Retinabelichtung
Es eröffneten sich neue Möglichkeiten zur Gestaltung von Nacht- und Schichtarbeit,
die vor mehr als einem Jahrzehnt in den USA für die Entwicklung der circadianen
Lichttechnologie (CLT) genutzt wurden (http://www.shiftwork-resources.com/) [22;
23]. CLT wurde in mehreren Betrieben erfolgreich eingesetzt und erprobt. Der
allgemeine
Durchbruch
misslang
seinerzeit
angesichts
hoher
Kosten
und
mangelnden Interesses potentieller Anwender. In letzter Zeit ist das Interesse an der
Funktionsweise des Timing Systems sprunghaft gestiegen.
Da die Wirkung einer Beleuchtung auf das Timing System stark von der circadianen
Phasenlage jedes Individuums abhängt, kann die Wirkung einer lokalen Beleuchtung
(z. B. am Arbeitsplatz) auf ein Timing System nur annähernd abgeschätzt werden.
Es
kommt
darauf
an,
dem
Nutzer
an
den
jeweiligen
Aufenthaltsorten
anwenderfreundliche Beleuchtungstechnologien zur Verfügung zu stellen, die
bestimmte Zeitstrukturen vorgeben aber individuelle Entscheidungen in begrenztem
Ausmaße ermöglichen und tolerieren.
Das Timing System ist ausgelegt, eine bestehende Phasenlage zu stabilisieren,
indem geeignete Verhaltensweisen (z. B. Schlafen und Wachen) über Stimmungen
und Befindlichkeiten (z.B. Müdigkeit, Einstellung zum Licht) gefördert werden. Seine
Funktionstüchtigkeit beruht auf der Phasenstabilität des Zeitgebers Tageslicht. Wird
diese Phasenstabilität durch künstliches Licht aufgehoben, können die ererbten
Steuerungsmechanismen kontraproduktive Verhaltensweisen begünstigen.
Soll die circadiane Phasenlage bewusst verändert werden, z. B. beim Wechsel von
der Tag- zur Nachtschicht oder beim Zeitzonenwechsel, fehlt ein Sinnesorgan, dass
bei
der
notwendig
rationalen
Verhaltenssteuerung
die
dafür
geeigneten
Informationen liefern könnte.
Bei der chronobiologischen Adaptation an Nachtarbeit können sich z. B.
Nachtschwestern durchaus für längere Zeit vom taghell erleuchteten Schreibtisch
des
Stationszimmers
Schlafräumen
entfernen
versorgen,
ohne
und
die
die
Patienten
beabsichtigte
in
den
abgedunkelten
Phasenanpassung
ihrer
biologischen Uhr zu gefährden, wenn sie nur gelegentlich in regelmäßigen
Abständen zum Schreibtisch zurückkehren, um sich während der dortigen Tätigkeit
eine neue ausreichende Lichtdusche für ihre circadianen Photorezeptoren zu holen
[6]. Wie viel hilfreicher wäre es für diese Schwester, wenn sie nicht von einer
88
Doktorandin überwacht werden und ständig an die Einhaltung der verordneten
Schreibtischaufenthalte erinnert werden müsste, sondern von einem kleinen Gerät
jederzeit dezent informiert würde, das mit Hilfe eines circadianen Lichtsensors die
aufsummierte Netzhautbelichtung erfasst und bewertet und signalisiert, welche der
beiden Tätigkeiten momentan optimal wäre.
Am Handgelenk getragene Aktographen, (http://www.minimitter.com), die es
gestatten, das Schlaf-Wach-Verhalten über Wochen und Monate aufzuzeichnen,
können für die eigene Verhaltenssteuerung und –planung ebenfalls hilfreich sein. Sie
sollten nur von Designern noch einmal überarbeitet werden, um ihre Akzeptanz
außerhalb von Wissenschaft und Medizin zu erhöhen.
Technologien können immer nur die Voraussetzungen aber niemals die Gewähr für
ihre sinnvolle Nutzung liefern. Es kommt also darauf an, die Anwender über die
Wirkungsweise der Technologien aufzuklären und sie in deren Anwendung zu
schulen.
Die Empfehlungen in den dafür erforderlichen Unterlagen müssen durch eine
intensive Feldforschung über die tatsächlichen Auswirkungen der eingesetzten
Verfahren validiert und verbessert werden.
Tageslichtnutzung
Die Nutzung des Tageslichts für die Beleuchtung von Innenräumen ist nicht nur aus
energetischen Gründen angezeigt. Das Timing System hat sich an diese Lichtquelle
in den langen Perioden der Erdgeschichte genetisch angepasst. Tageslicht sollte
deshalb zur Befriedigung der Bedürfnisse des Timing Systems vorrangig eingesetzt
werden.
Bis vor wenigen Jahrzehnten war Tageslicht für alle Mitglieder der Gesellschaft der
unbestrittene, maßgebliche Zeitgeber ihrer biologischen Uhr und sicherte durch seine
synchronisierende Wirkung die Akzeptanz und Respektierung der tageszeitlichen
sozialen Ordnung. Das wird durch die künstlichen Lichtquellen der modernen
Industriegesellschaft immer mehr in Frage gestellt.
Die Menschen der modernen Industriestaaten halten sich im Alltag mehrheitlich ganz
überwiegend in geschlossenen Räumen auf [14; 33; 35; 62; 70]. Sie entziehen sich
dadurch mehr oder minder dem Einfluss des Tageslichts auf ihr Timing System und
89
ergänzen oder ersetzen den Mangel durch ein immer wirksameres Kunstlicht, das
jederzeit zur Verfügung steht und dadurch den diktatorischen Einfluss der Nacht auf
die circadiane Phase ihrer biologischen Uhr unterhöhlt.
Eine verbesserte Tageslichtnutzung in Innenräumen fördert deshalb nicht nur das
individuelle Wohlbefinden und die Gesundheit, sie erleichtert und fördert auch die
Akzeptanz und Einhaltung sozialer Normen des Tagesablaufs, z. B. die Einhaltung
der Nachtruhe.
Die relativ spärlichen, über die Netzhaut einigermaßen gleichmäßig verteilten, sehr
trägen Rezeptoren des Timing Systems benötigen für eine angemessene
Stimulierung große, nicht blendende Lichtquellen für längere Zeit im Gesichtsfeld.
Schaut man sich in einem normalen Büro tagsüber um, so bildet der Himmel hinter
dem Fenster in der Regel den flächigen Ausschnitt mit der höchsten Leuchtdichte.
Meistens blendet dieser Ausschnitt nicht, er ist blickattraktiv, himmlisch.
Nimmt man die Zeitgeberfunktion einer Beleuchtung bei Nachtarbeit als Indikator, so
sprechen Laborexperimente dafür, dass regelmäßige, mehrminütige, sättigende
Reizungen der circadianen Rezeptoren durch mehrfach lange Dunkelphasen
unterbrochen werden können [43; 48], ohne die Wirkung auf das Timing System
wesentlich zu beeinträchtigen. Ein gelegentlicher längerer Blick aus dem Fenster
kann also dazu dienen, den Lichthunger des Timing Systems durch wiederholte
Lichtduschen zu befriedigen.
Tageslichtergänzung
Auch die beste Tageslichtnutzung an Arbeitsstätten und in Wohnungen kommt ohne
ergänzendes Kunstlicht nicht aus. Die tägliche Schlafzeit des Erwachsenen beträgt
im Mittel etwa 7 – 8 Stunden [26], ist also wesentlich kürzer als lange Winternächte.
Durch eine moderne Beleuchtung kann die Hellphase im Winter künstlich verlängert
werden. Das Timing System bemisst die Tageslänge nach dem hinreichenden
Vorkommen von Licht aus dem kurzwelligen Teil des sichtbaren Spektrums. Wenn
wir die ergotrope Phase im Winter künstlich verlängern wollen, empfiehlt es sich,
tageslicht- oder kaltweißes Kunstlicht zu verwenden und die Raumwände weiß oder
hell zu gestalten. Durch diese Maßnahmen kann die Melatoninsekretion gehemmt
und dadurch der abendlichen Ermüdung vorgebeugt werden.
90
Zu Hause wird in den meisten Wohnungen am Abend eine warme Feierabendbeleuchtung eingeschaltet, die die Melatoninsekretion nicht hemmt, wohl aber
hinreichende Sehbedingungen schafft, so dass eine mehrstündige Zeitspanne für
Feierabendbeschäftigungen
zur
Verfügung
steht,
in
der
die
biologischen
Vorbereitungen auf den Schlaf relativ ungestört fortschreiten können [37; 56].
Eine taghelle Beleuchtung während der trophotropen Phase der Nacht vermindert
zwar die Müdigkeit durch eine maskierende Melatoninsuppression, hat aber negative
Auswirkungen auf die Schlafqualität und birgt möglicherweise ernste gesundheitliche
Risiken. In Tierexperimenten kann durch solche Störungen des Hell-DunkelRhythmus
Krebs
ausgelöst
werden;
epidemiologische
Untersuchungen
am
Menschen deuten in die gleiche Richtung [27].
Zwar scheint der Wunsch nach kaltem, taghellem Licht am Feierabend zu Hause
gering zu sein, wie der Blick auf die warmgelb erleuchteten Fenster eines
Wohnviertels am Abend zeigt. Diese vermutlich circadian geregelte Präferenz kann
aber am Arbeitsplatz durch externe oder interne Leistungsanforderungen überspielt
werden, mit dem Risiko unerwünschter Nebenwirkungen für die Gesundheit durch
eine Art ´Lichtdoping´.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die Bildschirme der PC und Fernseher
immer brillanter und größer werden. Sie emittieren in erheblichem Maße kurzwelliges
Licht, das die melanopsinhaltigen Netzhautrezeptoren stimuliert und für manche
Schlafstörungen mitverantwortlich sein könnte. Eine wissenschaftliche Überprüfung
des Risikos erscheint angezeigt.
Künstliche Beleuchtungen lassen sich in den meisten Fällen nicht dimmen. Sind
Dimmer vorhanden, so werden sie meist per Hand bedient oder die automatische
Regelung orientiert sich am schnell adaptierenden Gesichtssinn. Für langsame
Änderungen analog dem Verlauf des Tageshelligkeit werden erst in jüngster Zeit
rechnergesteuerte Regelsysteme angeboten. In Zukunft sollten solche Systeme in
die Programmierung nicht nur die Helligkeit sondern auch das Spektrum
einbeziehen.
91
Tageslichtergänzung für Senioren
Altersveränderungen führen zu einer Amplitudenminderung circadianer Rhythmen
[20]. Die Koordination der verschiedenen Rhythmen durch den zentralen Schrittmacher wird fragiler, insbesondere bei krankhaften Abbauprozessen wie der
Alzheimerschen Demenz [40; 52; 57; 68; 75; 76; 78; 86].
Gleichzeitig wird die Netzhautbelichtung durch Trübung der brechenden Medien
reduziert [8]. Der Lichtbedarf alter Menschen steigt an, nicht nur für das Sehen
sondern auch für die erhöhten Bedürfnisse des Timing Systems.
Diese Bedürfnisse können durch einen häufigen Aufenthalt im Freien kompensiert
werden [83], wofür im Rentenalter günstige Voraussetzungen bestehen, sofern nicht
die Gesundheit einen Strich durch die Rechnung macht.
Bei ständigem Aufenthalt im Hause führt eine unzureichende Stimulierung der
circadianen Photorezeptoren zu einer Lockerung der circadianen Funktionsordnung
mit der Folge erhöhter Schlaf-Wach-Störungen, gesteigerter motorischer Unruhe
und depressiver Verstimmungen [28; 73]. Diese Symptome können durch eine
Steigerung der Retinabelichtung am Tage in den meisten Fällen günstig beeinflusst
werden [2; 12; 32; 41; 55; 58; 63; 69; 71; 80; 81; 85].
Nacht- und Schichtarbeit
Große Wirkpotentiale, gepaart mit großen objektiven Schwierigkeiten bei der
Bereitstellung
der
erforderlichen
Technologien,
der
Einführung
betriebs-
organisatorischer Anpassungen und der Überwindung von Vorbehalten, machen die
Einführung von CLT und MRL zu einer zentralen, zukunftsträchtigen, für die humane
Gestaltung der 24-Stunden-Gesellschaft unverzichtbaren Aufgabe. Auf Einzelheiten
kann an dieser Stelle nicht näher eingegangen werden, sie sind einer separaten
Publikation vorbehalten [25].
Schlussbemerkung
In der Kürze der Zeit konnten nur einige Aspekte angeschnitten werden, die sich aus
ärztlicher Sicht aus dem Umstand ergeben, dass mit jedem Jahr immer bessere und
preiswertere Geräte zur Verfügung stehen, um dunkle Räume taghell zu erleuchten
92
und das zu jeder Tages- und Nachtzeit, chronochaotisch, je nach Lust und Laune. Es
geht längst nicht mehr darum, ob wir das künstliche Licht dazu verwenden sollen, die
24-Stunden-Gesellschaft zu organisieren. Wir haben nur die Wahl zwischen der
Hinnahme unnötig risikoreicher Anwendungen und einem resignierten Rückblick in
eine angeblich bessere Vergangenheit oder der zielstrebigen Bearbeitung der
anstehenden wissenschaftlichen, technischen, ökonomischen, gesellschaftlichen und
medizinischen Probleme. Dabei sind Zwischenlösungen unvermeidlich, die nicht alle
berechtigten Wünsche erfüllen. Der Maßstab sollte sein, schrittweise schlechtere
Lösungen durch bessere zu ersetzen.
Die Industrie braucht für die Entwicklung der angedeuteten Technologien einen
Markt und dieser Artikel verfolgt die Absicht, durch ärztlich-wissenschaftliche
Aufklärung die Voraussetzungen für diesen neuen Markt zu verbessern. Hat die
Industrie aber einmal Tritt gefasst, ist aus Erfahrung zu befürchten, dass die sinnvolle
Anpassung des gesellschaftlichen Lebens an die rasante Entwicklung wegen des
Beharrungsvermögens eingefahrener Sozialstrukturen mittelfristig schwieriger sein
dürfte als die Verbesserung der Technik. Politik und Gesellschaft sind aufgefordert,
sich mit den sozialen Konsequenzen der circadianen Beleuchtungstechnologie
rechtzeitig und eingehend auseinanderzusetzen.
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101
Cirkadiane Wirksamkeit der Solarstrahlung
1
Helmut Piazena
Schumannstr. 20/21, D-10117 Berlin
Zusammenfassung
Es
werden
Ergebnisse
eines
Vergleichs
von
Daten
der
cirkadianen
Bestrahlungsstärke (Ec) und der Beleuchtungsstärke (Ev) vorgestellt, die auf der
Grundlage spektralradiometrischer Messungen bei wolkenlosem Himmel als
Funktion des Sonnenhöhenwinkels zwischen
- 6,5° und 84° bezüglich des
Horizontes berechnet wurden. Die Berechnungen erfolgten durch Gewichtung der
Daten der spektralen Bestrahlungsstärke mit der spektralen Wirkungsfunktion der
Melatoninsuppression nach Thapan et al. (2001) und Brainard et al. (2001) und mit
dem Wirkungsspektrum der Stimulation visueller Reize bei Helladaptation der Augen
sowie anschließender Integration über die Wellenlänge. Zur Abschätzung der
Verhältnisse an Tagen mit starker Bewölkung wurden Berechnungen für den Fall der
vollständigen Bedeckung des Himmels mit Nimbostratuswolken mit Hilfe der
Meßdaten
und
spektraler
Transmissionsfunktionen
vorgenommen.
Die
photobiologische Bewertung der Daten stützt sich auf Schwellenwerte der
Bestrahlungsstärke, die durch Thapan und Brainard bei einer Bestrahlungsdauer von
30 Minuten experimentell bestimmt wurden. Es zeigt sich, daß das Verhältnis Ec/Ev
und der cirkadiane Wirkungsfaktor acv bei wolkenlosem Himmel wie auch im Fall der
Bedeckung mit Nimbostratuswolken bei Sonnenhöhenwinkelnn von mehr als etwa
8°-10° über dem Horizont konstant sind. Die cirkadiane Bestrahlungsstärke kann
unter diesen Bedingungen einfach aus Meßwerten der Beleuchtungsstärke
abgeschätzt werden. Die Schwellenwerte der cirkadianen Bestrahlungsstärke für
eine die Sättigungswerte erreichende Melatoninsuppression werden bei wolkenlosem
Himmel etwa zwischen Sonnenaufgang und etwa 30 Minuten vor Sonnenuntergang
überschritten. Bei bedecktem Himmel zeigen sich dagegen im Tagesverlauf
Einschränkungen der für eine hinreichende Melatoninsuppression geeigneten Zeiten,
die von der geographischen Lage und von der Jahreszeit abhängen und die
1
Herrn Prof. Dr. H. Meffert und Herrn Prof. Dr. M. Bühring zum 65. Geburtstag gewidmet.
102
Anwendung
künstlicher
Lichtquellen
mit
geeigneter
Spektralverteilung
und
Bestrahlungsstärke begründen
1 Einleitung
Das über die Augen aufgenommene Licht ist der wesentlichste Stimulator der
menschlichen cirkadianen Rhythmik. Hierzu ist nicht nur das Überschreiten von
Schwellendosen, sondern auch von Schwellenbestrahlungsstärken erforderlich, die
üblicherweise auf die visuelle Empfindung bezogen werden. Die quantitative
Bewertung der biorhythmischen Eigenschaften des Lichtes wie auch biorhythmischer
Effekte erfolgte daher bislang auf der Basis der Bestimmung der Beleuchtungsstärke,
der Beleuchtungsdauer und der Zeitmuster zwischen Hell- und Dunkelphase (Aschoff
1966, Aschoff et al. 1969, Wever et al. 1983, Radnot und Olan 1958, Czeisler and
Allan 1987, Piazena und Klinker 1991, Klinker and Piazena 1992).
Für die Melatoninsuppression wurde durch Brainard et al. (2001) und Thapan et al.
(2001) die spektrale Wirksamkeit einer Bestrahlung mit Licht aufgeklärt, die
wesentlich von der visuellen spektralen Empfindlichkeit abweicht (Abb. 1) und zur
Postulation der Existenz spezieller Photorezeptoren im Auge Anlaß gab.
103
Act-Mela.fpw
1.1
1
2a
2b
1.0
1: Melatoninsuppression
2: Visuelle Empfindlichkeit
a: Dunkeladaptation
b: Helladaptation
0.9
0.8
0.7
Daten
Thapan, et al. 2001
Brainard, et al.2001
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
Wellenlänge [nm]
Abb. 1:
Die relative Wirksamkeit des Lichtes zur Melatoninsuppression
(1: mittlerer Verlauf (volle Linie), Angaben von Brainard et al. 2001
(Punktlinie)) und die relative Wirksamkeit zur Stimulation visueller
Reize bei Dunkeladaptation (2a) sowie bei Helladaptation (2b) des
Auges (nach DIN 5031/3) als Funktion der Wellenlänge.
Meßdaten nach Thapan et al. 2001 (Quadrate) und Brainard et al.
2001 (volle Kreise).
Gall und Lapuente (2002) bestimmten und diskutierten die cirkadiane Wirksamkeit
verschiedener Lampen im Vergleich zur Solarstrahlung unter ausgewählten
Bedingungen
mit
dem
Ziel
der
Bewertung
und
Optimierung
künstlicher
Beleuchtungsanlagen.
Im folgenden wird die cirkadiane Wirksamkeit der Solarstrahlung systematisch als
Funktion der Sonnenhöhe über dem Horizont und für den Dämmerungsbereich
untersucht. Dies erscheint als relevant, da sich die spektrale Verteilung der
Solarstrahlung an der Erdoberfläche mit dem Sonnenhöhenwinkel ändert und daher
systematische Unterschiede zwischen der cirkadianen Wirksamkeit und der visuellen
Empfindung zu erwarten sind. Die Analyse wird zunächst auf den Fall des
wolkenlosen Himmels und eines Ortes in Meeresspiegelhöhe beschränkt. Mit Hilfe
104
der spektralen Transmissionsfunktion einer geschlossenen Nimbostratusdecke
werden im Anschluß die Verhältnisse unter den Bedingungen einer extremen
Schwächung der Solareinstrahlung durch Starkbewölkung abgeschätzt.
Die Analyse der cikadianen Wirksamkeit der Solarstrahlung erfolgt im Vergleich zu
ihrer visuellen Wirksamkeit, für die eine Vielzahl von Messungen vorliegt. Das Ziel
besteht hierbei darin, Zusammenhänge anzugeben, die eine Abschätzung der
cirkadianen
Wirksamkeit
der
Solarstrahlung
mit
Hilfe
von
Daten
der
Beleuchtungsstärke ermöglichen.
2 Material und Methoden
Die Datengrundlage der Untersuchung bilden Messungen der spektralen solaren
Bestrahlungsstärke im Bereich 290 nm bis 780 nm, die mit Hilfe eines
thermostatisierten Doppelmonochromatorspektralradiometers (Typ: OL 754, Optronic
Laboratories, Orlando, Fl., USA) mit einer spektralen Auflösung von 1 nm
vorgenommen wurden. Als Empfänger diente eine cosinuskorrigierte Ulbricht´sche
Kugel (Optronic), die über einen Quarzlichtleiter an den optischen Eingang des
Spektralradiometers angeschlossen war.
Die Messungen erfolgten bei wolkenlosem Himmel, schwach getrübter Atmosphäre
(Horizontalsichtweiten über 20 km) und Horizontfreiheit in unmittelbarer oder
annähernder Meeresspiegelhöhe. Die Orte und Zeiten der Messungen waren:
• San Miguel (Insel Teneriffa, Meeresspiegelhöhe)
am 2. Juni 2001 (Sonnenhöhen zwischen 20° und 84° über dem Horizont)
• Berlin (Dach der Hautklinik der Charité, ca. 70 m ü.d.M.)
am 19. Juli 1999 (Sonnenhöhen zwischen 9° und 58° über dem Horizont)
sowie
am 5./6. November 2002 (Sonnenhöhenwinkel zwischen 4° über dem Horizont
und 6,5° unter dem Horizont).
Das Spektralradiometer wurde unmittelbar vor jeder Meßserie mit Hilfe einer 200 WStandardlampe
(gemäß
NIST)
kalibriert,
so
daß
der
relative
Fehler
der
105
Spektralmessung auf Beträge innerhalb ± 8 % begrenzt werden konnte (vgl. auch
Seckmeyer et al. 1998).
Das optische Eingangsfenster der Ulbricht´schen Kugel wurde zunächst horizontal
ausgerichtet, so daß die gesamte, aus dem oberen Halbraum einfallende Strahlung
erfaßt werden konnte. Die Messungen erfolgten unter diesen Bedingungen bei
Sonnenhöhen zwischen 0° und 84° über dem Horizont sowie in der Phase der
abendlichen bürgerlichen Dämmerung zwischen Sonnenuntergang und einem
Sonnenhöhenwinkel von - 6,5° unter dem Horizont.
Für den Fall der abendlichen Dämmerung wurden zusätzlich Messungen bei
vertikaler Anordnung der Empfängerfläche vorgenommen, die so orientiert wurde,
daß die Normale auf der Empfängerfläche in Richtung des durch die Sonne
verlaufenden Meridians zeigte.
Die Berechnung der den jeweiligen Sonnenhöhenwinkeln zugeordneten Beträge der
cirkadianen Bestrahlungsstärke Ec und der Beleuchtungsstärke Ev erfolgten für das
helladaptierte Auge durch spektrale Gewichtung mit den in Abbildung 1 gegebenen
Wirkungsspektren (1 und 2b) und anschließende Integration über den wirksamen
Spektralbereich. Zur Bestimmung der Beleuchtungsstärke im mesoptischen Bereich
wurde
ferner
eine
Korrektur
Strahlungsäquivalents
Kmax
Sonnenhöhenwinkels
und
des
gemäß
der
Betrages
DIN
5031/3
zugeordneten
des
in
photometrischen
Abhängigkeit
äquivalenten
des
Leuchtdichte
vorgenommen.
Aus diesen Größen wurde das Verhältnis Ec/Ev und der von Gall und Lapuente
(2002) definierte cirkadiane Wirkungsfaktor
acv = Vc/Vv
(1)
als Funktion des Sonnenhöhenwinkels bestimmt. Die Größen Vc und Vv bezeichnen
dabei den cirkadianen und den visuellen Nutzeffekt, mit
und
Vc = Ec / E380-580
(2a)
Vv = Ev / kmax ⋅ E380-780,
(2b)
wobei die Größen E380-580⋅und E380-780 die Integrale der spektralen Bestahlungsstärke
über die Wellenlängenbereiche 380 nm – 580 nm und 380 nm – 780 nm sind.
106
Zur Abschätzung der cirkadianen Wirksamkeit und der Beleuchtungsstärke unter
dem Einfluß einer geschlossenen Nimbostratusbewölkung (Bedeckungsgrad 8/8)
wurden die für wolkenlose Bedingungen zwischen Sonnenhöchststand und
Sonnenuntergang
erhaltenen
Daten
mit
experimentell
ermittelten
Transmissionsfunktionen gewichtet, die die unterschiedlichen effektiven Weglängen
der Strahlung in der Wolkenschicht als Funktion der Sonnenhöhe über dem Horizont
berücksichtigen.
3 Ergebnisse
Die nachfolgenden Abbildungen zeigen die aus den Messungen ermittelten Daten
der cirkadianen Bestrahlungsstärke Ec und der Beleuchtungsstärke Ev, das aus ihnen
berechnete Verhältnis Ec/Ev und den cirkadianen Wirkungsfaktor acv in Abhängigkeit
des Sonnenhöhenwinkels bezüglich des Horizonts.
Ec und Ev als Funktion der Sonnenhöhe
-2
EC-EVL1.fpw
140
Wolkenloser Himmel
Horizontale Fläche
120
Ec
120
Teneriffa, 2.6.2001
Berlin, 19.7.1999
Berlin, 5./6.11.2002
100
140
100
Ev
80
80
60
60
40
40
20
20
0
0
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Beleuchtungsstärke [klx]
Cirkadiane Bestrahlungsstärke [W m ]
3.1
90
o
Sonnenhöhenwinkel [ ]
Abb. 2a:
Die
cirkadiane
Bestrahlungsstärke
(volle
Symbole)
und
die
Beleuchtungsstärke (offene Symbole) bei wolkenlosem Himmel als
Funktion der Sonnenhöhe über dem Horizont nach Messungen in San
Miguel (Insel Teneriffa) am 2.6.2001 und in Berlin am 19.7.1999 und am
5./6.11.2002.
-2
EC-EVLN1.fpw
10
9
Nimbostratus
Bedeckungsgrad: 8/8
8
Horizontale Fläche
9
8
Ec
Berechnungsgrundlage
Messungen
Berlin, 5./6.11.2002
Berlin, 19.7.1999
Teneriffa, 2.6.2001
7
6
5
10
7
6
Ev
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
107
90
o
Abb. 2b:
Die
cirkadiane
Bestrahlungsstärke
(volle
Symbole)
und
die
Beleuchtungsstärke (offene Symbole) in Abhängigkeit der Sonnenhöhe
über dem Horizont bei einer Nimbostratusbewölkung mit einem
Bedeckungsgrad von 8/8 nach Berechnungen auf der Grundlage in
Abb. 2a enthaltenen Daten.
-2
10
10
EC-EV-TW.fpw
1
1: Wolkenloser Himmel
Berlin, 5./6.11.2002
horizontale Fläche
vertikale Fläche
0
1
Ec
1
10
Ev
2: Nimbostratus 8/8
horizontale Fläche
(Berechnung)
-1
10
0
-1
10
10
Ec
-2
10
-2
10
2
Ev
-3
-3
10
10
-4
108
-4
10
10
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
o
Abb. 2c:
Die
cirkadiane
Bestrahlungsstärke
(volle
Symbole)
und
die
Beleuchtungsstärke (offene Symbole) auf einer horizontalen und einer
vertikalen, zur Sonne orientierten Fläche als Funktion der Sonnenhöhe
zwischen 3° – 4 ° über dem Horizont und der Begrenzung des
Bereiches der bürgerlichen Dämmerung (- 6°) bei wolkenlosem Himmel
nach Messungen in Berlin am 5.11. und am 6.11.2002 (1) und bei einer
Nimbostratusbedeckung (Berechnung, 2).
109
3.2
Das Verhältnis Ec/Ev als Funktion der Sonnenhöhe
R-ECVWN2.fpw
3.5
Messungen
a: Horizontale Fläche
Berlin, 5./6.11.2002
Berlin, 19.7.1999
Teneriffa, 2.6.2001
b: Vertikale Fläche
Berlin, 5./6.11.2002
-2
Ec/E v [W m /klx]
3.0
2.5
2.0
2
1.5
1b
1a
1.0
2: Nimbostratus (Berechnung)
Bedeckungsgrad 8/8
(offene Symbole)
0.5
0.0
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
o
Abb. 3a:
Das Verhältnis zwischen der cirkadianen Bestrahlungsstärke und der
Beleuchtungsstärke auf einer horizontalen Fläche als Funktion der
Sonnenhöhe bei wolkenlosem Himmel (Messungen, 1) und bei einer
Nimbostratusbedeckung (Berechnung, 2).
110
R-ECVWN3.fpw
4.0
Messungen
Berlin, 5./6.11.2002
-2
Ec/E v [W m /klx]
3.5
3.0
1a
2.5
2.0
2
1b
1.5
1.0
Bedeckungsgrad 8/8
(offene Symbole)
0.5
0.0
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
o
Abb. 3b:
Das Verhältnis zwischen der cirkadianen Bestrahlungsstärke und der
Beleuchtungsstärke auf einer horizontalen und einer vertikalen, zur
Sonne
orientierten
Fläche
als
Funktion
der
Sonnenhöhe
bei
wolkenlosem Himmel nach Messungen in Berlin am 5./6.11.2001 und
bei Nimbostratusbedeckung (Berechnung, 2).
111
3.3
Der cirkadiane Wirkungsfaktor acv als Funktion der Sonnenhöhe
ACV-HG1.fpw
Horizontale Fläche
1: wolkenloser Himmel
(Messungen)
2: Nimbostratus
Bedeckungsgrad 8/8
(Berechnung)
acv
2.5
Messungen
Berlin, 5./6.11.2002
Berlin, 19.7.1999
Teneriffa, 2.6.2001
2.0
2
1
1.5
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
o
Abb. 4a:
Der cirkadiane Wirkungsfaktor acv für die Bestrahlung einer horizontalen
Fläche als Funktion der Sonnenhöhe bei wolkenlosem Himmel
(Messungen,
1)
und
bei
einer
Nimbostratuswolken (Berechnung, 2).
Bedeckung
des
Himmels
mit
112
ACV-HG2.fpw
Messung
Berlin, 5./6.11.2002
2.5
acv
1a
2
1b
2.0
Bedeckungsgrad 8/8
(offene Symbole)
1.5
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
o
Abb. 4b:
Der cirkadiane Wirkungsfaktor acv für die Bestrahlung einer horizontalen
und einer vertikalen, zur Sonne orientierten Fläche als Funktion der
Sonnenhöhe bei wolkenlosem Himmel (1) nach Messungen in Berlin
am 5./6.11.2001 und bei Nimbostratusbedeckung (Berechnung, 2).
4 Diskussion
Die
Daten
zeigen
systematische
Unterschiede
zwischen
der
cirkadianen
Bestrahlungsstärke Ec und der Beleuchtungsstärke Ev (Abb. 2a – c), die im
photopischen Bereich für Sonnenhöhen über ca. 8° – 10° sowohl bei wolkenlosem
Himmel als auch bei einer geschlossenen Nimbostratusbedeckung annähernd
konstant ausfallen und damit in erster Näherung als unabhängig von der
Sonnenhöhe angesehen werden können. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit einer
einfachen Abschätzung der cirkadianen Bestrahlungsstärke aus Daten der
Beleuchtungsstärke, die in großem Umfang durch Messungen mit Luxmetern
vorliegen.
Nach Abbildung 3a ergibt sich bei der Bestrahlung einer horizontalen Fläche im
Sonnenhöhenbereich zwischen etwa 8° und 90° der Zusammenhang
113
Ec ≈ kcv ⋅ Ev
(3)
mit
kcv = (1,240 ± 0,054) W m-2/klx
bei wolkenlosem Himmel
und
kcv = (1,489 ± 0,067) W m-2/klx
bei Nimbostratusbedeckung (8/8)
sowie [Ec] = W m-2 und [Ev] = klx.
Für den cirkadianen Wirkungsfaktor acv zeigen die Daten in Abbildung 4a den Trend
einer geringfügigen Zunahme bei abnehmender Sonnenhöhe γ im Bereich ~ 8° ≤ γ ≤
90°, für den die lineare Regression folgende Beziehung ergibt:
acv ≈ – 0,001 γ + ccv
(4)
mit
ccv = 1,697 für wolkenlosen Himmel (r = – 0,58)
und
ccv = 1,703 für Nimbostratusbewölkung, Bedeckungsgrad 8/8 (r = – 0,58).
Der Vergleich der Abbildungen 2a und 2b zeigt bei gegebener Sonnenhöhe eine
starke Abnahme der Absolutbeträge der chirkadianen Bestrahlungsstärke und der
Beleuchtungsstärke für den Fall einer Nimbostratusbedeckung gegenüber den
Einstrahlungsverhältnissen bei wolkenlosem Himmel. Jedoch fällt das Verhältnis
Ec/Ev wie auch der cirkadiane Wirkungsfaktor acv nach den Daten in den Abbildungen
3a und 4a im Bewölkungsfall größer als bei wolkenlosem Himmel aus, da die
Strahlungsabsorption in der Wolkenschicht spektral selektiv erfolgt und mit
steigender Wellenlänge zunimmt.
Im Dämmerungsbereich ergibt sich auf Grund der relativen Zunahme der
Streustrahlung
eine
Verschiebung
der
spektralen
Zusammensetzung
der
Solarstrahlung zum kurzwelligen Teil des Spektrums hin, der einen nichtlienaren
Anstieg des Quotienten Ec/Ev sowie des cirkadianen Wirkungsfaktors acv mit
abnehmender Sonnenhöhe bei allerdings stark sinkenden Absolutbeträgen der
cirkadianen Bestrahlungsstärke und der Beleuchtungsstärke zur Folge hat, so daß
die relative Zunahme der cirkadian wirksamen Komponente im Vergleich zur
visuellen Komponente in diesem Bereich nur von geringer Relevanz ist (vgl. Abb. 2c,
3a, 3b und 4b).
Der Vergleich der für den wolkenlosen Himmel erhaltenen Daten in Abbildung 2c
zeigt jedoch, daß die den jeweiligen Sonnenständen im Dämmerungsbereich
zugeordneten Beträge der cirkadianen Bestrahlungsstärke für die Bestrahlung einer
114
horizontalen und einer vertikalen, zur Sonne orientierten Fläche etwa gleich
ausfallen, während die Beleuchtungsstärke auf der vertikalen Fläche größere
Beträge annimmt als auf der horizontal ausgerichteten Fläche. Die Ursache dieses
Phänomens
ist
der
höhere
Anteil
langwelliger,
die
visuelle
Empfindung
beeinflussender Strahlung, die aus dem Raumbereich des Sonnenauf- oder untergangs auf die vertikale Fläche trifft, während die horizontale Fläche vorwiegend
die (kurzwellige) Streustrahlung aus dem oberen Halbraum empfängt. Das in den
Abbildungen 3a und 3b dargestellte Verhältnis Ec/Ev und der cirkadiane
Wirkungsfaktors acv in Abbildung 4b nehmen bei gegebener Sonnenhöhe daher für
die Bestrahlung der vertikalen Fläche geringere Beträge an als für die Bestrahlung
der horizontalen Fläche.
Thapan
et
al.
(2001)
und
Brainard
et
al.
(2001)
geben
als
Schwellenbestrahlungsstärke für eine signifikante bis 50%-ige Melatoninsuppression
Beträge zwischen Ec,s ≈ 0,06 und 0,08 W m-2 bei 460 nm – 472 nm und einer
Expositionsdauer
von
30
Minuten
an.
Wird
dagegen
das
Erreichen
der
Sättigungswerte der Melatoninsuppression angestrebt, so sind nach den Daten von
Thapan und Brainard übereinstimmend Beträge zwischen Ec,m ≈ 0,2 – 0,3 W m-2
erforderlich, wenn wiederum eine Expositionsdauer von etwa 30 Minuten
vorausgesetzt wird.
Zur Bewertung der cirkadianen Wirksamkeit der Sonneneinstrahlung ergeben sich
aus diesen Daten die folgenden Schlüsse:
(1)
Exposition bei wolkenlosem Himmel
• Die Grenzwerte der signifikanten bis 50%-igen Melatoninsuppression (0,06
und 0,08 W m-2) werden bereits in der Dämmerung bei einem
Sonnenhöhenwinkel γ > – (2,7° ... 3,0°) überschritten, während zum
Erreichen
einer
hinreichenden,
auf
die
Sättigungswerte
bezogenen
Melatoninsuppression Bestrahlungen im Bereich γ > – (1,8° ... 1,5°)
erforderlich
sind.
Den
obigen
Grenzwerten
der
cirkadianen
Bestrahlungsstärke sind nach den Daten in Abbildung 2c Beträge der
Beleuchtungsstärke von 20 – 30 lx sowie 80 – 130 lx zuzuordnen.
115
• Auf Grund der im Sonnenaufgangs- und im Sonnenuntergangsbereich
innerhalb
weniger
Minuten
über
mehrere
Größenordnungen hinweg
stattfindenden Änderungen der Beträge der cirkadianen Bestrahlungsstärke
wie auch der Beleuchtungsstärke ist der gesamte Zeitbereich zwischen etwa
Sonnenaufgang bis etwa 30 Minuten vor Sonnenuntergang geeignet, um die
Sättigungswerte der Melatoninsuppression nach einer Expositionsdauer von
30 Minuten zu erreichen. Dabei spielt es keine Rolle, ob sich die Exposition
auf dem Empfang der Strahlung aus dem oberen Halbraum bei horizontaler
Position oder auf eine vertikale, zur Sonne orientierte Position bezieht. Auf
Grund
der
mit
steigender
Sonnenhöhe
starken
Zunahme
der
Bestrahlungsstärke sind Strahlenschutzaspekte zum Schutz der Augen und
der Haut bei der Exposition zu berücksichtigen.
(2)
Exposition bei bewölktem Himmel
• Für den Fall einer Nimbostratusbedeckung zeigen die Berechnungen, daß
der Grenzwert für eine signifikante bis 50%-ige Melatoninsuppression erst
bei Sonnenhöhen zwischen etwa 6° und 7° über dem Horizont erreicht wird,
während zum Erreichen der Sättigungswerte der Melatoninsuppression
Beträge der Bestrahlungsstärken erforderlich sind, die erst bei Sonnenhöhen
über etwa 13° zu erwarten sind (vgl. Abb. 2b und 2c).
Hieraus ergeben sich insbesondere in den Herbst- und Wintermonaten auch
in den gemäßigten Breiten , in denen die Tage nicht nur durch geringe
Sonnenhöhen, sondern häufig auch durch Starkbewölkungen gekennzeichet
sind, nur kurze Zeitfenster, in denen die solare Bestrahlungsstärke zur
hinreichenden Melatoninsuppression ausreicht. Als Beispiel zeigt Abbildung
5 den Zeitbereich mit Sonnenhöhen über 13° im Jahresverlauf für die
geographischen Breiten 54 °N, 52,7 °N und 48 °N, die etwa der Lage der
südlichen Ostseeküste und der Lage der Städte Berlin und München
entsprechen. Die Daten zeigen, daß sich der Zeitbereich mit Sonnenhöhen
über
13°
in
Richtung
Norden
und
mit
Annäherung
an
die
Wintersonnenwende immer stärker einengt.
Auf 48°N bietet im Dezember nur noch in der Zeit zwischen etwa 10 und 14
Uhr und auf 52,7 °N nur noch in der Zeit zwischen etwa 11 und 13 Uhr WOZ
116
die Gelegenheit zu einer hinreichenden Melatoninsuppression durch den
Aufenthalt im Freien.
Auf 54 °N wird die Sonnenhöhe von 13° zwischen dem 9. Dezember und
dem 1. Januar nicht erreicht. Wird berücksichtigt, daß zu einer hinreichenden
Melatoninsuppression nach den zu Grunde gelegten experimentellen Daten
Brainards und Thapans Expositionszeiten von etwa 30 Minuten erforderlich
sind, so zeigt sich, daß in der Zeit zwischen Ende November und Mitte
Januar
bei
Nimbostratusbewölkung
keine
ausreichende
Wahre Ortszeit [Uhr]
Melatoninsuppression durch Aufenthalte im Freien ermöglicht werden kann.
Gamma-13.fpw
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
Geographische Breite
o
1: 54,0 N
o
2: 52,7 N
o
3: 48,0 N
Nachmittag /
Abend
3
2
Zeitbereich
o
mit Sonnenhöhen über 13
1
2
3
Morgen /
Vormittag
J
0
F
50
M
A
100
M
150
J
J
200
A
S
250
O
N
300
D
350
Tag des Jahres
Abb. 5:
Zeitbereiche zwischen Sonnenauf- und –untergang, in denen die
Sonnenhöhe von 13° überschritten wird, im Jahresverlauf für die
geographischen Breiten 48 °N, 53,7 °N und 54 °N.
5 Ausblick
Während die cirkadiane Bestrahlungsstärke der Solarstrahlung bei wolkenlosem
Himmel zwischen Sonnenauf- und –untergang ausreicht, um eine hinreichende
Melatoninsuppression durch Aufenthalte im Freien von etwa 30 Minuten Dauer zu
117
gewährleisten, kann die Einstrahlung jahreszeitlich bedingt oder im Fall von
Starkbewölkung so stark herabgesetzt werden, daß Aufenthalte im Freien nicht
genügen, um eine die Melatoninsuppression im erforderlichen Ausmaß zu erreichen,
so daß sich die Notwendigkeit der Nutzung künstlicher Strahlungsquellen mit
geeigneter Spektralverteilung und Bestrahlungsstärke ergibt.
In der vorliegenden Arbeit wurde die cirkadiane Bestrahlungsstärke für den Fall einer
Nimbostratusbewölkung mit einem Bedeckungsgrad von 8/8 als Beispiel für die
Verhältnisse unter dem Einfluß einer Starkbewölkung abgeschätzt. Die Überprüfung
der abgeschätzten Daten durch reale Messungen steht jedoch noch aus.
Auf Grund der je nach Wolkenart und Bedeckungsgrad möglichen erheblichen
Strahlungsschwächung ist die Kenntnis der Effekte von Bewölkungen verschiedener
Art
und
verschiedener
Bewölkungsszenarien
wie
auch
von
Dunst-
und
Nebelsituationen auf die cirkadiane Wirksamkeit der die Erdoberfläche erreichenden
Solarstrahlung großer Bedeutung und sollte Gegenstand weiterer Untersuchungen
sein.
Nach Thapan et al. (2001) und Brainard et al. (2001) beläuft sich die cirkadiane
Schwellendosis zum Erreichen der Sättigungswerte der Melatoninsuppression auf
Beträge zwischen Hc,m ≈ 360 – 540 J m-2, falls die Exposition mit der effektiven
Bestrahlungsstärke Ec,m ≈ 0,2 – 0,3 W m-2 erfolgt und auf die Dauer von etwa 30
Minuten beschränkt wird. Die Einflüsse veränderter Beträge der effektiven
Bestrahlungsstärke und der Expositionsdauer auf die Schwellendosis wurden bisher
nicht untersucht. Es ist daher zu prüfen, ob und in welchem Maße größere
Expositionszeiten auch bei kleineren Beträgen der Bestrahlungsstärke zu einer
ausreichenden Melatoninsuppression führen können, und in welchen Grenzen das
Bunsen-Roscoe’sche Proportionalitätsgesetz anwendbar ist.
Zur Stimulation einer hinreichenden Melatoninsuppression müssen Expositionen mit
solarer wie künstlich erzeugter Strahlung die Bedingung
Ec ≥ Ec,m
(5)
erfüllen, wobei Ec die cirkadiane Bestrahlungsstärke der jeweiligen Strahlungsquelle
in der Nutzfläche und Ec,m die Schwellenbestrahlungsstärke für das Erreichen der
Sättigungswerte der Melatoninsuppression bezeichnen.
118
Diese Forderung kann als notwendige Bedingung bei der Bewertung und
Klassifizierung
solarer
Bestrahlungsgeräten
und
künstlicher
hinsichtlich
ihrer
Bestrahlungsverhältnisse
Wirksamkeit
zur
sowie
von
Melatoninsuppression
herangezogen werden. Als Bewertungsgröße wird hierzu der als cirkadianes
Wirkungskriterium bezeichnete Quotient
hc = (Ec / Ec,m) ≥ 1
(6)
vorgeschlagen.
Danach
ist
die
effektive
Bestrahlungsstärke
am
Ort
der
Exposition
zur
Melatoninsuppression für hc ≥ 1 hinreichend, während die Wirkung für hc < 1
ausbleibt.
Dank
Die Messungen auf der Insel Teneriffa erfolgten im Rahmen des EU-Projektes
MAS3CT960060.
Herrn
Prof.
Dr.
D.-P.
Häder,
Institut
für
Botanik
und
Pharmazeutische Biologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen - Nürnberg,
sei an dieser Stelle herzlich für die Koordinierung des Vorhabens und für die
großzügige Unterstützung der Untersuchungen gedankt.
Literatur
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Techn. (1966) 378-383. 1966.
Aschoff, J. Pöppel, E. and R.Wever: Circadiane Periodik des Menschen unter dem
Einfluß von Licht-Dunkel-Wechseln unterschiedlicher Periode.- Pflüg. Arch.
306(1969)58-70. et al., 1969.
Brainard, G.C., Hanifin, J.P., Greeson, J.M., Byrne, B., Glickman, G., Gerner, E. and
M.D. Rollag: Action spectrum for melatonin regulation in humans: Evidence for
a novel circadian photoreceptor.- J. Neurosci. August 15, 2001, 21(16) 64056412.
Czeisler, A. and J.S. Allan: Rapid phase shifting in humans requires bright light.Chronobiologia XIV (1987)178.
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DIN 5031/3: Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik, Teil 3: Größen,
Formelzeichen und Einheiten der Lichttechnik.- Beuth-Verlag Berlin, 1982.
Gall, D. und V. Lapuente: Beleuchtungsrelevante Aspekte bei der Auswahl eines
förderlichen Lampenspektrums.- Licht (Heft 7/8), Mai 2002.
Klinker, L.: Zum Einfluß des natürlichen Tageslichts auf die menschliche Regulation.Z. ges. Hyg. 35 (1989) 196-202.
Klinker, L. and H. Jordan: The influence of light on human regulation.J. Interdiscipl. Cycle Res. 7 (1976) 203-214.
Klinker, L. and H. Piazena: Weather induced interdiurnal variations of L/D-proportion
and of brightness affects man in same manner as flights in direction of
latitudes.- in: Chronobiology d Chronomedicine – (Proceedings of the 7th
annual meeting of the European Society for chronobiology, Marburg, 1991 (Cr
Gutenbrunner, G. Hildebrandt and R. Moog, Eds.), 163-167.)
Piazena H. und L. Klinker: Zur zeitlichen und geografischen Variation der
Tageshelligkeit und der Hellphasendauer.- Z. Meteorol. 41 (1991) 316-320.
Radnot, M. und J. Olan: Act, Med. Hung. 11 (1958) 393-397.
Seckmeyer, G., B. Mayer and G. Bernhard: The 1997 status of solar
spectroradiometry in Germany: Results from the national intercomparison of
UV
spectroradiometers.
Schriftenreihe
des
Fraunhofer-Institutes
Atmosphärische Umweltforschung (Edited by W. Seiler), Bd. 55 (1998),
Garmisch-Partenkirchen.
Thapan, K., Arendt, J. and D.J. Skene: An action spectrum for melatonin
suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in
humans.- J. Physiol. 535.1 (2001) 261-267.
Wever et al.: Bright light affects human circadian rhythms.- Pflüg. Arch. Eur. J.
Physiol. 341 (1983) 85-87.
120
Die Messung circadianer Strahlungsgrößen
Dietrich Gall
Technische Universität Ilmenau, PF 10 05 65, 98684 Ilmenau
1 Einleitung
Seit 2001 ist die Wirkungskurve der Melatoninsektretion bekannt (BRAINHARD;
THAPAN). Ebenso wurden die Photosensoren, die dafür verantwortlich sind,
gefunden. Sie sind über die Netzhaut verteilt, ein Bildmuster kann von diesen
Empfängern nicht aufgelöst werden. Als Wirkung wurde die Hemmung der
nächtlichen Sekretion von Melatonin durch die Epiphyse (Zirbeldrüse) bestimmt.
Mit der Beschreibung der Suppression der Melatoninsekretion ist man nun in der
Lage, circadiane Prozesse zu beschreiben und zu beeinflussen.
Definiert man sich aus den experimentell gefundenen Wirkungskurven eine
verbindliche Wirkungsfunktion c(λ), so kann man damit eine circadiane Metrik
aufbauen (GALL/LAPUENTE; GALL). Welche bewertete Strahlungsgröße dann für
die Wirkung ausschlaggebend ist, wird durch die örtlich gewichtete Bewertung der
zuständigen Sensoren im Auge bestimmt (SCHIERZ).
Bei einer gleichmäßigen Verteilung der Sensoren über die Netzhaut wäre der in den
Empfänger absorbierte Strahlungsfluss insgesamt entscheidend. Noch ist aber nicht
sicher, ob die Sensorendichte im unteren Netzhautbereich höher ist als im oberen.
Solange dies nicht geklärt ist, müssen alle zu bewertenden Strahlungsgrößen
definiert werden. Die Definition der circadianen Größen sollte sich zunächst an die
photometrischen Größen anlehnen, da diese Größen für die Bewertung und
Dimensionierung von Beleuchtungsanlagen schon herangezogen werden. Wenn
man in der Zukunft, was aus zwingenden Gründen notwendig erscheint, die
circadiane Wirkung mit einbeziehen will, wäre es ratsam, nicht zu viele verschiedene
Größen zu verwenden. Deshalb wird ein circadianer Wirkungsfaktor acv definiert, der
eine einfache Verbindung zu den photometrischen Größen herstellt.
121
2 Aufbau einer circadianen Metrik
2.1
Allgemeine Beschreibung photobiologischer Größen
Wie schon erwähnt, wäre es sinnvoll, für die circadiane Bewertung von
Beleuchtungsanlagen
Größen
analog
zu
den
photometrischen
Größen
zu
bestimmen. Dies würde zu Einheiten führen, die an die photometrischen Größen
angelehnt wären (z. B. “circadianes Lumen” o. ä.). Da es nun eine ganze Reihe von
anderen biologischen Wirkungen gibt (CIE-Publikation), die man mit ähnlichen
Lichteinheiten beschreiben könnte, hat das CCPR (comité consultative poure la
photometrie et radiométrie) empfohlen, solche lichttechnischen Größen nicht zu
verwenden, sondern die entsprechenden, bewerteten strahlungsphysikalischen
Einheiten zu nehmen.1 Es sollen deshalb im weiteren nicht mehr die in einer früheren
Veröffentlichung vorgeschlagenen circadianen Lichtgrößen (GALL), sondern die
circadianen Strahlungsgrößen (GALL/LAPUENTE) verwendet werden.
Eine photobiologisch wirksame Größe sollte als bewertete Strahlstärke beschrieben
werden.
I bio = k
∫I
e ,λ
⋅ Fbio (λ ) ⋅ dλ
(1)
Ibio - bewertete Strahlstärke ≡ Ies
Ieλ - spektrale Strahlstärke
Fbio(λ) - Aktionsspektrum der photobiologischen Wirkung (Wirkungsfunktion,
spektrale
Empfindlichkeit s(λ), Wirkungsspektrum)
k - Konstante
Aus der bewerteten Strahlstärke können dann alle weiteren bewerteten Strahlgrößen
abgeleitet werden.
Allgemein kann eine bewertete Strahlgröße Xes wie folgt beschrieben werden:
X es = k ⋅ ∫ X es ⋅ s(λ ) ⋅ dλ
1*
Anmerkung:
Herr
P.
BLATTNER
(Schweiz)
Vorveröffentlichung des CCPR zur Verfügung
stellte
(2)
mir
freundlicherweise
eine
122
Will man die circadiane photobiologische Wirkung beschreiben, muss für s(λ) die
circadiane Wirkungsfunktion c(λ) (s. Punkt 2.2) verwendet werden.
Damit ergibt sich eine circadiane Strahlungsgröße Xec zu.
X ec = k ⋅ ∫ X eλ ⋅ c(λ ) ⋅ dλ
(3)
Der Einfachheit halber wird k = 1 gewählt.
Eine photometrische bzw. lichttechnische Größe Xv wird durch die spektrale
Hellempfindlichkeitskurve v(λ) bestimmt.
X v = k m ∫ X eλ ⋅ v (λ ) ⋅ dλ
(4)
km = 683 lmW-1
Da das maximale photometrische Strahlungsäquivalent (km) eine neue Einheit
(Lumen) einführt, ergibt sich Xv als lichttechnische Größe.
Eine Verbindung von den circadianen und den lichttechnischen Größen kann man
wie folgt schreiben:
Das Verhältnis der beiden
X ec k ∫ X eλ ⋅ c(λ ) ⋅ dλ
= ⋅
X v k m ∫ X eλ ⋅ v (λ ) ⋅ dλ
(5)
Integrale soll als circadianer Wirkungsfaktor acv
bezeichnet werden (GALL/LAPUENTE).
acv =
∫ X λ ⋅ c ( λ ) ⋅ dλ
∫ X λ ⋅ v ( λ ) ⋅ dλ
e
(6)
e
(Anmerkung: Für ein energiegleiches Spektrum ist acv = 0,8623)
Zwischen den circadianen und lichttechnischen Größen besteht dann folgende
Beziehung:
X ec =
acv
⋅ Xv
km
(7)
Eine circadiane „lichttechnische“ Größe wäre dann
X c = km ⋅ X ec ⋅ = acv ⋅ X v
(8)
Laut Empfehlung des CCPR sollten diese circadianen „lichttechnischen“ Größen
nicht verwendet werden. Deshalb soll in den weiteren Betrachtungen bevorzugt die
123
dimensionslose Größe acv (circadianer Wirkungsfaktor) oder die circadianen
Strahlungsgrößen herangezogen werden.
2.2
Circadiane Wirkungsfunktion c(λ) für die Melatoninunterdrückung
Von BRAINHARD u.a. und THAPAN u.a. wurden Werte für die Wirkungsfunktion bei
einzelnen Wellenlängen ermittelt (Bild 1). In diese Messpunkte wurde eine mittlere
Kurve gelegt, die im kurzwelligen Bereich durch die Transmissionskurve des
menschlichen Auges ergänzt wurde (s. a. Blaulichtgefährdungskurve B(λ) (ICNIRP)).
Diese “glatte” Kurve c(λ) soll für alle weiteren Betrachtungen herangezogen werden.
Die so gewonnenen Werte für c(λ) werden in Tabelle 1 in 5 nm-Schritten angegeben,
wobei die c(λ)-Kurve bei λ = 450 nm mit c(450) = 1 angenommen wird (GALL).
Wird diese c(λ)-Kurve für alle weiteren Betrachtungen zur circadianen Wirkung
einheitlich
zu Grunde gelegt, kann man analog zur v(λ)-Kurve eine circadiane Metrik aufbauen,
die eine quantitative Erfassung der Wirkung der Parameter nach der Gleichung 3
ermöglicht.
Interpoliert man die Werte in Tabelle 1 auf 1 nm-Schritte, ergibt sich eine Summe von
Σ c(λ) = 96,161 (bei der v(λ)-Kurve ergibt sich Σ v(λ) = 106,856).
Abb. 1:
Gemittelte circadiane Wirkungskurve c(λ)
124
λ [nm]
c(λ)
λ [nm]
c(λ)
380
0.002
485
0.854
385
0.004
490
0.793
390
0.011
495
0.727
395
0.024
500
0.658
400
0.063
505
0.588
405
0.128
510
0.517
410
0.231
515
0.447
415
0.355
520
0.378
420
0.486
525
0.312
425
0.615
530
0.249
430
0.737
535
0.192
435
0.850
540
0.142
440
0.949
545
0.101
445
0.987
550
0.073
450
1.000
555
0.055
455
0.997
560
0.040
460
0.994
565
0.027
465
0.987
570
0.017
470
0.972
575
0.011
475
0.946
580
0.007
480
0.907
Tab. 1: Werte für die c(λ)-Kurve
125
2.3
Die Auswahl geeigneter circadianer Strahlungsgrößen
Zunächst ist die Frage zu klären, welche circadianen Strahlungsgrößen für die
Beschreibung der Lichtwirkung herangezogen werden sollten. SCHIERZ macht dazu
einige Ausführungen. Falls die circadianen Sensoren gleichmäßig über die Netzhaut
verteilt sind und nichtortsaufgelöste Signale liefern, wäre eine Angabe des
circadianen Strahlungsflusses im Auge sinnvoll. Dieser Strahlungsfluss könnte mit
der circadianen Beleuchtungsstärke am Auge angegeben werden. Es gibt aber auch
Hinweise darauf, dass die einzelnen Netzhautareale unterschiedlich beteiligt sind. In
diesem Fall müsste die circadiane Strahldichteverteilung ermittelt und entsprechend
den örtlichen Verteilungen gewichtet werden.
Für Dosisangaben bietet sich die circadiane Bestrahlung an. Über die erforderliche
Dosis gibt es bereits einige Vorgaben (s. a. SCHIERZ; TRAINDER). Abbildung 2
zeigt die Ergebnisse von BRAINHARD u. a. zur Dosiswirkung nach Mitternacht.
1 00
Melatonin-Unterdrückung
80
60
40
20
0
-2 0
-4 0
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Bestrahlungsstärke am Auge ≡ Bestrahlung (µW ⋅ h/cm )
-2
Abb. 2:
Melatoninunterdrückung als Funktion der Bestrahlungsstärke
Parameter: Monochromatische Beleuchtung (λ = 509 nm /∆λ = 10 nm)
10 µW/cm-2 ; Ev = 35 lx; acv = 1
Bestrahlungsdauer: 1 Stunde (2.00 - 3.00 Uhr)
Die Melatoninausschüttung hat um Mitternacht ihr Maximum. Wird in dieser Zeit
belichtet, ist eine entsprechend hohe Melatoninunterdrückung zu erwarten (Abb. 3).
126
Melatoningehalt (Blutserum)
Bestrahlungszeit (3 h)
E = 600 lx
E = 200 lx
E < 10 lx
22
23
0
1
2
3
4
Tageszeit
Abb. 3:
Melatoningehalt im Blutserum bei verschiedenen Belichtungen
(nach MC INTYRE u.a.)
Die wirksame Dosis ist demnach auch tageszeitabhängig. Das bedeutet, dass die
circadiane Strahlungsgröße je nach Tageszeit (tD) unterschiedlich wirksam ist. In
Gleichung 3 könnte das mit der Einführung eines tageszeitabhängigen Wertes k(tD)
erfolgen.
Die zu einer bestimmten Tageszeit wirksame circadiane Größe würde sich dann wie
folgt ergeben.
(9)
X ec (tD ) = k (tD ) ⋅ ∫ X eλ ⋅ c(λ ) ⋅ dλ
tD - Tageszeit
Da in Gleichung 3 k = 1 genommen wurde, ergibt sich aus Gleichung 9
(10)
X ec (tD ) = k (t D ) ⋅ X ec
k(tD)
ist
ein
tageszeitabhängiger
Korrekturfaktor,
Melatoninunterdrückung den Wert “1" hat.
der
im
Maximum
der
127
Damit könnte das zeitliche Melatoninmanagement beschrieben und gesteuert
werden. Bei der Ermittlung von circadianen Bestrahlungen (Hec) muss die
Bestrahlungsdauer T berücksichtigt werden.
T
H ec = ∫ Eec ⋅ dt
(11)
0
Eec - circadiane Bestrahlungsstärke
Hec - circadiane Bestrahlung
Für die tageszeitabhängige Korrektur kann näherungsweise der zeitliche Mittelwert
von k(tD) über die Bestrahlungsdauer T = tD2 - tD1 genommen werden.
tD 2
km (tDm ) =
t Dm =
∫ k (t
D
) ⋅ dt
(12)
tD1
T
t D 2 − t D1
2
Damit wird aus Gleichung 11
T
H ec (tDm ) ≈ km (tDm ) ⋅ ∫ Eec ⋅ dt
(14)
0
Eine komplexe mathematische Beschreibung der circadianen Rhythmik als ein
System aus zwei wechselseitig wirkenden Oszillatoren geben KRONAUER u.a. an.
Aus o.g. Ausführungen sieht man, dass die Bestimmung der wirksamen circadianen
Strahlungsgrößen von sehr vielen Parametern abhängt. Zur Vereinfachung sollten
deshalb zunächst nur die maximalen und die statischen Größen nach Gln. 3
verwendet werden.
Für Beleuchtungsanlagen empfiehlt sich darüber hinaus die Verwendung des
circadianen Wirkungsfaktors (acv), da damit die Wirkungen unterschiedlicher
Lichtfarben gegenüber gestellt werden können.
128
3 Messtechnische Ermittlung der circadianen Strahlungsgrößen
Die messtechnische Erfassung der circadianen Strahlungsgrößen nach Gleichung 3
kann nach zwei Methoden erfolgen:
a. Spektrale Messung
b. Integrale Messung mit c(λ)-angepassten Empfängern
3.1
Spektrale Messung
Bei der spektralen Messung wird das Licht in seiner spektralen Verteilung gemessen,
welche dann bei circadianen Größen mit der circadianen Wirkungskurve c(λ) (Tabelle
1) und bei lichttechnischen Größen mit der v(λ)-Kurve gewichtet wird. Mit einem
entsprechenden Spektralradiometer sind diese Messungen leicht möglich. Allerdings
lassen
sich
damit
zunächst
nur
die
circadianen
Strahldichten
und
Bestrahlungsstärken bestimmen. Der circadiane Strahlungsfluss und die circadiane
Strahlstärke müssen daraus abgeleitet werden.
129
Lichtquelle
circadianer
Wirkungsfaktor
acv
direkte Sonne
0,83
bewölkter Himmel
1,73
blauer Himmel
1,02
Mond
0,62
Haushaltskerze
0,20
Glühlampe
0,40
Na-Hochdrucklampe
0,21
1. Leuchtstofflampe
- warmton
0,36
- neutralweiß
0,60
- Tageslicht (7100 K) TLD 965
1,18
- Biolux
1,00 - 1,15
- Bio-Licht
0,98
- True-Light
0,93 - 0,98
- Narva-Vital
0,99
LED (Blau λmax = 468 nm)
6,90
LED (weiß)
1,0 ... 2,0
Tab. 2: acv-Werte einiger Lichtquellen
In der Tabelle 2 sind die aus einer spektralen Messung ermittelten acv-Werte einiger
Lampenbeispiele aufgeführt. Wenn man z.B. die circadiane Wirkung von dem Licht
des bewölkten Himmels mit dem Licht der Glühlampe vergleicht, heißt das, dass die
Glühlampe in ihrer Wirkung nur 40 % der des Tageslichtes entspricht. Man erkennt
die geringe circadiane Wirkung bei warmen Lichtfarben und die große Wirkung bei
kalten.
Die Unterschiede bei den blauen LED-Lampen erklären sich aus der starken
Exemplarstreuung, die sich durch unterschiedliche Wellenlängenmaxima bemerkbar
macht. Nach Untersuchungen von KRANOLD schwankt der acv-Wert unterschiedlich
“weißer” LED erheblich.
3.2
Messung mit c(λ)-angepassten Empfängern
Die direkte c(λ)-Anpassung könnte mit einer Partial- oder Vollfilterung vorgenommen
werden, wie sie z.B. bei der v(λ)-Anpassung üblich ist. Bestrahlungs-
130
stärkemessgeräte die mit einer Partialfilterung ausgerüstet sind, sind bisher nicht
bekannt. Der Aufwand, den eine Partialfilterung gegenüber einer Vollfilterung
verlangt, scheint wegen der groben Festlegung der c(λ)-Kurve auch kaum
gerechtfertigt.
Mit Silizium-Detektoren wäre jedoch sowohl eine Partial- als auch eine Vollfilterung
mit guter Anpassungsgüte möglich.
So ist z.B. in einem Digitalen-Photoapparat der Fa. ROLLEI (LMK-mobil) der blaue
Empfangskanal (sKa(λ) ähnlich der c(λ)-Wirkungsfunktion (Abbildung 4).
1,0
c(λ)
0,9
sKa (λ)
0,8
0,7
s(λ)
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
380
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
λ [nm]
Abb. 4:
Empfindlichkeitskurve eines blauen Empfängerkanals eines
ROLLEY-Photoapparates (LMK-mobil)
Damit
ist
schon
eine
ortsauflösende
Bestimmung
der
circadianen
Strahldichtverteilung möglich. Wenn man dazu ein ortsauflösendes Leuchtdichtebild
hat, kann man die acv-Verteilung über das gemessene Bild bestimmen.
Eine ausreichend genaue Anpassung einer Mess-Kamera ist inzwischen auch
gelungen (Abbildung 5) (KRÜGER, U.).
131
1,0
sKa(λ)
0,9
c(λ)
rel. spektr. Empfindlichkeit
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
-0,1
-0,2
400
450
500
550
Wellenlänge [nm]
Abb. 5:
Spektrale Anpassung einer CCD-Kamera an die circadiane
Wirkfunktion c(λ)
c(λ) - circadiane Wirkfunktion, entsprechend Abb. 1
sKa(λ) - Systemempfindlichkeit der Kamera (inklusive CCD, Objektiv,
Filter)
Die Abweichungen von einer idealen Anpassung resultieren aus zwei Problemen:
-
Die c(λ)-Funktion ist nicht so “gauß”förmig wie die anderen spektralen
Empfindlichkeiten, d.h. die kurzwellige Kante erfordert steilere Filter als die
langwellige Kante.
-
Die vorhandenen und vermessenen Gläser, die zur Anpassung an die
Normspektralwertkurven verwendet werden, weisen besonders bei der langwelligen
Kante Probleme auf, da hier entsprechende Filter sonst nicht benötigt werden.
Die dargestellte Anpassung entspricht einem f1-Kennwert von etwa 10% (KRÜGER,
U.).
132
Für tragbare Messgeräte bieten sich 3 Chip-farbangepasste Si-Empfänger an, von
denen der Z- und Y-Empfänger näherungsweise für die c(λ) bzw. v(λ)-Bewertung
verwendet werden kann (Abb. 6).
Mit hinreichender Näherung kann man den acv-Wert auch wir folgt bestimmen
(GALL):
a cv =
∫ X λ ⋅ c ( λ ) ⋅ dλ ≈ ∫ X λ ⋅ z ( λ ) ⋅ dλ
∫ X λ ⋅ v ( λ ) ⋅ dλ ∫ X λ ⋅ y ( λ ) ⋅ dλ
e
e
e
e
(14)
z (λ ); y (λ ) − Normspektralwertkurven
d.h.
acv =
Z z 1− x − y
= =
Y y
y
(15)
Über diese farbmetrische Beziehung kann man den ähnlichsten Farbtemperaturen
von Lichtquellen auch näherungsweise acv-Werte im x-y-Farbdiagramm zuordnen
(s.a. GALL).
Abb. 6:
Spektrale
(MAZET)
Empfindlichkeiten
von
3
Chip-Si-Farbsensoren
133
ys (λ ); z s (λ ) − spektrale Empfindlichkeit der farbangepassten Sensoren
y (λ ) =ˆ v(λ ) − Funktion
c(λ ) − spektrale Wirkungsfunktion
Die Ermittlung von circadianen Bestrahlungen (Dosis), kann über eine elektrische
Integration der Signale oder andere speichernde Sensoren erfolgen.
Messbeispiele:
Eine zeitabhängige acv-Messung des Tageslichtes während der Abenddämmerung
(Abb. 7) und im Verlauf des Tages (Abb. 8) zeigen die folgenden Diagramme. Als
Bewertungsgröße Xeλ in Gleichung 6 wurde die spektrale Bestrahlungsstärke Eeλ
genommen.
2,60
3
5
10
20
30
50
100
200
300
500
1.000
2.000
3.000
5.000
2,40
2,20
acv
2,00
1,80
acv
1,60
1,40
Eh
1,20
1,00
20:00
20:30
21:00
Eh[lx]
klarer Himmel (Abenddämmerung)
22.5.02 ILMENAU
21:30
Uhrzeit (SZ)
Abb.7:
Circadianer Wirkungsfaktor acv in der Abenddämmerung
134
1,2
Sonnenschein, klarer Himmel
gemessen (Sonne und Himmel)
22.5.02 ILMENAU
1,0
aCV=f(t)
aCV
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
08:00
10:00
12:00
14:00
16:00
Uhrzeit(SZ)
Abb. 8:
Circadianer Wirkungsfaktor als Funktion der Tageszeit
In Tabelle 3 sind ein paar circadiane Wirkungen von PC- und TV-Monitoren
angegeben (PORSCH).
a. PC-Monitor
Farbe
acv
Lm (cd/m²)
Em (lx) in 0,5 m
Blau
6,6
10
5,3
Weiß
0,9
100
29
Farbe
acv
Lm (cd/m²)
Em (lx) in 1,2 m
Blau
7,2
20
1,2
Weiß
1,0
162
12,5
b. TV-Monitor
Tab. 3: Circadiane und lichttechnische Parameter von PC- und TV-Monitoren
Es bedeuten:Lm - mittlere Leuchtdichte
Em - Beleuchtungsstärke am Beobachterauge
Man erkennt, dass insbesondere der blaue Kanal eine hohe circadiane Wirkung
aufweist.
135
3.3
Kalibrierung der Messgeräte
3.3.1 acv-Kalibrierung
Eine acv-Kalibrierung kann entsprechend Gln. 6 entweder mit einer Lampe mit
breitbandigem Spektrum oder mit quasi-monochromatischem Licht (z.B. Lampe mit
Interferenzfilter) erfolgen.
Zur Bestimmung von acv mit einem breitbandigen Spektrum benötigt man nach Gln. 6
nur die relativen spektralen Strahlungsgrößen Xeλ
rel
und die Gewichtung dieser
spektralen Größe mit der c(λ)- und v(λ)-Funktion. Damit erhält man die exakten
Werte von acv.
Verwendet man eine quasi-monochromatische Beleuchtung bei der Wellenlänge λ0
und einer spektralen Bandbreite ∆λ = 10 ... 20 nm, ergibt sich aus der Gln. 6
acv (λ0 ) =
c (λ0 )
v (λ0 )
(16)
Man benötigt demnach nur das Verhältnis (c(λ0)/v(λ0), das sich aus den Tabellen für
c(λ) und v(λ) ergibt.
3.3.2 Kalibrierung der circadianen Strahlungsgrößen
Die circadiane Strahlungsgröße lässt sich leicht aus dem acv-Wert einer Lampe mit
breitbandigem
Spektrum
bestimmen,
wenn
man
die
dazugehörenden
lichttechnischen Größen Xv bestimmt (Gleichung 7).
X
ec
=
a cv
⋅X
km
v
Für Sensoren bietet sich die Beleuchtungsstärke Ev als Ausgangswert für die
circadiane Bestrahlungsstärke (Eec) an:
Eec =
(17)
acv
⋅ Ev
km
Da eine fehlerhafte v(λ)-Anpassung des Beleuchtungsstärkemessgerätes in die
Kalibrierung
von
Eec
mit
eingeht,
empfiehlt
es
sich,
die
spektralen
Bestrahlungsstärken Eeλ, die eine Lampe auf einer definierten Flächen erzeugt, direkt
136
mit
einem
Spektralradiometer
zu
bestimmen
und
daraus
die
circadiane
Bestrahlungsstärke zu berechnen (Gln. 18).
Eec = ∫ Eeλ ⋅ c(λ ) ⋅ dλ
(18)
Wenn man mit einer quasi-monochromatischen Lichtquelle arbeitet, benötigt man nur
die Bestrahlungsstärke Ee(λ0) bei einer Wellenlänge λ0
Eec (λ0 ) = c(λ0 ) ⋅ Ee (λ0 )
(19)
oder die Beleuchtungsstärke Ev(λ0)
Eec ( λ0 ) =
c ( λ0 ) 1
⋅ ⋅ Ev ( λ0 )
v ( λ0 ) k m
Eec (λ0 ) =
acv ( λ0 )
⋅ Ev ( λ0 )
km
(20)
3.3.3 Berücksichtigung der fehlerhaften c(λ)- und v(λ)-Anpassung
Die Güte einer Anpassung kann man entsprechend DIN 5032-6 auch für andere
Wirkungsfunktionen übertragen (GROTHMANN). Für die c(λ)- und v(λ)-Anpassung
sind das folgende f1-Fehlerkennungsgrößen:
∫ s ( λ ) − v ( λ ) dλ
∫ v ( λ ) ⋅ dλ
∫ s (λ ) − c(λ ) dλ
=
∫ c ( λ ) ⋅ dλ
f1v =
f1c
v
c
Es bedeutet:
sv (λ ); sc (λ ) − die spektralen Empfindlichkeiten der Sensoren
v (λ ); c(λ ) − die Sollfunktion der Anpassung
(21)
(22)
137
Wird ein fehlerhaft angepasstes Messgerät bei einer Lichtquelle mit einem
vorgegebenen Spektrum kalibriert, kann über die Aktivitätskorrektur bei einem
anderen Spektrum der Messwert korrigiert werden.
4 Zusammenfassung
Es konnte gezeigt werden, dass mit einer definierten circadianen Wirkungsfunktion
c(λ) eine Vermessung der circadianen Strahlgrößen möglich wird. Die Wirkung
unterschiedlicher Lichtquellen kann durch den circadianen Wirkungsfaktor acv
angegeben werden. Mit den circadianen Strahlungsgrößen müssen jetzt je nach
Wirkung die förderlichen Dosisangaben abgeleitet werden. Dies ist wichtig, um die
aktivierte
Wirkung
des
Lichtes,
aber
auch
mögliche
Gefahrenpotentiale
(Krebsbildung) in Abhängigkeit von der Tageszeit angeben zu können.
Literatur:
[1]
P. Blattner, unveröffentlichtes Skript der CCPR “Note on photobiological
qualitaties”, 2003
[2]
G.C. Brainhard u.a., Action Spectrum for Melatonin Regulation in Humans:
Evidence for a Novel Circadian Photoreceptor, J. of Neuroscience 21 (2001)
16, S. 6405 – 6412
[3]
CIE Publikation - 106 (93), 103 (93), 125 (1997)
[4]
DIN 5031: Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik
[5]
D. Gall, V. Lapuente: Beleuchtungsrelevante Aspekte bei der Auswahl eines
förderlichen Lampenspektrums, Licht 54 (2002) 7/8, S. 860 – 871
[6]
D. Gall: Circadiane Lichtgrößen und deren messtechnische Ermittlung, Licht
54 (2002) 11/12, S. 1292 – 1297
[7]
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Phototherapie, Dissertation am FG Lichttechnik der TU Berlin
[8]
ICNIRP: Guidelines on limits of exposure to broad-band incoherent optical
radiation (0,38 to 3 µm), Health Physics 73 (1997) 3, pp 539 – 554
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Th. Kranhold, Charakterisierung weißer LED, Diplomarbeit, FG Lichttechnik,
TU Ilmenau, 2002
138
[10]
R.E. Kronauer u.a., Mathematical model of the human circadian system with
two interacting oscillators, Am. Journal of Physiology 242 (1982) R3 - R17
[11]
U. Krüger (Fa. TechnoTeam Ilmenau), mündliche Mitteilungen, 12/03
[12]
MAZET GmbH Jena, mündliche Informationen zu 3 Chip-Farbsensoren, 11/03
[13]
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light in man, Life Sciences 44 (1989), 4, 327 – 332
[14]
T. Porsch, Experimentelle Bestimmung der circadianen Lichtwirkung von
Monitoren und TV-Bildschirmen, Diplomarbeit, FG Lichttechnik, TU Ilmenau,
2003
[15]
Ch. Schierz, Leben wir in der “biologischen Dunkelheit“?, Tagung Licht 2002,
Maas-tricht, Tagungsband S. 381 – 389
[16]
K. Thapan, An action spectrum for melatonin supression: evidence for a novel
non-rod, non-cone photoreceptor system in humans, Journal of Physiology
535 (2001) 1, S. 261 – 267
[17]
S.M. Triander u.a., Inhibition of melatonin secretion onset by low levels of
illumination, Journal Sleep Res. 5 (1996), S. 77 – 82
[18]
--- LMK mobile, Rollei, Prospekt der Fa. TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH,
Ilmenau
139
Bewertungsgrößen für Lichttherapiegeräte
M. Yeni, H. Kaase
Fachgebiet Lichttechnik, Technischen Universität Berlin, Sekr. E6,
1 Einleitung
Zu den wichtigsten Parametern für die strahlungsphysikalische und lichttechnische
Bewertung von Lichttherapiegeräten zählen die zentrale Beleuchtungsstärke in
vorgegebenen Ebenen, die Leuchtdichte und ihre Verteilung über die strahlende
Fläche sowie spektrale und farbmetrische Eigenschaften des Lichtes. Das natürliche
Tageslicht wird als Referenz angesetzt.
2 Bewertungsgrößen
2.1
Zentrale Beleuchtungsstärke Ev
Als abgesicherte Bewertungsgrenze gilt z. Zt. die zentrale Beleuchtungsstärke auf
der vorgegebenen Anwendungsebene.
Um eine für die Therapie von SAD effektive Wirkung zu erzielen, wird in der Literatur
eine minimale zentrale Beleuchtungsstärke von 2.500 lx angegeben. Der
Maximalwert der Beleuchtungsstärke ist mit 10.000 lx durch die physiologische
Blendung festgelegt /1/. Die Abstandsabhängigkeit der Beleuchtungsstärke wird i. A.
mit einem integralen V(λ)-angepassten Empfänger aufgenommen.
Für Lichttherapiegeräte in Abb. 1 sind Ergebnisse der zentralen Beleuchtungsstärke
in Abhängigkeit vom Abstand von der Lichtaustrittsfläche dargestellt. Die markierte
Fläche verdeutlicht den Bereich der wirksamen Beleuchtungsstärke.
140
30
Beleuchtungsstärke in klx
25
20
15
10
5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Abstand d von der Strahlungsaustrittsfläche in m
Abb. 1: Zentrale Beleuchtungsstärken einiger handelsüblicher Lichttherapie in
Abhängigkeit vom Abstand zur Strahlungsaustrittsfläche
Die Nutzfläche von nichttherapeutischen Bestrahlungsgeräten kann nach DIN /2/
durch eine Gleichmäßigkeitsforderung festgelegt werden:
g2 =
2.2
Emin
≥ 0,4
Emax
Gl. 1
Leuchtdichte
Bei der Bewertung von Lichttherapiegeräten spielt die Leuchtdichte eine besondere
Rolle, da diese Größe den Helligkeitseindruck im Auge des Menschen bestimmt.
Beleuchtete Gegenstände und Selbstleuchter (Lichtquellen) werden durch ihre Form,
Farbe und Leuchtdichte wahrgenommen. Im Anwendungsfall wird das Bild des
Gerätes abgebildet auf die Netzhaut. Die Größe des Objektbildes auf der Netzhaut
und die Höhe der Netzhautbeleuchtungsstärke hängen von der Entfernung des
Gerätes, der Fläche der Eintrittspuppille und von der Leuchtdichte ab. Der
141
Durchmesser der Augenpuppille variiert zwischen 2 mm und 8 mm und ist abhängig
von der Umgebungsleuchtdichte (Adaptationsleuchtdichte).
Der Zusammenhang zwischen der Leuchtdichte und der Beleuchtungsstärke ist:
E = ∫ L ⋅ cos ε 2 ⋅ dΩ 2
Gl. 2
A2
Für den senkrechten Lichteinfall einen Gesamttransmissionsgrad der Augenmedien
τA und der Pupillenfläche AP lässt sich die Netzhautbeleuchtungsstärke dann wie
folgt bestimmen:
2
⎛d ⎞ 1
E N = LA ⋅ τ A ⋅ sin α ⋅ Ω 0 = LA ⋅ τ A ⋅ π ⎜ ⎟ ⋅ 2 ⋅ Ω = c ⋅ LA ⋅ Ap
⎝2⎠ a
2
Gl. 3
D. h., die Netzhautbeleuchtungsstärke ist proportional zur Adaptationsleuchtdiche LA.
Die Leuchtdichte L eines Flächenelementes dA in einer Richtung, die mit der
Flächennormalen den Winkel ε1  einschließt, ergibt sich nach dem photometrischen
Grundgesetz zu:
d 2φ
L=
dA ⋅ cos ε ⋅ dΩ
Gl. 4
Abb. 2: Beleuchtende rechteckige Fläche
Die zentrale Beleuchtungsstärke einer rechteckigen, leuchtenden Fläche und ihre
mittlere Leuchtdichte Lm ist nach Bethe /3/ definiert:
142
⎛
1
⎜
b
⎜
2
E = 2 ⋅ Lm ⋅ cos ε ⋅
arctg
⎜ 1 2
2
b +r
⎜
⎝ 2
1
a
2
1 2
b +r2
2
1
a
2
+
1 2
a + r2
2
arctg
⎞
⎟
⎟ π
⎟ ⋅ 180
1 2
2
a + r ⎟⎟
2
⎠
1
b
2
Gl. 5
Für einen praxisnahen Vergleich (siehe Abb. 2) mit a = 0,25 m, b = 0,2 m und
r = 0,5 m, lassen sich mittlere Leuchtdichten in Abhängigkeit von der zentralen
Beleuchtungsstärke
berechnen.
Auf
Beleuchtungsstärken für ein solches
der
Tabelle
Beispiel,
1
sind
für
verschiedene
die dazugehörigen mittleren
Leuchtdichten und entsprechende Himmelszustände aufgetragen.
Tabelle 1: Vergleich von Beleuchtungssärken und Leuchtdichten für natürliche und
künstliche Strahlung
Natürlicher Referenzzustand
E in lx
615
Lm in cdm-2
1.900
Sonnenhöhe
Sonnenhöhe
30°
60°
Bedeckter Himmel
-
Höhenwinkel 15°
2500
3230
7.750
10.000
Mittlerer Himmel
Bedeckter Himmel
Höhenwinkel 15°
Höhenwinkel 60°
-
Mittlerer Himmel
Höhenwinkel 15°
-
10.000
77.500
-
Bei der physikalischen Leuchtdichtemessung wird die Leuchtdichte über eine
Beleuchtungsstärkemessung bestimmt. Bei senkrechtem Lichteinfall auf den
Empfänger und kleinen Raumwinkel vereinfacht sich die Beziehung zu
E = ∫ L dΩ 2 = L Ω 2
Gl. 6
143
wobei L die mittlere Leuchtdichte der leuchtenden Fläche A1 ist. Der Raumwinkel
Ω2, in dem die Leuchtdichte bestimmt werden soll, kann messtechnisch durch
Benutzung eines Tubus mit oder ohne Eingangsoptik festgelegt werden.
Für die Akzeptanz einer Beleuchtung bzw. einer beleuchteten Fläche spielt die
Verteilung der Leuchtdichte eine bedeutende Rolle. Die Absolutblendung tritt bei
Leuchtdichten oberhalb von etwa 104 cd/m² auf und lässt sich nicht durch die
Anhebung der Adaptationsleuchtdichte verhindern. Die häufigste Form der Blendung
ist jedoch die sog. Relativblendung. Sie tritt bei zu großen Leuchtdichtekontrasten im
Gesichtsfeld auf und kann durch die Anhebung der mittleren Leuchtdichte im
Gesichtsfeld gemildert werden. Zu hohe Kontraste im Gesichtsfeld führen zu
psychologischer Blendung und zu geringe Kontraste zu Monotonie.
Die Leuchtdichteverteilungen von Lichttherapiegeräten werden durch die Anzahl und
Anordnung
der
eingesetzten
Lichtquellen
und
die
Transmissions-
bzw.
Reflexionseigenschaften der benutzten Filter- und Reflektormaterialien bestimmt. Als
günstig erweist sich die gleichmäßige Verteilung der Lichtquellen in der
Lichtaustrittsfläche und Benutzung von weitgehend diffus transmittierenden Filtern.
Die Leuchtdichteverteilung von Lichttherapiegeräten kann entweder durch die
Messung der Leuchtdichte in einem geeigneten Raster über die leuchtende Flächen
mithilfe
von
Leuchtdichtemessgeräten
oder
mit
einer
Leuchtdichtekamera
aufgenommen werden.
2.3
Gesamtbestrahlungsstärke Ee
Die thermische Belastung, die durch ein Lichttherapiegerät verursacht wird, kann
bezüglich der Gesamtbestrahlungsstärke in der Anwendungsebene mit der
maximalen Sonnenbestrahlungsstärke von 1.000 Wm-2 verglichen werden. Die
Messung ist mit einem Pyranometer möglich.
2.4
Spektrale Zusammensetzung des Lichtes, Farbtemperatur Tcp
Durch das Aktionsspektrum der circadianen Photorezeptoren wird maßgeblich die
spektrale Zusammensetzung des Lichtes von Lichttherapiegeräten vorgegeben. Die
Melatoninsuppression wird vor allem durch die kurzwelligen Anteile im Blauen
144
begünstigt, wobei das Empfindlichkeitsmaxima der circadianen Rezeptoren nach
vorliegenden Studien bei 460 nm liegt /4/, /5/.
Mit den spektralen Empfindlichkeitswerten scr(λ) für diskrete Wellenlängen nach
Brainard und Thapan kann als Ausgleichsfunktion ein Wirkungsspektrum der
circadianen
Photorezeptoren
definiert
werden.
Die
circadianwirksame
Beleuchtungsstärke wird dann definiert:
∞
Ecr = ∫ Ee λ (λ ) scir ,rel (λ ) dλ
Gl. 7
0
Die circadiane Wirksamkeit einer künstlichen Strahlung kann durch den Vergleich mit
einer festgelegten natürlichen Bestrahlung erfolgen. Mit dieser circadianwirksamen
Referenzstrahlung kann der Sonnencircadianfaktor fSC definiert werden:
fSC =
Ecr, Strahler
Ecr,ref
Gl. 8
Als Minimalwert der circadianwirksamen Beleuchtungsstärke wird EV = 2.500 lx
angesetzt. Dieser Wert entspricht nach CIE einer vertikalen Beleuchtungsstärke des
vollkommen bedeckten Himmels für den Sonnenhöhenwinkel γ = 17° /6/, /7/. Die
spektrale Bestrahlungsstärke, die durch den vollständig bedeckten Himmel bei
γ = 17° in einer vertikalen Ebene erzeugt wird, könnte als Referenzbestrahlung
genutzt werden.
Für die Charakterisierung und farbmetrische Beschreibung von Lichttherapiegeräten
eignet
sich
das
Spektralverfahren.
Hierbei
werden
die
relative
spektrale
Strahlungsfunktion S(λ) mit einem kalibrierten Spektralradiometer gemessen und die
Normfarbwerte X, Y, Z bzw. die Farbwertanteile (x,y) berechnet.
Die Wirksamkeit von Lichttherapiegeräten kann gesteigert werden, wenn diese
entsprechend dem Aktionsspektrum der circadianen Photorezeptoren Anteile im
kurzwelligen VIS-Spektrum vorweisen. Strahlungsanteile im kurzwelligen Bereich des
sichtbaren Spektrums erhöhen die ähnlichste Farbtemperatur Tcp. Dabei werden die
Normfarbwertanteile
x,
y
kleiner.
In
der
Abb.
3
sind
Farbörter
einiger
Lichttherapiegeräte beispielhaft dargestellt. Gewöhnlich geht man von der Forderung
145
aus, dass die Farbtemperatur der in den Lichttherapiegeräten eingesetzten Lampen
der der Globalstrahlung (Tcp = 6500 K) möglichst nahe kommt. Als hinreichend wird
eine ähnlichste Farbtemperatur von 4000 K für solche Geräte angesetzt.
y
x
Abb. 3: Farbörter einiger handelsüblicher Lichttherapiegeräte
2.5
Ausschluß schädigender Strahlungswirkungen
Die Strahlungsquellen für den Einsatz in den Lichttherapiegeräten sind zumeist
Leuchtstoff-Quecksilberniederdruckentladungslampen. Da bei der Lichttherapie
hauptsächlich der sichtbare Anteil des Spektrums wirksam ist, besitzen diese
Lampen i. A. kaum Strahlungsanteile im UV. Es muss beachtet werden, dass das
Wirkungsspektrum der circadianen Empfänger im kürzerwelligen Bereich des VIS
und UV liegt. Somit sind die Leuchtstoffe dieser Lampen so zu wählen, dass
einerseits
eine
effiziente
Therapie
ermöglicht
wird,
andererseits
aber
die
gesundheitsschädigenden Effekte der UV-Strahlung verhindert werden. Dabei sind
neben der Erythembildung besonders die Augenschädigung zu beachten, weil die
Benutzung einer UV-Schutzbrille ausgeschlossen ist.
Die Bewertung der spektralen Bestrahlungsstärke erfolgt nach dem Additivitätsgesetz:
400 nm
E er =
∫ Eλ (λ ) ⋅ s
er
( λ ) dλ
250 nm
und nach dem Linearitätsgesetz für Schwellenbestrahlungszeiten:
Gl. 9
146
t s ,er =
H s ,er
Gl. 10
E er
Das Wirkungsspektrum sAuge(λ) wird den Vorschriften der BG und der ICNIRP
entnommen. Für die jeweiligen Schwellenbestrahlungszeiten für den Augenschutz
gilt:
t s , Auge =
30 Jm −2
E Auge
Gl. 11
spektrale Bestrahlungsstärke in W/ m² nm
3,0E-02
2,5E-02
2,0E-02
1,5E-02
1,0E-02
5,0E-03
0,0E+00
250
270
290
310
330
350
370
390
Wellenlänge in nm
LTG_1
LTG_2
LTG_3
LTG_4
Abb. 4: Spektralen Bestrahlungsstärken einiger handelsüblicher Lichttherapiegeräte
Auf der Abb. 4 sind beispielhaft die spektralen Bestrahlungsstärken einiger
handelsüblicher Lichttherapiegeräte dargestellt. Die relativ hohen Werte für das
Gerät 1 sind durch die fehlende Streuscheibe in der Ebene der Lichtaustrittsfläche
begründet. Die Untersuchungen von mehreren handelsüblichen Lichttherapiegeräten
zeigten, dass die gesundheitsgefährdenden Effekte in der Praxis nicht erreicht
werden.
2.6
Flimmerfreiheit
Modulationen des Lichtes können als störend empfunden werden, wenn diese
unterhalb einer bestimmten Frequenz liegen. Die Frequenz, bei der das Flimmern zu
147
einer zeitkonstanten Leuchtdichte verschmilzt, wird Flimmerverschmelzungsfrequenz
fv genannt. Für sie gilt:
Gl. 12
fv = a·log Lm + b
Diese Frequenz ist in erster Linie von der mittleren Leuchtdichte Lm abhängig. Nach
Talbot gilt für den den arithmetischen Mittelwert der Leuchtdichte oberhalb der
Flimmerverschmelzungsfrequenz:
Lm =
1
L(t )dt
T∫
Gl. 13
Die Konstanten a und b beschreiben den Adaptationszustand der Zapfen und
Stäbchen. Für Rechteckimpulse gleicher Hell- und Dunkelzeit werden für mittlere
Leuchtdichten zwischen 2 und 300 cd/m² für a = 12 Hz und für b = 33 Hz eingesetzt.
Eine weitere wesentliche Einflussgröße für die Flimmerverschmelzungsfrequenz ist
das Verhältnis der nach Fourier bestimmten Amplitude der Grundwelle des
periodischen Verlaufs zum arithmetischen Mittelwert der Leuchtdichte. Der halbe
Wert dieses Verhältnisses wird als Grundwellenquotient (Grundwellenanteil) GW
bezeichnet.
GW =
0,5 gL
Lm
Gl. 14
gL: Amplitude der Grundwelle des periodischen Leuchtdichteverlaufs
Für die Messung des Flimmerverhaltens von Lichttherapiegeräten müssen
Empfänger mit hoher zeitlicher Auflösung benutzt werden, da überwiegend EVG’s
benutzt werden und das Licht hochfrequent moduliert wird. Als geeignet zeigen sich
hierbei Photodioden mit einer hinreichend genauen V(λ)-Anpassung und genügend
kleiner Zeitkonstante. Für den Flickerwert Fl gilt:
Fl =
Emax - Emin
Emax + Emin
Gl. 15
148
Abb. 5: Zeitlicher Verlauf der Beleuchtungsstärke eines EVG-betriebenen
Lichttherapiegerätes
Abb. 6: Zeitlicher Verlauf der Beleuchtungsstärke eines KVG-betriebenen
Lichttherapiegerätes
Der
Einsatz
von
elektronischen
Vorschaltgeräten
ist
aus
Gründen
der
Flimmerfreiheit von Lichttherapiegeräten zu empfehlen. In Abb. 5 und Abb. 6 sind
beispielhaft die zeitlichen Verläufe der Beleuchtungsstärke von Lichttherapiegeräten
mit einem EVG bzw. KVG dargestellt. Die 100-Hertz-Lichtfrequenz von KVG
betriebenen
Geräten
führt
bei
bestimmten
psychologischen Störungen bei Patienten.
Leuchtdichteverhältnissen
zu
149
Literatur:
[1]
Zulley,J., Wirz-Justice, A., Sammelband-Lichttherapie, Biologische Rhythmen
und Schlaf, Regensburg 1999
[2]
DIN 5050 Tel 1: Solarien und Heimsonnen - Meßverfahren, Typeneinteilung,
Kennzeichnung
[3]
Kethe, G., Über die Beleuchtung durch strahlende Flächen, Optik Heft 19,
Karlsruhe 1951
[4]
Thapan, K., Arendt, J., Skene, D. J., An action spectrum for melatonin
suppression, Journal of Physiology (2001), 535.1, S. 261-267
[5]
George C. Brainard, et al. , Action Spectrum for Melatonin Regulation in
Humans: Evidence for a Novel Circadian Photoreceptor, The Journal of
Neuroscience, August 15, 2001, 21(16):6405-6412
[6]
CIE Committee E-3.2,Natural Daylight Official Recommenddations Compte
Rendu, 13. Sitzung, Bd. 2, Paris 1955
[7]
Aydinli, S., Kaase, H. Solarstrahlung und Tageslicht, Berlin 2004
150
Right Light for Productivity, Health and Well-being
at the Workplace
Gerrit van den Beld
Philips Lighting, P.O.Box 80020, 5600JM Eindhoven, The Netherlands
1 Introduction
About two of centuries ago, human life was determined by the natural daily light-dark
cycle, related to rotation of the earth: Active during the light- and asleep in the darkperiod. Since the invention of electric light, man made its’ own wake/sleep cycle.
Today, with the globalisation of activities, IT services and intercontinental travel, the
number of people following irregular work schedules is increasing rapidly. In many
countries 15 and 25% of the people is working in a shift schedule, in production,
transport or services. Beneficial effects of (day) light are well known since ancient
times e.g. heliotherapy and light therapy was frequently applied until the 1930s. After
the invention of penicillin the role of light therapy minimized. Over the last 20 years,
the appreciation of light as an important contributor to health and well-being has been
revived because of findings in biological and medical research. The knowledge of the
effects of ocular light in the lighting community is not very well known and just
beginning to spread more widely. The eye is mainly considered as an organ for
vision, but today it is evident that ocular light mediates and controls a large number of
physiological and psychological processes in humans. Effects of ocular light are
Control of the biological clock, Direct (stimulating) effects and Influence on mood.
2 Non-Imaging Effects of Ocular Light
2.1
The biological clock
In chrono-photobiology, light is referred to as ‘Zeitgeber’, controlling our internal body
clock (fig.2.1), located in the Supra Chiasmatic Nuclei (SCN) in the hypothalamic
area in the brain [2.1]. Ocular light induces signals in the retinal type III
photosensitive ganglion cells, connected with the SCN, controlling e.g. the circadian
(daily) (fig.2.2) and circannual (seasonal) rhythms [2.2]. Rise of melatonin (sleep
151
hormone) in the evening prepares for sleep. Increase of cortisol (stress hormone) in
the morning prepares for the coming day’s activity. At the same time, melatonin
drops, reducing sleepiness. Other rhythms are sleep-wake cycle, sleepiness,
alertness, fatigue, mood and performance [2.2], [2.5].
Ocular light daily synchronises the body clock to the Earth’s 24-hour light dark cycle.
Without light, the bio-clock starts free running with a period of about 24 hrs and 15
minutes and will consequently deviate (de-synchronise) day after day ever more from
the environmental clock time [2.3]. This results in symptoms similar to jetlag after
travelling over several time zones [2.4]. After some days the symptoms disappear
and circadian adjustment is re-established because light can phase shift the bioclock. These phase-shifting effects of light can be adopted for faster adjustment in
cases of jetlag, but also for better adaptation to nightshift work.
3
6
7 8
5
2
4
1
visual pathway
photobiological
pathway
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
retina
optic nerve
visual cortex
retinohypothalamic tract (RHT)
suprachiasmatic nucleus (SCN)
pineal gland (melatonin secretion)
spinal cord
superior cervical ganglion
(sympathic nervous system)
Fig.2.1 Biological clock, vision and non-imaging system
Fig.2.2 Double plot (2 × 24 hrs) of typical natural human circadian rhythms of body
temperature, melatonin, cortisol and alertness (various sources)
152
2.2
Direct stimulating effects of light on the body
Direct stimulating effects result from e.g. comparing effects of summer- and winter
light and from interior light in the (working) environment (the EEG pattern, direct
suppression of melatonin, heart rate and insulin level). Light therapy is used for sleep
disorders, Alzheimer’s disease and many others [2.11], [2.18-2.25]
10
0
EEG delta activity (%)
arousal level
-1
2800l
-5
250lx
450
1700
450
75
1700
50
25
0
2
4
6
Time (hrs. after midnight)
8
left hemisphere
of brain
right hemisphere
of brain
Fig 2.3(left) Mood expressed as arousal level for 250 lux and 2800 lux) as a function
of number of working hours for night-shift workers (Boyce et al.) and
Fig 2.4(right) Delta activity EEG of office workers at 450 lux and 1700 lux (Kuller,
Wetterberg)
2.3
Light, mood and alertness
Mood is a reflection of a person’s feelings: physically feeling good or bad, and
mentally feeling more or less alert. Other factors known to influence mood are
weather/season [2.7] and, at work, the seeing conditions and the (visual)
environment [2.18], [2.26], [2.27].
153
Stress Level
0,2
0,1
0
artificial light
daylight +
only
artificial light
May
Jan
May
Jan
-0,1
-0,2
Fig 2.5 (left) Stress levels under electric light only or electric& daylight (Kerkhof)
Fig.2.6 (right) Errors made (N=62000) during shifts. Adapted by Kerkhof
A well-recognised aspect is the seasonal difference in mood, energy level and vitality
in a substantial part of the population. Studies with 145 (healthy) office workers (day
shift, using 2500 lux show in 62% of the people improved well-being, mood and
energy level [2.14]. In other research studies, stimulating effects of bright light have
been found during daytime and at night leading to elevated levels of alertness and
performance [2.9-2.11], [2.15], [2.16], [2.17]. The ‘three process model’ (fig 2.7)
shows the most important alertness elements [2.28]. The first period of 8 hours
represents sleep, followed by waking-up and wakefulness until midnight (upper
curve) and sleep until 8 o’clock next morning. The broken curve shows the situation if
the subject remains awake e.g. a nightshift worker. In the latter case, the red curve,
including the circadian component, represents the overall subjective alertness rating
over about a 36 hours period, including the first nightshift, and shows a dip at around
4 o’clock in the morning. The differences in performance and accident risk between
night and morning shifts are significant (fig.2.8). The major dip, in line with the model,
is from midnight to 06.00 hrs and the second-less deep- dip from noon to 16.00 hrs.
This ‘post lunch dip’ is caused by the strong 12 hr rhythm of sleep propensity (without
‘lunch’ there is still a dip!).
Results from studies on absenteeism differ significantly, making it difficult to draw
general conclusions. Many studies show a higher rate in complaints and illness for
shift workers compared with day workers but this does not necessarily correlate with
154
rates of absenteeism. One of the reasons could be that, for example, visits to family
doctors, dentists, etc normally take place during the day.
Bright light can be used to adapt the circadian clock to nightshift work, improving
sleep quality/duration and alertness (see Fig.2.9) and accidents [2.13]
16
14
12
S+W
O
10
8
Rating(KSS)
6
4
2
C
0
-2
00h
12 h
Time of day (hr)
I
day1
00h
12h
00h
I
day2
I
Fig.2.7.Subjectively rated alertness model: The endogenous (Circadian) component
(blue) and exogenous (Sleep + Wake) component (black). Overall alertness (O)
including the first nightshift on day 2 is given in red. Derived from Folkard,Akerstedt
High
Low
Day average----Relative
Relative
Productivity Accident
(speed/
Risk(blue)
accuracy)
Low
High
00h
12 h
00h
12h
00h
Fig 2.8. Double plot daily spread in productivity (black) and accident risk (blue).
155
Fig.2.9 Subjective alertness and lighting level
after light exposure of 6,5 hrs.
The mid-point light exposure is 3,5 hrs before
core body temp. minimum, so in the early
night. From this it can be expected in practice
that lighting of 500 to 1000 lx vertical on the
eye (or1000-2000 lx horizontal) can maximize
alertness.
Cajochen et al, Harvard Medical School
3 Lighting Levels and Action Spectra for NIF effects
A large number of publications give indications what lighting levels are required to
achieve NIFeffects e.g. with respect to synchronize the bio-clock, to phase shift the
bio-clock, to cope with winter blues, to increase alertness and productivity etc. As an
example the influence of lighting level and productivity based upon data as given in
the German ‘Handbuch für Beleuchtung’ [3.1]. In the case of metal industry the
lighting level is raised from 300 to 2000 lx, being a lighting level where surely NIF
effects can be expected to play a role. It shows an increase in task performance of
16%, a reduction of rejects of 29% and accident reduction of 52%, resulting in an
overall productivity increase of more than 20%. Another lighting level indication for
NIF effects is found in treatment of winter blues often applying a lighting level of 2500
lx [2.22]. The published action spectra (fig.3.1) for suppressing melatonin (Thapan
[3.2], Brainard [3.3]) is well in line with recently discovered NIF photoreceptors with
maximum sensitivity also in the region of 430-460 nm (Berson, Hattar [3.4], [3.5]).
From these data a graph can be derived showing the luminous flux as well as NIF
output per radiated Watt between 380 and 760 nm for various light sources (fig 3.2).
The light sources presently used for general lighting are found in area N. Special light
sources can be developed for Areas A, B and C.
156
1
Fig.3.1
Photopic sensitivity (green , max 555nm)
Scotopic sensitivity (black , max 509 nm)
NIF action spectrum (red, max 430-460nm)
0
0
400
V
500
600
700
wavelenghth(nm)
The light sources in the A, B, C and N areas in this graph (fig.3.2) can be
characterized as follows:
Area A: High effective in NIF effects, low luminous efficacy
Area B1: High effective in NIF effects, high luminous efficacy, good Ra
Area B2: Very high effective in NIF effects, high luminous efficacy
Area N: The majority of the general-purpose standard lamps as per today
Area C: Low effective in NIF effects, low-high luminous efficacy
On basis of Fig.3.2 energy effective lighting solutions can be derived depending upon
the desired visual needs and lighting needs for NIF effects. Light sources from A, B,
C and N areas can be chosen e.g. on basis of required effective photon density level,
time of day and type of activity.
Healthy light algorithms should, in addition to lighting requirements on the workplace,
also include lighting (and darkness) recommendations for the free hours of the
working day as the overall daily light/dark cycle influences the NIF effects and
consequently on performance and well being.
157
Effectiveness of spectral power for melatonin and flux
Single wavelength
800
2*20nm
2*30nm
555nm
700
2*50nm
Luminous flux
600
90-series
80-series
500
Ext-80 series
400
SDW-var.
High pressure mercury
300
C
200
N
High pressure sodium
B2
B1
Metal Halide
TL Colour
100
A
459nm
0
0.0
0.2
0.4
0.6
Melatonin Watts
0.8
1.0
Specials
Daylight 5000-25000K
Planckian rad. 20005000K
Fig.3.2. Spectral effectiveness of NIF output and luminous flux
3.1
Dayshifts
In fig.3.3 an option is shown for daytime work/activities. It starts with a high lighting
level in the morning, compensation for the so-called post lunch dip and again an
increasing level at the end of the working day to cope with increased fatigue. The
lighting levels for achieving boosting effects are in the order of 1000-1500 lx and can
be provided by daylight, if available, or by electric light either from the general lighting
or localized lighting e.g. desk lights.
The colour temperature of the boosting light is preferably high, e.g. more than 10000
K. Suitable light sources are found in the B area of Fig.3.1. These boosting effects
seem to be most efficient if the increase is offered as a step function. A gradual
increase gives a lower effect (ref. Cooper, personal communication). The timing of
additional boost can be offered to the worker giving him a personal control to meet
his individual lighting needs. The lower illuminance levels (minimally meeting the
‘visual standards) are achieved by gradual dimming and changing colour temperature
to values of 4000-6000 K, depending on preference and matching with daylight
contributions. In addition dynamic effects can be added to achieve a natural effect as
can be experienced on a mixed sunny/cloudy day. Care should be taken that this
does not interfere with the visual task to be carried out.
158
Before the start of the daily work, it is possible to make use of so-called dawn
simulators at home in the bedroom and a ‘light shower’ to facilitate the waking-up
process. Personal preferences might influence the final solution chosen [3.6]
Morning
boost
Level
Post
lunch dip
Tk
8h
13h
Winter-afternoon
compensation
18h
Fig.3.3. Conceptual Lighting Algorithm for day shifts
3.2
Working in the evening
An option is to start with a boost of 1000 lx and gradually reduce to the required
standard level. At the start the colour temperature should preferably be high and
gradually reduce to very low values. The spectral distribution changes from the B to
the A area. In this way a better sleep quality can be expected after finishing the
evening work.
3.3
Night shift work.
Field studies show large individual variations in phase shifts indicating that standard
lighting applied in the night shift working environment is not optimal for the worker. A
more individually controlled lighting on the workplace instead of an overall general
lighting system seems to be more favourable. More attention should be paid to the
lighting for the nightshift instead of simply using the same lighting as for daytime
work. Considering the biological effects of light especially with respect to circadian
adjustment and spectral sensitivity, various lighting strategies can be distinguished
e.g.:
•
Lighting for no or minimal circadian adjustment and phase shifting. Area C
lamps
•
Lighting for partial circadian adjustment and moderate phase shifting. Area BA lamps
•
Lighting resulting in maximal circadian adjustment and phase shifting. Area B
lamps
159
•
Deep blue lighting resulting to increase alertness e.g. for drivers. Area A
lamps
The lighting levels and timing differ for begin and end of the night shift period and
depend also on personal sensitivity.
In industrial premises care should be taken that the lighting remains providing optimal
visual conditions and no negative effects occur [3.8-3.11].
4 The way forward
Trials are needed to verify the scientific results as well as the acceptability of the
lighting solutions addressing both the visual needs and the needs to meet the nonvisual/biological needs in the daily practice. In these lighting solutions the effect of
different lighting levels, different colours/colour temperatures and lighting dynamics
have to be evaluated.
In these trials also new light sources will be evaluated as there is a trade-off between
higher lighting levels and higher colour temperatures, meaning that it can be
expected that with high colour temperature lamps specific effects can be achieved at
lower lighting levels and thus less energy consumption. In a number of lighting
applications, where colour rendering is not important, even coloured light can be an
efficient solution
It is evident that lighting will become dependent on the work/task, the working hours
(shift), the weather and season and personal preferences and characteristics.
Consequently lighting in the working environment will vary in level and colour while
maintaining comfortable vision, good colour rendering and be flicker free. Daylight
contributions have to be considered wherever possible without hampering sustained
visual performance.
In the living environment also special light sources should be tested for instance for
the elderly people to address e.g. sleeping problems and reduced vision.
The dual function of the eye opens a complete new field in developing new lighting
solutions for a variety of applications and market segments.
160
5 Conclusions
The recent findings on NIF effects of ocular light offer options for lighting solutions
addressing both the lighting needs for vision and NIF effects. Such lighting solutions
result in a win-win condition for employee and employer as it will improve health and
well being on the one hand and increase productivity on the other. Lighting design is
challenged to meet the overall human lighting needs to achieve such win-win
situations on the workplace as a first step into the development of new lighting
standards for the lighting of the workplace.
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164
Photodynamische Therapie
Rolf-Markus Szeimies, Sigrid Karrer, Wolfgang Bäumler
Klinik und Poliklinik für Dermatologie, Klinikum der Universität Regensburg
D-93042 Regensburg
1 Einleitung
Im Jahre 1905 berichteten der Pharmakologe Prof. H. von Tappeiner und Dr. A.
Jesionek von der Dermatologischen Klinik des „Krankenhauses links der Isar“,
erstmals
über
die
Behandlung
von
epithelialen
Hauttumoren
mittels
photodynamischer Therapie. Hierzu wurden Farbstoffe, wie z.B. Eosinlösung (1 –
5 %), auf die Hautveränderungen aufgetragen und anschließend mit Sonnenlicht
bestrahlt. Vier von insgesamt 6 Patienten mit Basalzellkarzinom konnten so erstmals
durch eine topische PDT geheilt werden (Jesionek u. von Tappeiner 1905).
Die bis vor kurzem einzige in der Bundesrepublik zugelassene Substanz zur PDT für
die Indikationen Bronchial- und Ösophaguskarzinom war das Photofrin®. Allerdings
bewirkt die intravenöse Gabe von Photofrin® eine bis zu acht Wochen oder länger
anhaltende generalisierte kutane Photosensibilisierung der Patienten (Landthaler et
al. 1993). Diese schwerwiegende Nebenwirkung einer systemischen PDT ist
Patienten mit isolierten Hauttumoren trotz der exzellenten kosmetischen Resultate
nur
sehr
eingeschränkt
zuzumuten.
Aufgrund
seiner
physikochemischen
Eigenschaften penetriert Photofrin® nicht in therapeutisch relevanten Mengen die
Haut, eine topische Applikation mit der Umgehung der kutanen Photosensibilisierung
ist daher nicht möglich. Allerdings kann 5-Aminolävulinsäure (ALA) sehr gut
parakeratotisches Stratum corneum penetrieren, welches sich über den zu
behandelnden Läsionen befindet (Kennedy et al. 1990). ALA, oder sein aktuell
klinisch
zugelassenes
Methylester-Derivat
(Metvix®)
werden
nach
topischer
Applikation im Rahmen der Hämbiosynthese zu photosensibilisierenden Porphyrinen
umgesetzt. Die Bildung dieser Porphyrine (überwiegend Protoporphyrin IX) ist
hochselektiv in schnell proliferierenden Geweben, wie z.B. Basalzellkarzinomen,
aktinischen Keratosen oder initialen spinozellulären Karzinomen, aber auch
entzündlichen Dermatosen wie der Psoriasis (Tabelle 1). Epitheliale Tumoren
165
können daher aufgrund der ALA-induzierten, selektiven Porphyrinakkumulation ohne
nennenswerte Schädigung des umliegenden normalen Gewebes nach Beleuchtung
mit rotem Licht zerstört werden. Diese selektive Porphyrinanreicherung kann auch im
Rahmen der Fluoreszenzdiagnostik zur Tumordetektion oder –Abgrenzung nach
Anregung mit blauem Licht genutzt werden (Ackermann u. Abels 2002). Mittlerweile
ist in Deutschland die photodynamische Behandlung aktinischer Keratosen und
oberflächlicher Basalzellkarzinome in der Kombination des ALA-Methylesters
(Metvix®) mit rotem Licht klinisch zugelassen.
Tab. 1: Indikationen für die PDT in der Dermatologie
Präkanzerosen
Aktinische Keratosen (auch Arsen-induziert)
Morbus Bowen
Tumoren
Oberflächliches Basalzellkarzinom
Gorlin-Goltz-Syndrom
Initiales spinozelluläres Karzinom
Entzündliche oder virusassoziierte
Dermatosen
Psoriasis vulgaris
Zirkumskripte Sklerodermie
Epidermodysplsia verruciformis
Verrucae vulgares
Condylomata acuminata
2 Wirkmechanismus
Der Effekt der PDT bei onkologischen Indikationen beruht auf folgenden
Mechanismen: Durch die Einwirkung von Licht geeigneter Wellenlänge auf einen
Photosensibilisator werden im Gewebe reaktive Sauerstoff-Spezies (ROS) gebildet.
Je nach Abhängigkeit vom verwendeten Photosensibilisator, der subzellulären
Lokalisation sowie dem Substrat- und Sauerstoffangebot im Umfeld des aktivierten
Photosensibilisators kommt es dabei zur Bildung von Hydroxylradikalen und/oder
Superoxidanionen oder der Bildung von Singulett-Sauerstoff. Letzterer scheint dabei
166
allgemein der entscheidende Mediator der PDT-vermittelten biologischen Effekte zu
sein (Dougherty et al. 1998). Die weiteren biologischen Effekte werden in primäre
zelluläre
sowie
sekundäre
vaskuläre
Effekte
eingeteilt,
deren
Ausmaß
in
Abhängigkeit von dem jeweiligen verwendeten Photosensibilisator variiert. So
beobachtet man frühe, sichtbare zelluläre Schäden an der Zellmembran, sowie der
Membranen von Zellorganellen (vornehmlich der Mitochondrien), im Verlauf kommt
es dann zum Zusammenbruch der zellulären Homöostase mit nachfolgender
Nekrose oder Apoptose. Auf molekularer Ebene können daneben durch die PDT
Stressproteine, Zytokine und andere Mediatoren induziert werden, die zu
entsprechenden immunmodulatorischen Effekten im Gewebe führen. Insbesondere
bei soliden Tumoren ist jedoch für eine effektive Zerstörung derselben die irreversible
Schädigung
des
pathologisch
veränderten
Gefäßsystems
der
Tumoren
verantwortlich. Nach Vasokonstriktion von tumorversorgenden Arteriolen und
Thrombosierung
von
Tumorgefäßen
kommt
es
zur
Tumorischämie
mit
anschließender Nekrose (Abels 2002).
3 Onkologische Indikationen in der Dermatologie
Für die systemische PDT mit Photofrin® sind die Indikationen in der Dermatologie
aufgrund der langanhaltenden generalisierten Photosensibilisierung eingeschränkt.
Als Therapieoption kommt Photofrin® deshalb nur bei Basalzellkarzinomen oder
initialen spinozellulären Karzinomen bei nicht operationsfähigen Patienten oder mit
anderen Verfahren nicht mehr behandelbaren Veränderungen in Frage. 24 - 48 h
nach intravenöser Injektion von 2 mg/kg KG Photofrin® wird der Tumor mit rotem
Licht einer Intensität von 100 - 150 mW/cm² für ca. 20 min bestrahlt, das entspricht
einer Lichtdosis von 100 - 150 J/cm². Nach etwa einer Woche bildet sich im
Behandlungsareal eine überwiegend auf den Tumor beschränkte trockene Nekrose
aus, die in der Regel mit exzellentem kosmetischen Ergebnis abheilt.
Die Vorteile der topischen PDT mit ALA oder dem Methylester-Derivat wie die
fehlende Invasivität des Verfahrens sowie die guten kosmetischen Ergebnisse sind
mittlerweile in zahlreichen klinischen Studien, auch im Vergleich mit herkömmlichen
Therapieverfahren wie der Kryotherapie belegt worden (Szeimies et al. 2002).
Hinweise
bezüglich
einer
möglichen
Kanzerogenität
wie
bei
anderen
167
phototherapeutischen Verfahren fehlen. Aufgrund der in der Literatur bisher
vorliegenden
Studien
stellen
unserer
Meinung
nach
von
den
epithelialen
Präkanzerosen und Tumoren bisher nur aktinische Keratosen (Abbildung 1), Morbus
Bowen und oberflächliche Basalzellkarzinome (< 3 mm Tumordicke) eine Indikation
für eine kurative PDT (rotes Licht, 100 - 150 mW/cm²; 100 - 150 J/cm²) mit topisch
applizierter ALA (20 %ige Zubereitung, okklusiv für 4 - 6 h) dar (Tabelle 2). Zur
Bestrahlung eignet sich ohne Verlust der therapeutischen Effektivität eine
inkohärente Lichtquelle (Szeimies et al. 1996; Fijan et al. 1995). Mit diesem Protokoll
zur Behandlung o.g. Hautveränderungen stellt die PDT eine Alternative zu den
etablierten Therapien mit möglicherweise besserem kosmetischen Ergebnis dar.
Eine
endgültige
Bewertung,
vor
allem
hinsichtlich
des
Einsatzes
bei
Basalzellkarzinomen, ist jedoch erst nach Auswertung von Langzeitstudien mit
ausreichender Nachbeobachtung (mind. 3 - 5 Jahre) der Patienten möglich.
Abb. 1:
links: Multiple aktinische Keratosen an der Stirne eines
Patienten.
rechts:
Zustand
4
Monate
nach
topischer
photodynamischer Therapie mit 5-Aminolävulinsäure. Komplette
Remission ohne Narbenbildung
168
Tab. 2: Remissionsraten epithelialer Tumoren und Präkanzerosen nach PDT
(Zusammenstellung der Daten aus zahlreichen kontrollierten und
unkontrollierten Studien)
Indikation
Sensibilisator
Parameter
Komplette
(Sensibilisatordosis, Remissions
Inkubationszeit,
-raten (%)
Lichtdosis)
Aktinische Keratosen ALA topisch,
ALA-Methylester
10-20 %, 3-8 h,
71-100
60-150 J/cm²
topisch
Morbus Bowen
ALA topisch
20 %, 4-8 h,
90-100
80-180 J/cm²
Basalzellkarzinom
- oberflächlich
Photofrin
2,0 mg/kg KG,
systemisch
50-100 J/cm²
Photofrin
2,0 mg/kg KG,
systemisch
60-220 J/cm²
ALA topisch
20 %, 4-8 h,
98-100
60-90
80-95
100-180 J/cm²
- knotig
ALA topisch
20 %, 4-8 h,
20-60
100-180 J/cm²
Spinozelluläres
ALA topisch
Karzinom (nur initial)
20 %, 3-8 h,
85
60-150 J/cm²
Photofrin
2,0 mg/kg KG,
systemisch
100-150 J/cm²
80-90
Die einzige bisher bekannte Nebenwirkung der topischen PDT mit ALA ist der
während
der
Bestrahlung
auftretende
Sonnenbrand-ähnliche
Schmerz,
der
ausgeprägter sein kann, wenn großflächige Areale behandelt werden (Szeimies et al.
1996; Svanberg et al. 1994).
169
4 Nicht-onkologische Indikationen in der Dermatologie
Auch zur Behandlung chronisch-entzündlicher Dermatosen wurde die PDT mit ALA
eingesetzt. Die Effektivität der PDT bei 3 Patienten mit chronisch-stationärer
Psoriasis wurde dabei mit einer Dithranol-Behandlung im Halbseitenversuch
verglichen. In beiden Therapiearmen war die Zeit bis zur Abheilung gleich. Ein
Patient mit Psoriasis guttata wurde dreimalig in wöchentlichen Abständen mit
absteigender Lichtdosis (50, 25, 10 J/cm²) behandelt. In diesem Fall heilten die mit
PDT behandelten Herde eine Woche früher als die mit Dithranol ab (Boehncke et al.
1994). Dieser Bericht zeigt, dass zur Behandlung von chronisch-entzündlichen
Dermatosen eine deutlicher geringere Lichtintensität und Lichtdosis notwendig ist,
verglichen
mit
onkologischen
Indikationen
(Hürlimann
et
al.
1994).
Sehr
wahrscheinlich können auch die ALA-Konzentration und die Inkubationszeit reduziert
werden. In der Behandlung der zirkumskripten Sklerodermie zeigte sich unter der
Behandlung über etwa 6 Monate (3 % ALA-Gel; Bestrahlung mit 40 mW/cm²; 10
J/cm²) eine deutliche, objektivierbare Befundbesserung (Karrer et al. 2000).
Letztendlich ist jedoch auch die PDT wie andere phototherapeutische Verfahren, z.B.
PUVA (Psoralen + UVA), keine kausale Therapie zur Behandlung dieser
Erkrankungen. Allerdings, im Vergleich zur PUVA oder UVA1-Bestrahlung (Stern et
al. 1982; Rünger et al. 1995), liegt bisher kein Bericht vor, der ein erhöhtes Risiko für
die Entstehung von Hauttumoren nach PDT zeigt. Darüber hinaus ergeben erste
Studien, dass wahrscheinlich die Anzahl der Behandlungen bis zum Therapieerfolg
geringer als bei einer PUVA-Therapie ist.
Selbst Virus-induzierte Hautveränderungen lassen sich erfolgreich mit der ALA-PDT
behandeln. So führten Stender et al. bei 30 Patienten mit therapieresistenten
Verrucae vulgares eine vergleichende Studie durch. Nach Auftragen einer 20 %igen
ALA-Creme für 5 h erfolgte die Bestrahlung mit einem Diaprojektor mit
verschiedenen Wellenlängen und einer Lichtdosis von 40 J/cm². Vor ALA-PDT
erfolgte eine Keratolyse der Warzen (Stender et al. 1999). Schließlich heilten
signifikant mehr Warzen nach einer dreimalig durchgeführten PDT mit weißem Licht
(komplette Remission (CR) 73 %) ab als nach einer dreimaligen PDT mit blauem
Licht (CR 28 %), rotem Licht (CR 42 %) oder Kryotherapie (CR 20 %). Innerhalb
einer Nachbeobachtungszeit von 12 Monaten nach PDT traten keine Rezidive auf.
170
Diese Studie wurde gefolgt von einer doppelblinden randomisierten Studie derselben
Arbeitsgruppe bei 45 Patienten (Stender et al. 2000). Auch hier zeigte sich, dass die
repetitive ALA-PDT in der Behandlung von therapieresistenten Hand- und
Fußwarzen nur wirksam ist, wenn eine suffiziente Keratolyse vor der eigentlichen
PDT erfolgt. Die Beleuchtung erfolgte dabei mit einer inkohärenten Lichtquelle
(Waldmann PDT 1200L). Die Behandlung wurde nach einer und nach 2 Wochen
wiederholt. Wenn die Warzen nach 7 Wochen noch bestanden, erfolgte nochmals
eine dreimalige Behandlung in wöchentlichen Abständen. Es ergab sich schließlich
ein komplettes Abheilen der Warzen in 56 % der mit ALA-PDT behandelten Warzen
im Vergleich zu der Placebogruppe (CR 42 %). Diese Daten deuten darauf hin, dass
die
ALA-PDT
bei
therapieresistenten
Warzen
in
Kombination
mit
einer
vorhergehenden Keratolyse eine wirkungsvolle Alternative zu herkömmlichen
Therapieverfahren bei ähnlichen Ansprechraten sein kann. Als Nachteil der Therapie
sind jedoch die zum Teil starken Schmerzen während der Bestrahlung zu nennen,
die wohl den breiten Einsatz der PDT, insbesondere bei Kindern, einschränken. So
bleibt zu untersuchen, wie die PDT-assoziierten Schmerzen gelindert werden können
(fraktionierte Behandlung, Lokalanästhesie), ohne den Effekt der Therapie negativ zu
beeinflussen.
Neben dem erfolgreichen Einsatz der ALA-PDT bei der Epidermodysplasia
verruciformis (Karrer et al. 1999), wird auch über gute Ergebnisse bei der
Behandlung von Condylomata acuminata berichtet (Frank et al. 1996). Der Vorteil
der PDT gegenüber herkömmlichen thermisch-ablativen Behandlungsverfahren wie
der CO2-Laserung ist die fehlende Rauchentwicklung mit der Gefahr der
Virusübertragung. Des weiteren könnten mittels PDT auch subklinische Läsionen
miterfasst und somit die Rezidivrate nach erfolgter Behandlung gesenkt werden.
Dieses wird derzeit im Rahmen einer klinischen Studie mit adjuvanter ALA-PDT nach
konventioneller CO2-Laserung untersucht.
Im Gegensatz zur photodynamischen Therapie von epithelialen Tumoren ist bei der
Behandlung von entzündlichen Hauterkrankungen das Ziel der Therapie nicht eine
Zerstörung des Gewebes, sondern eher die Modulation zellulärer Funktionen. Daher
unterscheiden sich auch die Therapieparameter (Photosensibilisator- und Lichtdosis)
und Therapieprotokolle (Anzahl und Dauer der Behandlungen) ganz entscheidend
171
von denen der Tumortherapie („Hochdosis-PDT“). Die genauen Behandlungsparameter für die einzelnen Indikationen sind jedoch bislang nicht durch kontrollierte
Studien evaluiert und unterscheiden sich in der Literatur teils ganz erheblich. Manche
der nicht-onkologischen Hauterkrankungen, wie die Psoriasis, die zirkumskripte
Sklerodermie, granulomatöse Erkrankungen oder die Akne vulgaris scheinen auf
wiederholt
durchgeführte
Therapien
mit
teils
sehr
niedrigen
Licht-
und
Photosensibilisator-Dosen anzusprechen („Niedrigdosis-PDT“). Dagegen erscheint
bei der Therapie HPV-induzierter Warzen oder bei der Behandlung der Hypertrichose
eine einmalige Hochdosis-PDT, analog der Tumorbehandlung, sinnvoller.
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173
Fluoreszenzdiagnostik von soliden Tumoren
Wolfgang Bäumler, Christoph Abels, Günther Ackermann,
Hans Stockmeier, Rolf-Markus Szeimies
Klinik und Poliklinik für Dermatologie, Klinikum der Universität Regensburg,
Franz-Josef-Strauß-Allee 11, 93053 Regensburg
1 Einleitung
Die Fluoreszenzdiagnostik (FD) ist ein neuartiges, vielversprechendes Verfahren zur
In-vito Diagnostik von dysplastischen Geweben und oberflächlichen Tumoren.
Zunächst
wird
ein
Photosensibilisator
oder
ein
Vorläufer
(Prodrug)
eines
Photosensibilisators lokal oder systemisch appliziert, der sich selektiv in Tumorzellen
anreichert. Durch die Bestrahlung mit Licht werden die Sensibilisatormoleküle zum
fluoreszieren gebracht. Dieses Fluoreszenzlicht kann durch das freie Auge oder
besser durch ein optisches System detektiert und der Tumor somit lokalisiert werden.
Die zur Verfügung stehenden Photosensibilisatoren unterscheiden sich aufgrund
ihrer pharmakologischen (Applikationsform, Anreicherungs- und Abbauverhalten,
Plasmahalbwertszeit,
Metabolismus,
Nebenwirkungen)
und
physikalischen
Eigenschaften (Absorptions- und Emissionsspektrum, Fluoreszenzquantenausbeute)
[1]. Wegen seiner hohen Selektivität und guten Verträglichkeit wird in der
Dermatologie zur FD nahezu ausschließlich Protoporphyrin IX (PpIX), das nach
topischer Gabe von 5-Aminolävulinsäure (5-ALA) als Sensibilisator verwendet. Unter
physiologischen Bedingungen wird die Bildung von 5-ALA aus Glycin und SuccinylCoA in den Mitochondrien durch die ALA-Synthase reguliert. Führt man ALA exogen
zu, wird der Feedbackmechanismus umgangen und es kommt zur Anreicherung von
Porphyrinen, insbesondere PpIX [2,3].
Die klinische Nutzbarkeit der ALA-induzierten Fluoreszenz konnte erstmals in der
Urologie gezeigt werden [4]. Inzwischen wird die FD erfolgreich auch in anderen
Disziplinen eingesetzt. So konnte sowohl in der Urologie als auch der
Gastroenterologie nachgewiesen werden, dass bei Entnahme von Gewebeproben
mit Hilfe der FD eine signifikant höhere Sensitivität verglichen mit konventioneller
Zystoskopie [5] oder gastrointestinaler Endoskopie [6] erzielt werden kann.
Erste Fallbeschreibungen in der Dermatologie belegen, dass die Fluorenzenz
induzierter Porphyrine auch hier ein nützliches Hilfsmittel zur Hervorhebung und
174
Abgrenzung oberflächlicher Tumoren bei Resektionen [7] oder zur Biopsieentnahme
[7] sein kann.
2 Durchführung der Fluoreszenzdiagnostik
2.1
Applikation
Zur erfolgreichen Durchführung der FD ist eine selektive Anreicherung des
Photosensibilisators im erkrankten Gewebe notwendig. ALA, der Vorläufer von des
Photosensibilisators PpIX, ist ein sehr kleines, hydrophiles Molekül (MW 170 g/mol),
das sowohl topisch als auch systemisch verabreicht werden kann. Da die
Photosensibilisierung nach systemischer Gabe bis zu 48 h andauern kann und die
Patienten in dieser Zeit keiner direkten Sonnenbestrahlung ausgesetzt sein dürfen,
wird die Substanz für dermatologische Zwecke in der Regel topisch aufgetragen. Für
die lokale Auftragung auf die Haut kann ALA in einer Konzentration von 3-20 % (Vol.)
einer Creme (Öl-in-Wasser-Emulsion) oder einem Gel beigemengt werden [9]. Nach
dem Auftragen von ALA wird das Hautareal mit einer Folie (Tegaderm, 3M Medica,
Borken) okklusiv abgedeckt und mit Alufolie ein Ausbleichen von bereits gebildeten
Porphyrinmoleküle („Photobleaching“) verhindert [9].
2.2
Fluoreszenzanregung
Alle Porphyrine zeigen eine starke Absorptionsbande („Soret-Bande“) um 400 nm
(Blau) und vier weitere, um den Faktor 10-20 schwächere Banden („Q-Banden“)
zwischen 500 nm (Grün) und 630 nm (Rot). Obwohl die Eindringtiefe von Licht in die
Haut mit zunehmender Wellenlänge steigt, wird aufgrund der höheren Absorption zur
Fluoreszenzanregung meist blaues Licht verwendet. Als Lichtquellen dienen hierzu
Halogen-
oder
Xenonlampen,
deren
weißes
Dauerlicht
auf
den
blauen
Spektralbereich mittels optischer Filter eingeengt wird. Nur die Anpassung des
Emissionsspektrums der Anregungslichtquelle an das Absorptionsspektrum des
verwendeten Photosensibilisators erzeugt eine maximale Fluoreszenzintensität und
gewährleistet damit eine effektive Fluoreszenzdiagnostik.
Eine
ausschließlich
Fluoreszenzintensität
Woodlicht-Lampen
qualitative
und
ohne
durchgeführt
Inspektion
der
Haut,
Dokumentationsmöglichkeit,
werden.
Das
Dauerlicht
mit
kann
zur
schwacher
mit
sog.
Anregung
derFluoreszenz hat auch den Nachteil, dass während der Diagnostik der
175
Raumabgedunkelt werden muss. Durch den Einsatz von speziellen Blitzlichtquellen
kann
die
Fluoreszenzdiagnostik
allerdings
auch
bei
normalem
Raumlicht
durchgeführt werden. Zur Vermeidung von therapeutischen (photodynamischen)
Effekten während der FD, sollte die Intensität des Anregungslichts auf der Haut nur
wenige mW/cm² betragen.
2.3
Fluoreszenzdetektion
Die Detektion des emittierten Fluoreszenzlichts ist zwar ohne größere technische
Hilfsmittel möglich, jedoch mit einigen Nachteilen verbunden. So kann z. B. das Auge
als Detektor verwendet und die Rotfluoreszenz unter Woodlicht-Anregung betrachtet
werden [7]. Allerdings können die inhomogene Ausleuchtung, die Eigenfluoreszenz
der Haut und die falsche Anregungswellenlänge bei dieser Methode leicht zu einer
falschen Beurteilung der Fluoreszenzintensitäten führen. Um den Kontrast zu
verbessern, kann zusätzlich ein optischer Kantenfilter verwendet werden, der nur
Wellenlängen im Bereich der roten PpIX-Fluoreszenz passieren lässt. Dies
verhindert ein Überstrahlen des schwachen Fluoreszenzlichts durch das blaue
Anregungslicht.
Wesentliche Vorteile bietet demgegenüber die Verwendung eines CCD-basierten
Kamerasystems. Hierbei wird das Fluoreszenzlicht mit einem Halbleiterchip
detektiert, mit Hilfe einer Steuerelektronik zyklisch ausgelesen und auf einen
Computer übertragen. Der entscheidende Vorteil von CCD-Systemen gegenüber
anderen Verfahren ist, dass die generierten Bilder archiviert und mittels digitaler
Bildverarbeitung analysiert werden können. So kann z. B. die unspezifische
Fluoreszenz der normalen Haut, die bei Auftragen von ALA entsteht, oder die
Eigenfluoreszenz der Haut(„Autofluoreszenz“), die durch endogene Chromophore in
der Haut entsteht und deshalb in allen Bildern enthalten ist, subtrahiert werden.
Fehler, die durch inhomogene Ausleuchtung oder die Anregungsgeometrie entstehen
(„Shading“), können ebenfalls korrigiert werden, so dass die Sensitivität und
Spezifität der Methodik entscheidend verbessert wird.
Die Detektionstiefe, also diejenige Hauttiefe bis zu der die Tumorzellen noch
entdeckt werden können, ist grundsätzlich limitiert durch die Penetrationstiefe des
Farbstoffes und die Eindringtiefe des Anregungslichts. Nach topischer Applikation ist
die durch blaues Licht erzeugte Fluoreszenz der ALA-induzierten Porphyrine
176
weitestgehend auf die Epidermis und die sensibilisierten Tumoranteile in der oberen
Dermis beschränkt [10].
2.4
Selektivität und Zeitverlauf
Im Gegensatz zu inneren Hohlorganen wird die Haut des Menschen von einem
verhornenden Plattenepithel bedeckt, welches den Körper vor dem Austrocknen
schützt. Diese äußere Hornschicht (Stratum corneum) behindert bei der FD die ALAPenetration.
Parakeratotisches
Stratum
corneum,
das
sich
über
den
zu
untersuchenden, dysplastischen Läsionen befindet, ist durchlässiger als die intakte
Hornschicht der normalen Haut [11].
Durch
die
Zugabe
von
penetrationsfördernden
Substanzem
kann
die
Fluoreszentintensität gesteigert werden. Da aber auch die Fluoreszenz in der
umliegenden normalen Haut erhöht wird, folgt daraus nicht unbedingt eine
Verbesserung der Selektivität. So wird z. B. nach 2-stündiger Inkubation von
Basalzellkarzinomen mit einem 20%igen ALA-Gel, das zusätzlich 40 % DMSO
enthält gegenüber einer 20%igen ALA-Creme ohne DMSO zwar etwa 25 % mehr
Fluoreszenzintensität erreicht, die mittlere Fluoreszenzratio, d. h. das Verhältnis aus
Fluoreszenzintensität im Tumor zum umliegenden Normalgewebe ist jedoch bei
Verwendung der Creme höher (1,8:1) und über einen längeren Zeitraum konstant.
2.5
Quantitative Fluoreszenzmessung
Durch Verwendung eines Referenzsignals können die gemessenen und korrigierten
Fluoreszenzintensitäten quantitativ ausgewertet und verschiedene Fluoreszenzbilder
miteinander verglichen werden. Als Referenzsignal eignen sich Materialien, die unter
Anregung Fluoreszenzlicht abgeben (z. B. Fluoreszenzfolien). In jedem Fall sollte
das Referenzsignal proportional zur Anregungsintensität sein.
Ein Vergleich der Fluoreszenzintensitäten von verschiedenen präkanzerösen und
kanzerösen
Veränderungen
der
Haut
zeigt,
dass
aufgrund
der
großen
interindividuellen Schwankungen nur schwer eine Unterscheidung bzgl. der
Malignität getroffen werden kann. Jedoch zeigen seborrhoische Keratosen im
Gegensatz zu den präkanzerösen oder kanzerösen Hautveränderungen eine
signifikant
niedrigere
Fluoreszenz.
Zur
besseren
Darstellung
werden
die
gemessenen Intensitäten auf eine Referenzintensität (z. B. das Normalgewebe)
normiert. Mithilfe digitaler Bildverarbeitung können die resultierenden Intensitäten so
177
berechnet werden, dass sie den ganzen zur Verfügung stehenden Wertebereich
ausfüllen. Zusammen mit einer Falschfarbendarstellung entsteht so für den
Betrachter ein maximaler Kontrast in den Fluoreszenzbildern.
Darüber hinaus wird dennoch versucht, Unterschiede zwischen verschiedenen
Hauttumoren
und
herauszuarbeiten.
den
Dafür
Präkanzerosen
werden
die
an
Hand
der
Fluoreszenzbilder
Fluoreszenzbilder
mittels
moderner
Bildanalytikverfahren („pattern recognition“) untersucht. Das Ziel dabei ist es, die
Intensitätsverteilung in den Fluoreszenzaufnahmen von Hautveränderungen nach
spezifischen Mustern („patterns“) zu durchsuchen. Mittels der identifizierten Muster
könnte dann durch eine konsequente Weiterentwicklung der Analysemethoden ein
computergestütztes Mustererkennungssystem entstehen. Besonderes Augenmerk
gilt der Unterscheidung der histologischen Subtypen des Basalzellkarzinoms, die
derzeit nur invasiv mit einer Gewebeentnahme möglich ist. Um zunächst eine
grundsätzliche Unterscheidbarkeit anhand der Texturmerkmale nachzuweisen, wird
ein Mustererkennungsverfahren ausgewählt und auf das vorhandene Bildmaterial
angewendet. Die verwendete Methode beruht auf einer sehr neuen Methode zur
statistischen Datenanalyse mit der Bezeichnung "Independent Component Analysis
(ICA)".
2.6
Fluoreszenzgestützte Biopsie
Die
Diagnose
von
präkanzerösen
oder
kanzerösen
Hautveränderungen
in
vorbehandelten oder vernarbten Arealen kann im Einzelfall oft sehr schwierig sein.
Insbesondere hängt die richtige Wahl der Entnahmestelle von Gewebeproben zum
Malignitätsausschluss von der Erfahrung des behandelnden Arztes ab. Gerade in
solchen Fällen kann die FD ein nützliches Verfahren sein, um initiale Tumoren
weitgehend untersucherunabhängig aufzuspüren und die Diagnose dann bioptisch
zu sichern.
2.7
Abgrenzung von Tumoren
Noch einen Schritt weiter geht man bei der fluoreszenzgestützten Resektion, wo
versucht wird den Tumorrand mittels FD darzustellen, um so durch gezielte Exzision
die Operationswunde so klein wie möglich zu halten. In einem Fallbeispiel konnte
bereits die Nützlichkeit dieses Verfahrens demonstriert werden [7]. Jedoch ist die
beschriebene Anregung mit Woodlicht weniger spezifisch, da auch andere Gewebe
178
unter der zu kurzwelligen Anregung Fluoreszenzlicht abgeben (Autofluoreszenz).
Zusätzlich kann es bei schrägem Einfall des Anregungslichts (Position des
Woodlichts)
zur
Fehlinterpretation
der
beobachteten
Fluoreszenzintensitäten
kommen kann.
Durch Anwendung geeigneter Computeralgorithmen kann die Fluoreszenzverteilung
innerhalb eines Bildes geglättet werden, so dass anschließend ein Schwellenwert
ermittelt werden kann. Der Schwellenwert legt fest, ab welcher Fluoreszenzintensität
das jeweilige Pixel „zum Tumor gehört“ oder nicht. Abschließend muss dafür gesorgt
werden, dass die ausgewählten Punkte eine zusammenhängende Linie bilden.
Schließlich können klinisches Bild und verarbeitetes Fluoreszenzbild exakt
deckungsgleich übereinander gebracht werden, so dass der Arzt während des
Eingriffes jederzeit den Verlauf der Schnittränder kontrollieren kann. Da der
Schwellenwert sehr empfindlich den Verlauf der „imaginären“ Tumorgrenze
beeinflusst, müssen in Studien geeignete Algorithmen gefunden werden, die eine
sichere Tumormarkierung gewährleisten.
2.8
Detektion von Tumoren in Overlay-Technik
Die Fluoreszenzdiagnostik in der Dermatologie hatte bisher zwei wesentliche
Nachteile. Zum einen musste die Detektion der Fluoreszenz bei kontinuierlicher
Anregung in einem abgedunkelten Raum durchgeführt werden, da die schwache
Fluoreszenz unter normalem Raumlicht kaum zu erkennen ist. Zum anderen stellte
sich das normale klinische Bild unter der Blaulichtanregung farblich verändert dar, so
dass eine Korrelation des klinischen Befundes und der Fluoreszenzinformation sehr
schwierig war.
Abhilfe wurde hier durch die Verwendung der Overlay-Technik geschaffen, die ein
CCD-gestütztes
Diagnosesystem
bietet.
Dabei
wird
die
Fluoreszenz
nicht
kontinuierlich, sondern mit sehr kurzen Lichtimpulsen angeregt, so dass der Raum
nicht abgedunkelt werden muss. Zudem wird das Fluoreszenzbild mithilfe eines
speziellen Aufnahmeverfahrens gleichzeitig mit, aber unabhängig vom normalen
klinischen Bild aufgenommen. Anhand der Fluoreszenzinformation kann so die
exakte Lage und die Größe des Tumors bestimmt und dem normalen klinischen Bild
überlagert werden. Da der gesamte Vorgang in Echtzeit abläuft, kann die Kamera
(Dyaderm Professional, Waldmann Medizintechnik GmbH, Villingen-Schwenningen)
179
während der Untersuchung bewegt werden, so dass die Inspektion eines größeren,
mit ALA inkubierten Areals möglich wird.
3 Zusammenfassung
Die Fluoreszenzdiagnostik (FD) von Läsionen der Haut wird mit Hilfe der 5Aminolävulinsäure (5-ALA) durchgeführt. Durch eine 2 – 3 stündige, topische
Applikation einer 20 %igen ALA-Emulsion entstehen endogene Porphyrine,
insbesondere Protoporphyrin IX, die nach Anregung mit blauem Licht rotes
Fluoreszenzlicht ausstrahlen. Präkanzeröse oder kanzeröse Hauteränderungen
reichern Protoporphyrin IX aufgrund des verstärkten Stoffwechsels deutlich stärker
an als das umliegende Normalgewebe und lassen sich somit anhand ihrer starken
Fluoreszenz erkennen.
Um eine Fehlinterpretation der entstehenden Fluoreszenz zu vermeiden, sollte zur
Detektion ein CCD-Kamerasystem und nachfolgende digitale Bildverarbeitung
verwendet
werden.
Zur
Fluoreszenzintensitäten
ist
Referenzsignals
einer
oder
quantitativen
die
Auswertung
Referenzierung
internen
der
mithilfe
Bezugsgröße
gemessenen
eines
(z.
B.
geeigneten
umliegendes
Normalgewebe) nötig.
Die relevanten Indikationen der FD im Bereich der Dermatologie liegen in der
Hervorhebung von Tumoren zur Darstellung der Tumorränder bei Resektion und der
gezielten Entnahme von Biopsien. Durch die Overlay-Technik, die ein CCDgestützten Diagnosesystem bietet, kann neben der Fluoreszenz auch das normale
klinische Bild aufgenommen werden. Anhand der Fluoreszenzinformation wird die
exakte Lage und die Größe des Tumors bestimmt und dem normalen klinischen Bild
überlagert. Durch geeignete Algorithmen bei der digitalen Bildverarbeitung könnten
möglicherweise auch Informationen über die Dignität der Läsionen gewonnen
werden,
wodurch
dem
behandelnden
Arzt
in
der
Zukunft
eine
untersucherunabhängige Entscheidungshilfe bei der Diagnosestellung an die Hand
gegeben werden könnte.
180
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181
Wirkungen der Infrarotstrahlung auf den Menschen
Hans Meffert, Helmut Piazena
Schumannstr. 20/21, 10178 Berlin
1 Einleitung
Als Infrarot- (IR-) oder Wärmestrahlen werden elektromagnetische Felder und Wellen
mit Photonenenergien zwischen 0,12 eV und 1,59 eV bezeichnet, denen nach dem
Planck´schen Gesetz Wellenlängen zwischen 780 nm und 1 mm zuzuordnen sind.
Die ursprüngliche und noch immer wichtigste IR-Strahlenquelle ist die Sonne. Im
Laufe seiner Geschichte legte sich der Mensch eigene thermische Strahler zu,
Feuer, erhitzte Steine, Ofen, Sauna, später IR-Therapiegeräte und neuerdings
preisgünstige IR-Bestrahlungskabinen für den Hausgebrauch. Die Erhöhung der
Haut- bzw. Körpertemperatur ist ein sehr altes und ungemein erfolgreiches
therapeutisches
Prinzip.
Technologische
Fortschritte
eröffneten
neue
Anwendungsgebiete - von Fitneß und Wellness bis zur Behandlung von Krebs,
Vergiftungen und Erkrankungen des Bewegungsapparats.
Durch ihre Wellenlänge ist die Eindringtiefe der Strahlung festgelegt. Langwellige
Wärmestrahlen (IRC - Wellenlängen von 3000 bis 1000000 nm) werden in den
oberen Schichten der Epidermis absorbiert und in Wärme umgewandelt. Mittelwellige
Wärmestrahlen (IRB - Wellenlängen von 1400 bis 3000 nm) gelangen zum Teil bis in
die papilläre Dermis. Das tiefer eindringende, kurzwellige IRA (Wellenlängen
zwischen 780 und 1400 nm) vermag den Inhalt der hautnahen Blutgefäße und damit
auch rasch den Körperkern zu überwärmen. Je nach Art und Menge der IR-Strahlung
können unterschiedliche Vorgänge ausgelöst werden, deren Spektrum vom
thermischen Hautschaden bis zum Training der Blutdruckregulation reicht.
2 Historie
Das Erwärmen und Überwärmen ist eine der ältesten Heilmethoden. "Ich heile alle
Krankheiten, wenn ich nur Fieber erzeugen könnte" soll der griechische Arzt
182
Parmenides im vierten vorchristlichen Jahrhundert ausgerufen haben [1]. Immer
wieder tauchen Berichte über die Heilung als unheilbar geltender Krankheiten nach
hochfiebrigen Erkrankungen auf. So lag es nahe, die Körpertemperatur für
Heilzwecke
die
Körpertemperatur
durch
Infizierung
mit
fiebererregenden
Mikroorganismen zu erhöhen. Nach 30jährigem Zögern infizierte der Wiener
Psychiater Wagner von Jauregg zwei an progressiver Paralyse dahinsiechende
Männer mit Malaria-Erregern. Die prompte und anhaltende Besserung war Anlaß für
die Verleihung des Nobelpreises für Medizin im Jahre 1927 [1]. In kalten Klimazonen
ist die Sauna seit Jahrhunderten bekannt und beliebt. Erst im Jahre 1936 wurde in
Deutschland eine erste Sauna gebaut. Dies geschah auf Wunsch der finnischen
Olympiamannschaft. Jetzt werden hier den mehr als 15 000 Saunen jährlich mehr als
26 Millionen regelmäßige Besuche abgestattet [2]. Zudem nimmt ständig die Zahl der
mit thermischen Strahlern betriebenen IR-Kabinen zu, die ihren Siegeszug vor
wenigen Jahren von Japan aus antraten.
3 Wärmetransport in der Sauna und in IR-Bestrahlungsgeräten
Die Penetration des IR ist von der Wellenlänge abhängig und wird durch die
Remissions- und Absorptionseigenschaften der Haut bestimmt. Das in das Stratum
papillare und bis in die Subkutis eindringende IRA vermag oberflächlicher gelegene
Hautschichten nur wenig zu erwärmen. IRB wird größtenteils, IRC nahezu komplett
bereits in der Epidermis absorbiert. Beide Strahlenqualitäten können tiefere
Schichten nur über sekundäre Wärmeleitprozesse oder reflektorisch erwärmen. Die
Wärmebilanz der Haut wird bestimmt durch
●
Strahlungswärme (IRA, IRB und IRC)
●
fühlbare Wärme (erwärmte Luft oder Kontaktflächen)
●
Verdunstungsenergie bzw. Kondensationswärme
●
im Körper produzierte metabolische Wärme.
183
3.1
Sauna
Erst unlängst wurde das IR-Strahlungsklima der Sauna spektral und in hoher
Auflösung vermessen [3]. In Abbildung 1 sind die typischen spektralen Verteilungen
-1
0.25
Spektrale Radianz [W m
-2
0.30
-1
sr nm ]
der IR-Strahlung in einer Trockensauna und in einer Dampfsauna dargestellt.
Trockensauna
0.20
0.15
0.10
Dampfsauna
IR-Bereich
0.05
A
B
C
0.00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14
Wellenlänge [ µ m]
Abb. 1: Spektrale Verteilung der Infrarotstrahlung in einer Finnischen
Sauna und in einer Dampfsauna. Die Messungen zeigten
ausschließlich Emissionen im Bereich IR-C.
In einer Sauna vom klassischen Typ (Finnische und Russische Sauna, Türkisches
Bad, Arabisches Rasulbad) werden fühlbare Wärme, latente Wärme und
Strahlungswärme in vergleichbaren Anteilen genutzt. Die Erwärmung der Haut erfolgt
durch das von den erhitzten Steinen und Holzwänden abgegebene IRC, durch
Wärmeleitung aus der Luft und von der Auflagefläche des Körpers.
3.2
Infrarot-A-Geräte
Zur therapeutischen IRA-Hyperthermie nutzen wir das Gerät IRATHERM 1000 (Von
Ardenne Institut, Dresden) [4]. Die Erwärmung des Körpers erfolgt weitaus
184
überwiegend durch das tief eindringende IRA. Wegen der nur geringen Absorption
und als Folge der Thermoregulation wird die Haut an vielen Stellen geringer erwärmt
als das Körperinnere [5]. Zur IRA-Therapie umschriebener Körperstellen benutzen
wir
das
Bestrahlungsgerät
HYDROSUN
(Hydrosun
Medizintechnik
GmbH,
-2
-1
nm ]
Mühlheim).
1.6
1.4
1: Mittagssonne
(Äquator)
1.2
2: IRATHERM 1000
1
1.0
0.8
0.6
2
0.4
0.2
0.0
500
1000
1500
2000
Wellenlänge [nm]
Abb. 2:
Vergleich der solaren Einstrahlung auf eine horizontale Fläche in
Meeresspiegelhöhe bei Sonnenhöchststand und wolkenlosem
Himmel
am
Äquator
(1)
mit
der
Emission
des
IR-A-
Therapiegerätes IRATHERM 1000 in der Nutzfläche (2).
3.3
Infrarot-Kabinen
Abhängig
von
der
Temperatur
des
Strahlers
kann
die
Emission
von
Bestrahlungsgeräten variiert werden. Bevorzugt werden Kabinen mit Emission im
IRB und IRC angeboten (Abbildung 3). Die Erwärmung der Haut erfolgt
ausschließlich durch Strahlung.
10
2
-2
-1
Spektrale Bestrahlungsstärke [W m µ m ]
185
IR-B/C-Kabine
10
10
1
0
IR-A
-1
10
IR-B
IR-C
-2
10
0
1
10
10
2
10
Wellenlänge [ µ m]
Abb. 3: Spektrale Verteilung der Infrarotstrahlung in einer Bestrahlungskabine mit Emission im IR-C und IR-B.
4 Wirkungen der Infrarotstrahlung
Etwa 43 % der die Erdoberfläche erreichenden Solarstrahlung sind dem IR
zuzurechnen. In den folgenden Abschnitten wird besprochen, auf welche Art und
Weise IR den Menschen erwärmt. Aber auch Licht und UV können uns nach
Absorption und Energieumwandlung erwärmen. Von aller optischer Strahlung - das
sei hier wiederholt - dringt IRA am tiefsten ein.
4.1
Infrarot und Wärme für Therapie, Prophylaxe, Fitneß, Wellness
Einfache Wärmeanwendungen gehören seit jeher zum therapeutischen Arsenal. Im
Laufe der Geschichte wurde der technische Aufwand größer. Einen vorläufigen
Abschluß erfuhr diese Entwicklung mit Vorrichtungen vom Typ der Sauna. Diese
werden seit Jahrhunderten genutzt und gelten deshalb als im Großen und Ganzen
186
sicher. Das kann für die neueren Systeme, die mittels elektrisch erzeugter IRStrahlung erwärmen, nicht ohne weiteres vorausgesetzt werden.
Im Zeitalter der beweispflichtigen Therapie (Evidence Based Medicine) haben es
nichtmedikamentöse Verfahren schwer. Doppelblinde Studien sind oft nicht möglich.
Nicht immer kann per Placebo kontrolliert werden. Als am besten untersucht gelten
Saunawirkungen. Aber selbst den diesbezüglichen Studien mangelt es in der Regel
an
●
Randomisierung
●
aussagefähigen Kontrollen und – bei Sauna zweifellos wichtig –
●
Berücksichtigung der sozialen Komponente.
Von einigen Herstellern und Anwendern von IR-Bestrahlungsgeräten werden Effekte
wie
"Ausschwemmen
von
Schadstoffen",
"Stärkung
des
Immunsystems",
"Verminderung der Zellulitisbildung" oder "Gewichtsabnahme" behauptet, oft ohne
daß hierfür irgendwelche, geschweige denn valide Untersuchungsergebnisse
vorgelegt werden könnten.
In letzter Zeit konnten durch Bestrahlung die Symptome der Methanolvergiftung
wesentlich gemildert werden, allerdings durch IRA- bzw. 640nm-Strahlung [6]. Durch
die dabei beobachtete Photoaktivierung des Warburg`schen Atmungsenzyms
Cytochrom c sollen sich auch Phänomene wie beschleunigte Wundheilung und
bessere Erholung nach ischämischer Herrzattacke erklären lassen. Auf zellulärer
Ebene sollen kleine Mengen roten Lichtes bzw. IRA-Strahlung durch athermische
Wirkungen Kollagensynthese, Abgabe von Wachstumsfaktoren und Zellvermehrung
induzieren
können.
Physiologische
IRA-Dosen
induzierten
das
mutmaßlich
hautprotektive Protein Ferritin und riefen keine Nukleinsäureschäden, keinen
oxidativen Streß und auch keine vermehrte proteolytische Aktivität hervor [7].
4.2
Sauna
Die massive Erwärmung der Hautoberfläche wirkt als ein Reiz, der verschiedenartige
Wirkungen
auslösen
kann:
verbesserte
Beweglichkeit
von
Gelenken
und
Schmerzlinderung bei rheumatischen Erkrankungen, Blutdrucksenkung bei arterieller
Hypertonie [8], beschleunigte Wundheilung, zunächst vermehrte, dann verminderte
Infektanfälligkeit u. a. [9]. Das von engagierten Saunagängern geschilderte
Glücksgefühl soll durch die Ausschüttung von ß-Endorphinen zustande kommen [10].
187
Die
seit
Jahrhunderten
immer
wieder
beschriebenen
Erfolge
von
Saunaanwendungen werden oft als Folge langfristiger Adaptation erklärt. Das betrifft
besonders Veränderungen im Tonus der vegetativen Regulation des Herzens, des
Blutdrucks und der peripheren Durchblutung. In der Regel werden serielle
Anwendungen und Auffrischungen für erforderlich angesehen.
4.3
Infrarot-A-Geräte
Erwärmung wird meist als angenehm empfunden. Überwärmung - wie sie in IRAGeräten möglich ist - kann lästig werden und schaden, wenn sie größere Ausmaße
annimmt. Ein effektives Regelsystem sorgt für Temperaturkonstanz im Körperkern
[11]. Um überschüssige Wärme in die Umgebung abgeben zu können, muß diese
zunächst an die Körperoberfläche transportiert werden. Hierfür müssen die kleinen
hautnahen Blutgefäße weiter gestellt werden. Das läßt den Blutdruck fallen. So
bewirkt IRA-Bestrahlung eine Senkung des peripheren Blutdrucks. Mit zunehmender
Erweiterung der kleinen hautnahen Blutgefäße werden immer größere Blutvolumina
von IRA getroffen. Dadurch kann dem Körper noch mehr Wärme zugeführt werden.
Milde IRA-Hyperthermie (Erhöhung der Körperkerntemperatur um 1 K, maximal bis
38,5 °C) führte zu
●
Verbesserung der Fließeigenschaften des Blutes [12]
●
Hemmung angeregter Sauerstoffspezies in Leukozyten [13]
●
Besserung der akralen Wiedererwärmung bei systemischer Sklerodermie
[14 ]
●
Blutdrucksenkung bei arterieller Hyperthermie [15].
Milde IRA-Hyperthermie hat sich besonders bei Erkrankungen mit RaynaudSymptomatik bewährt. Nach seriellen Anwendungen (acht Expositionen innerhalb
von vier Wochen) war bei systemischer Sklerodermie die Raynaud-Symptomatik
noch 18 Wochen nach der Bestrahlungsserie deutlich vermindert [14]. Zur
Behandlung der arteriellen Hypertonie in den Stadien I und II der WHO-Definition
werden auch nichtmedikamentöse Maßnahmen wie regelmäßiges, ausgiebiges
Training
durch
Laufen,
Schwimmen,
Gewichtheben,
Überwärmungs-
oder
Saunabäder empfohlen. Bei 35 von 40 Kranken mit arterieller Hypertonie
verbesserten sich die Blutdruckwerte nach einer IRA-Bestrahlungsserie deutlich [15].
188
Die
IRA-Behandlung
der
Bluthochdruckkrankheit
befindet
sich
noch
im
Erprobungsstadium. Von Seiten der Inneren Medizin werden gegenwärtig die
Eignung und die Einordnung des Verfahrens in das Gesamtkonzept der
antihypertensiven Therapie überprüft.
IRA-Teilkörperbestrahlungen erwiesen sich u. a. bei chronisch-entzündlichen und
degenerativen Erkrankungen der Wirbelsäule und des Bewegungsapparates als
wirksam [11].
4.4
Infrarot-Kabinen
Die Nutzung von IR-Kabinen ermöglicht ausschließliches Erwärmen mittels
Strahlungsabsorption, unter Verzicht auf Beiträge konvektiver Wärme. Auch ist der
zum ersten Schweißausbruch erforderliche Energieaufwand vergleichsweise gering.
Die Geräte erreichen ihre Betriebsbedingungen innerhalb von Minuten. Das alles
spart Kosten. In den erst seit wenigen Jahren verfügbaren Kabinen wird weitaus
überwiegend IRB oder IRC erzeugt. Jedoch wäre es technisch auch möglich, IRAoder IRA-betonte Kabinen herzustellen. Da die spektrale Verteilung in weiten
Grenzen variiert werden kann, eröffnen sich entsprechende Perspektiven für
unterschiedliche Anwendungen. Leider mangelt es an Studien, die heutigen
Anforderungen genügen. Deshalb sind gegenwärtig keine präzisen Aussagen zu den
Meriten und Risiken der IR-Kabinen möglich. Erforderlich sind Kenntnisse und
Angaben zu den erwünschten wie unerwünschten Wirkungen, deren Abhängigkeit
von spektraler Verteilung, Dosis, Bestrahlungshäufigkeit, Hauttyp, Kombination mit
anderen Strahlenqualitäten u. a. Demnach besteht erheblicher Forschungs- und
Erprobungsbedarf.
4.5
Gefahren und Schäden
Schilderungen von Hautschäden durch künstlich erzeugte Wärmestrahlen oder durch
den Hautkontakt mit erhitzten Materialien finden sich bereits in Publikationen aus der
Frühzeit
der
Gewerbedermatologie.
Hitzeberufe
wie
Schmied,
Schlosser,
Schweißer, Glasmacher, Glasbläser, Lokomotivheizer, Bäcker und auch im
Rampenlicht agierende Schauspieler brachten es mit sich, daß an Stellen oft
wiederholter, aber nicht zu starker Wärmeeinwirkung - oft im Gesicht und an den
Unterarmen - eine netzartige, rotbraune Zeichnung auftrat. Diese wurde im Jahre
189
1911 von A. Buschke als Erythema ab igne oder Hitzemelanose bezeichnet.
Summationseffekte sind für die Entstehung der Hitzemelanose wesentlich. Die dabei
wirksame örtliche Temperaturerhöhung ist nicht groß genug, um eine Nekrose
auszulösen.
Heute
sieht
man
die
Hitzemelanose
gelegentlich
über
den
Schulterblättern von Personen, die sich gewohnheitsmäßig mit dem Rücken an einen
Kachelofen schmiegen oder an der Bauchhaut nach häufigen Gebrauch von
Wärmflaschen oder Heizkissen. Auf dem Boden der Hitzemelanose können sich
Plattenepithelkarzinome
entwickeln.
Dieses
wurden
unter
eher
exotischen
Umständen bekannt, als "schottischer Kaminkrebs", als Turf Fire Cancer irischer
Bäuerinnen oder als asiatischer "Kangri-Krebs" nach häufiger Hitzeexposition durch
unter dem Mantel getragenen Öfchen. Aber auch im aktuellen Schrifttum finden sich
Berichte über die Entstehung von Plattenepithelkarzinomen im Bereich eines
Erythema ab igne. Dabei wird die kanzerogene Wirkung der IR-Strahlung diskutiert,
"... wobei möglicherweise ähnliche Mechanismen wie bei der UV-Licht induzierten
Kanzerogenese eine Rolle spielen" [14].
Den Hitzeschmerz lösen Temperaturrezeptoren aus, die auf fühlbare Wärme
reagieren und in der Epidermis gelegen sind. Nach Einwirkung zu großer IRB- oder
IRC- Bestrahlungsstärke veranlaßt der Hitzeschmerz den Betroffenen, sich der
lästigen Einwirkung zu entziehen. Dagegen kann IRA-Strahlung die Rezeptoren
passieren, ohne in fühlbare Wärme umgewandelt worden zu sein. Eine Besonderheit
von IRA-Geräten besteht darin, daß die erreichbaren Bestrahlungsstärken den
Betrag der Solarstrahlung übertreffen kann (siehe Abbildung 2). Es können in kurzer
Zeit große Wärmemengen in den Körper eingetragen werden, ohne daß das
Warnsymptom
Hitzeschmerz
ausgelöst
wird.
So
ist
es
möglich,
die
Körperkerntemperatur auf Werte über 42 oC zu erhöhen, wonach ein Kreislaufkollaps
oder die seltene maligne Hyperthermie drohen. Gefährlich kann jede Art forcierter
Wärmebehandlung für Kranke mit schweren Herz- oder Anfallsleiden werden. Bei
Todesfällen in der Sauna war meist Alkohol im Spiele [8]. Zusammengefaßt können
akute Gefährdungen durch künstlich erzeugte IR-Strahlung vor allem deshalb
zustande kommen, weil IRA die epidermalen Thermorezeptoren passieren kann,
ohne erheblichen Hitzeschmerz auszulösen. Dagegen können IRB und IRC wohl
einen Hitzeschmerz auslösen, der aber vom Betroffenen bewußt übergangen werden
oder infolge verminderter Wahrnehmungsfähigkeit nicht verspürt werden kann.
190
5 Schlußfolgerungen und Ausblick
Die Wirkungen der IR-Strahlung auf den Menschen sind weder gut noch schlecht.
Schließlich gehört der Sonnenschein zu unserer natürlichen Umwelt. Die Sonne hat
ein Janusgesicht, wie der altrömische Gott, der die Himmelspforte bewacht [20]. Bei
der
Anwendung
von
IR-Strahlung
am
Menschen
entscheiden
Dosis
und
Wellenlänge, aber auch Häufigkeit und zeitliche Abfolge der Bestrahlungen über die
Wirkung als Gift oder Heilmittel. Wärmeanwendungen gehören zu den ältesten
therapeutischen Mitteln des Menschen. In neuerer Zeit führten technischer
Fortschritt, Erkenntnisse der Grundlagenforschung und kritische Empirie zu neuen
Indikationen der Wärmetherapie. Hier seien die günstigen Wirkungen auf RaynaudSymptomatik
und
Blutdruckregulation
genannt.
Neuere
Ergebnisse
der
Grundlagenforschung versprechen Schutz- und Reparaturwirkungen des IRA
hinsichtlich UV-Karzinogenese, -Alterung und akuten oxidativen Streß [7, 17].
In puncto Wirkung künstlich erzeugter IR-Strahlung auf den gesunden und den
kranken Menschen besteht erheblicher Forschungsbedarf. Es ist erforderlich, die
spektrale Abhängigkeit wesentlicher IR-Effekte wie Erythembildung, Immun- und
Resistenzmodulation, Hautalterung und Karzinogenese und Kombinationseffekte mit
sichtbarer und ultravioletter Strahlung zu untersuchen. Art und Bedeutung
athermischer IR-Effekte harren der Aufklärung. Eine Klassifizierung der IRBestrahlungsgeräte in Anlehnung an das für Solarien übliche Verfahren erscheint
erforderlich.
Literatur
[1]
M. Heckel: Ganzkörper-Hyperthermie und Fiebertherapie. Grundlagen und
Praxis. Hippokrates-Verlag, Stuttgart, 1990.
[2]
R. A. Pieper. Saunabetrieb & Bäderpraxis 3/2000.
[3]
H. Piazena, H, Meffert: Therapie mit Infrarotstrahlen - Physikalische
Grundlagen und Anwendung in der Sauna und in Infrarotkabinen. - In:
Naturheilverfahren (M. Bühring, F. H. Kemper, Hrsg). Springer-Verlag,
Heidelberg, New York, 2001.
[4]
H. Meffert, H.-P. Scherf, B. Meffert: Akt. Dermatol. 20, 25 (1994).
[5]
H. Meffert, H.-C. Hecht, H. Günther u. a.: ThermoMed 3, 71 (1990).
191
[6]
J. T. Eells, M. M. Henry, P. Summerfelt et al.: Proc. Natl. Acad. Sci. 100, 3439
(2003).
[7]
L. A. Applegate, C. Scaletta, R. Panizzon u. a.: Internat J. Molec. Med. 5, 247
(2000).
[8]
N. L. Hannuksela, S. Ellahham: Am. J. Med. 110, 118 (2001) 118.
[9]
E. Conradi, R. Brenke, S. Philipp: Phys. Med. Rehabil. Kurortmedizin 2 (1992)
19.
[10]
P. P. Vescovi, V. Coiro: Biomed. Pharmacother. 74, 301 (1993).
[11]
P. Vaupel, W. Krüger: Wärmetherapie mit wassergefilterter Infrarot-AStrahlung. Hippokrates-Verlag, Stuttgart, 1992.
[12]
H. Bäumler, H.-P. Scherf, R. Aurisch u. a.: Perfusion 4, 137 (1990).
[13]
H. Meffert, G. M. Müller, H.-P. Scherf: Intern. Sauna-Arch. 10, 125 (1993).
[14]
H. Meffert, I. Buchholtz, A. Brencke: Dermatol. Monatsschr. 176, 683 (1990).
[15]
H. Meffert, H.-P. Scherf, B. Meffert: Akt. Dermatol. 20, 25 (1994).
[16]
C. M. Rudolph, H. P. Soyer, P. Wolf, H. Kerl: Hautarzt 52, 260 (2000).
[17]
S. Meneces, B. Coulomb, C, Lebreton: J Invest Dermatol 111, 629 (1998).
192
Licht am Arbeitsplatz - aktuelle Entwicklungen aus Sicht
der Berufsgenossenschaften
Heinz R. Schmid, St. Augustin
Der Arbeitskreis "Beleuchtung, Licht und Farbe" (ehemals AK Lichttechnik) des
berufsgenossenschaftlichen Fachausschusses "Einwirkungen und arbeitsbedingte
Gesundheitsgefahren" (FA WIRK) wurde beauftragt eine neue berufsgenossenschaftliche Regel zu überarbeiten. Ziel dieser neuen berufsgenossenschaftlichen
Regel, mit dem Arbeitstitel "Beleuchtung, Licht und Farbe" ist es einerseits, den
umfassenden
Präventionsauftrag
der
Berufsgenossenschaften
zu
erfüllen.
Andererseits sollen neueste wissenschaftliche Erkenntnisse aus der Lichtforschung
über die Zusammenhänge zwischen Licht und Gesundheit am Arbeitsplatz
einfließen.
Das vom Arbeitskreis "Beleuchtung, Licht und Farbe" entwickelte Konzept sieht u. a.
folgendes vor:
1. Neben der Sehaufgabe ist auch der Gesundheitsschutz in der künftigen BGRegel verstärkt zu berücksichtigen.
2. Das Tageslicht soll Vorrang vor künstlicher Beleuchtung haben (unter Berücksichtigung
angemessener
Raumtemperaturen
und
der
Vermeidung
von
Blendungen).
3. Auf
der
Basis
einer
Grundbeleuchtung
ist
einer
arbeitsplatzbezogenen
Beleuchtung der Vorzug zu geben.
4. Die Individualisierung der Beleuchtung am Arbeitsplatz soll angestrebt werden.
5. Die Dynamisierung des Lichts soll künftig berücksichtigt werden.
6. Eine praxisnahe Methode zur Ermittlung der Qualität/Quantität der Beleuchtung
soll entwickelt werden.
193
7. Eine Vereinfachung des bisherigen Beleuchtungskonzeptes wird angestrebt (nur
noch wenige Beleuchtungswerte).
8. Eine
BG-Information
"Tageslicht"
sowie
eine
BG-Information
"Dynamisierung/Lichtmanagement" sollen die berufsgenossenschaftliche Regel
"Beleuchtung, Licht und Farbe" konkretisieren.
Zurzeit ist auch der Staat dabei, die Arbeitsstättenverordnung zu überarbeiten. Eine
Abstimmung zwischen Staat und Berufsgenossenschaften ist vereinbart, um
inhaltlich einheitliche und miteinander verzahnte Vorschriften und Regeln zu
entwickeln. Ziel ist es, den Betrieben verständliche und praxisnahe Handlungshilfen
an die Hand zu geben, um die Akzeptanz bei der Umsetzung neuer Erkenntnisse aus
der Lichtforschung in der betrieblichen Praxis zu erhöhen.
194
Bürobeleuchtung – Überlegungen zur Standortbestimmung
zwischen Lichttechnik, Arbeitsmedizin und Gestaltung
Paul W. Schmits
Semperlux Aktiengesellschaft, Motzener Str. 34, 12277 Berlin
In Deutschland arbeiten ca. 15 Millionen Menschen in Büros.
Die Büroarbeitsplätze stellen die größte geschlossene Gruppe von Arbeitsplätzen dar.
Mit ca. 1 000 € für die technische Ausrüstung eines Arbeitsplatzes umgeschlagen auf
ein Jahr ergibt sich ein Marktvolumen von 15 Milliarden €/a. Es verwundert also
wenig, dass die Ausstattung von Büroarbeitsplätzen im Allgemeinen und die
Bürobeleuchtung im Besonderen ein heiß umkämpfter Markt ist.
1 Die Vielfalt der Möglichkeiten
Sucht der Bauherr eines Verwaltungsgebäudes oder der Nutzer / die Nutzerin eines
„home offices“ professionelle Unterstützung bei der Bürobeleuchtung, so kann er /
sie diese bei einer Vielzahl von Fachleuten aus den unterschiedlichen Arbeitsfeldern
finden, als da wären (in alphabethischer Reihenfolge):
-
Arbeitsmedizin,
-
Arbeitswissenschaft,
-
Architektur,
-
Elektroplanung,
-
Ergonomie,
-
Herstellerfirmen von Leuchten und Büroeinrichtungen,
-
Lichtdesign,
-
Lichtplanung und
-
Unfallversicherungen.
Vor die Auswahl der richtigen Leuchten und deren sinnvollen Einsatz ist also
zunächst die Wahl der richtigen Beratung gestellt. Allerdings werden gerade bei der
Einhaltung der bekannten und relevanten Regeln und Empfehlungen zur
Beleuchtung von Büroarbeitsplätzen die Lösungsvorschläge je nach Fachgebiet
recht unterschiedlich aussehen.
Was ist die Ursache dieser Vielfalt der Möglichkeiten?
195
2 …und ihre Ursache
Im Folgenden sollen die von obigen Beleuchtungsfachleuten am häufigsten
herangezogenen methodischen Ansätze skizziert werden. Nur ein Verständnis dieser
Ansätze, ihrer Möglichkeiten wie auch ihrer Beschränkungen führt zu einer
praxisrelevanten Interpretation der verschiedenen resultierenden Lösungen. Ziel des
folgenden Vergleichs ist daher die Betonung der Unterschiede und nicht die
umfassende Beschreibung und Bewertung der unterschiedlichen Methoden. Diesem
Anliegen
ist
auch
wissenschaftlichen
eine
leichte
Anspruch
der
Pauschalisierung
einzelnen
geschuldet,
Fachdisziplinen,
die
die
sich
dem
der
beschriebenen Methoden bedienen, häufig nicht gerecht wird, hier aber dem
besseren Verständnis des Problems dienen soll.
Die Methode A
Die Fachleute der Methode A verfolgen in der Regel einen klassischen IngenieurAnsatz. Sie werden versuchen ihre Lösungen mit „harten Fakten“
abzusichern.
Solche „harten Fakten“ können alle quantifizierbaren Größen und Zusammenhänge
aus Physik, physiologischer Optik oder Psychometrie sein. z.B.:
-
Beziehungen von rein technischen Größen (z.B. die Lichtausbeute η als
Verhältniß von Lichtstrom Φ zu eingesetzter elektrischer Leistung P)
-
formelmäßig beschreibbare Zusammenhänge von psychometrischen Größen
mit lichttechnischen Parametern (z.B. die Blendungsgröße UGR)
-
Sehleistungsdaten und ihre Verknüpfung mit lichttechnischen Größen sowie
Kennzahlen der Sehaufgabe (z.B. Visibility).
Allen hier aufgeführten Beispielen ist gemeinsam, dass
-
ausschließlich quantifizierbare Größen berücksichtigt werden (können)
-
der Nachweis der Zusammenhänge zwischen lichttechnischen Parametern und
psychometrischen
bzw.
Leistungsgrößen
aus
mehrfach
abgesicherten
Laboruntersuchungen gewonnen wurde.
Den Untersuchungen der in der Beleuchtungstechnik besonders interessanten
psychometrischen Größen liegen häufig einfache mechanistische Funktionsmodelle
zugrunde, die im Experiment solange „durchvariiert“ werden, bis die relevanten
Parameter ermittelt sind.
Der Einsatz der Statistik spielt hierbei in der Regel eine untergeordnete Rolle und
dient hauptsächlich der Absicherung der Datenqualität.
196
Die Ergebnisse sind zwar letztendlich nur gültig im Setting der Laboruntersuchung,
sie erheben dennoch den Anspruch, allgemein gültig und (im besten Fall) jederzeit
und überall reproduzierbar zu sein.
Ingenieurwissenschaften mit dem beschriebenen methodischen Ansatz können als
„Lehrbuchdisziplin“ bezeichnet werden. Die zugehörige Forschung findet im Umfeld
bewährten Wissens statt und soll dieses erweitern und vertiefen. Gänzlich neue
Ansätze, die dem gemeinsamen in Lehrbüchern als Konsens definierten Wissen
widersprechen, werden allein schon deshalb nicht zugelassen. Die Grundmodelle,
aus denen dieses Konsens-Wissen entstanden ist, sind nicht mehr oder nur schwer
festzumachen.
Die Methode B
Ähnlich wie die Ingenieure mit der Methode A wollen auch die Experten der Methode
B den Zusammenhang zwischen den Umweltparametern und ihrer Wirkung auf den
Menschen ermitteln. Allerdings erweitern sie ihre untersuchten Größen (z. B.
Gefallen einer Lichtsituation, Natürlichkeit des Aussehens der Haut u.s.w.) sowie die
potenziellen Einflussgrößen (z.B. Einsatz verschiedener Lampen, Zugehörigkeit der
Probanden zu ethnischen Gruppen) auch auf nicht quantifizierbare Einflüsse.
Hauptziel der Forschung ist der Nachweis von Zusammenhängen und nicht (wie
oben) die formelmäßige Fixierung derselben. Entsprechend ist das Versuchsdesign
eher an der „Praxis“ ausgerichtet. Der Forschungs-Schwerpunkt liegt zumeist bei der
möglichst exakten Beschreibung der mentalen, emotionalen und/oder körperlichen
Reaktionen der Probanden, während die Kontrolle der Umweltparameter nicht immer
so rigide gehandhabt wird wie bei den unter A beschriebenen Ansätzen.
Die Statistik spielt bei der Methode B eine zentrale Rolle. Sie wird nicht nur zur
Absicherung der Daten, sondern vor allem zum Nachweis der Relevanz der
Einflussgrößen genutzt. Die Ergebnisse der Untersuchung sollen unmittelbar in der
Praxis verwertbar sein.
Der Anspruch auf Allgemeingültigkeit wird nur im engeren praxisbezogenen Rahmen
erhoben. Die Bestätigung durch andere Forschungsteams wird positiv bewertet, ist
aber nicht so unverzichtbar wie bei Methode A.
197
Die Methode C
Fachleute mit diesem methodischen Ansatz belegen die Gültigkeit ihrer Lösungen
mit einem eigenen oder von ihrer „Schule“ geprägten Konzept. Dieses Konzept
orientiert sich zu meist an Grundregeln, die häufig auf Erfahrungswissen (eigenem
oder übernommenem) basieren. Letzteres wird vielfach mit aktuellen oder tradierten
Modellen (z.B. Ökonomie des Sehens, Wahrnehmungspsychologie, oder auch Feng
Shui) ergänzt. Der Anschluss an die damit verbundenen Lehrmeinungen und deren
aktuelle Angleichung an das eigene Erfahrungswissen tritt an die Stelle des
Experiments. Da die Experten dieser Ausrichtung nur unverbindlich oder gar nicht
einer wissenschaftlichen Gemeinschaft zuzuordnen sind, erübrigt sich die Anbindung
an deren Paradigmen und die Berücksichtigung ihrer Forschungsregeln. Das
wissenschaftliche Experiment entfällt und damit erübrigen sich auch die GültigkeitsEinschränkungen, die die Übertragung der Experimentergebnisse in die Praxis
erschweren. Die für eine konkrete Situation als adäquat vorgeschlagene Lösung wird
mit Hilfe der Logik aus dem Fundus an Konzepten und Erfahrungswissen abgeleitet
und begründet. Der Anspruch auf Allgemeingültigkeit kann - und muss - nicht
aufrechterhalten werden, da jede Situation neu „erforscht“ wird. Die Qualität der
Lösung ist direkt abhängig von der Persönlichkeit des / der Planenden, seiner bzw.
ihrer Praxis-Erfahrung und der Ernsthaftigkeit, mit der er oder sie dieses Wissen
nutzt.
Die eingangs genannten Fachleute der verschiedenen Arbeitsfelder werden in
unterschiedlicher Eindeutigkeit, und in unterschiedlichem Ausmaß einem der 3
Ansätze zuzuordnen sein. Wohl kaum jemand wird als reiner Vertreter einer der 3
Methoden
auftreten. Wohl aber sind fast alle durch Herkunft, Ausbildung und
persönliche Neigung mit einer der Methoden besonders stark verbunden.
3 Die Auswirkungen der drei Methoden auf die Praxis
Welche praktischen Auswirkungen haben die unterschiedlichen methodischen
Ansätze auf die Lichtlösung?
Dies soll im Folgenden an der Frage nach dem sinnvollen Umgang mit einer Direkt/
Indirekt-Beleuchtung eines Büroraums durch typische Vertreter der drei Methoden
gezeigt werden.
198
3.1
Der Ausgangspunkt
Gemeinhin ist es das erste Ziel bei der Beleuchtung von Arbeitsstätten im
Allgemeinen und von Büroräumen im Speziellen
-
eine hinreichend hohe Grundbeleuchtung auf der Arbeitsfläche zu erzielen.
Darüber hinaus wird von allen aktuellen Normen und Empfehlungen gefordert, dass
-
das Umfeld der Arbeitsfläche eine auf die Arbeitsfläche abgestimmte
Beleuchtungsstärke nicht unterschreitet und
-
alle Raumflächen in einem sinnvoll abgestimmten Leuchtdichteverhältnis zur
Arbeitsfläche stehen.
In Europa werden diese Anforderungen in der Regel durch Leuchten oder
Leuchtensysteme realisiert, die an der Decke montiert oder abgehängt sind.
Hauptunterscheidungsmerkmal ist das Lichtverteilungsverhältnis im Raum. Dieses
kann variieren von 100% Direktbeleuchtung (das gesamte Licht der Leuchte wird in
den unteren Halbraum abgestrahlt – d.h. die Arbeitsfläche wird überwiegend direkt
von der Leuchte beleuchtet) bis zu 100% Indirektbeleuchtung (das gesamte Licht der
Leuchte wird in den oberen Halbraum abgestrahlt – d.h. die Arbeitsfläche wird
ausschließlich indirekt, also den Umweg über Decke und/oder Wände beleuchtet).
Zwischen diesen Extremen sind alle erdenklichen Mischungen möglich.
3.2
Eine Planung auf Basis der Methode A (z.B. klassische Lichttechnik)
würde den Einsatz der Direkt/Indirekt-Beleuchtung so begründen:
„Der Einsatz von Direkt/Indirekt-Leuchten bietet eine optimale Kombination aus
Lichtkomfort
und
Wirtschaftlichkeit.
Aufgrund
des
Direktanteils
kann
eine
ausreichende Beleuchtung von über 500 lx bei einer Gleichmäßigkeit > 0,7 auf dem
als Arbeitsfläche angenommenen Areal erzielt werden. Durch den Indirektanteil wird
überdies sichergestellt, dass auch die vertikalen Flächen genügend hohe
Beleuchtungsstärken aufweisen, was durch eine zylindrische Beleuchtungsstärke >
175 lx in 1,2 m Höhe innerhalb der Arbeitsfläche nachgewiesen werden kann. Der
Indirektanteil leuchtet die Decke und den Friesbereich mit einer mittleren
Leuchtdichte von 100 cd/m² bei guter Gleichmäßigkeit an. Diese Leuchtdichten
gehen
als
Hintergrundleuchtdichte
in
die
UGR-Blendungsformel
blendungsreduzierend ein. Die Blendung kann durch den Indirektanteil so auf einen
UGR-Wert <16 reduziert werden und liegt somit weit unterhalb der geforderten
Grenze. Bei der Positionierung der Leuchten parallel zur Blickrichtung links und
199
rechts von der Arbeitsfläche reduziert der Indirektanteil zudem die mögliche
Reflexblendung des Direktanteils auf dem Arbeitsgut, so dass die CRF Klasse 1
erreicht werden kann. Durch die Wahl einer vorwiegend direkt abstrahlenden
Leuchte mit 67% Direkt- und 33% Indirektanteil ist eine Anschlussleistung von
weniger als 14 W/m² möglich. Der Energieumsatz kann durch eine kombinierte
Konstantlicht/Anwesenheits-Reglung weiter reduziert werden.“
3.3
Eine Planung auf Basis der Methode B (z.B. Psychologie,
Arbeitswissenschaft) würde den Einsatz der direkt/indirekt Beleuchtung
so begründen:
„Durch die Wahl der Direkt/Indirekt-Beleuchtung wird ein ausgewogenes Lichtklima
im Raum erzielt. Es erleichtert die Konzentration durch die Betonung der
Arbeitsfläche, welche am hellsten beleuchtet ist. Gleichzeitig wird durch die
Aufhellung der Decke und der oberen Wandbereiche im gesamten Raum ein hohes
Helligkeitsniveau bewirkt, dass in vergleichenden Studien das Raumerleben
unterstützt (Fleischer). Da Tätigkeiten wie Lesen und Schreiben in dem geplanten
Büro zu den Primäraufgaben gehören, wurde als Lichtfarbe neutralweiß festgelegt.
(Berman und Witting konnten eine Verbesserung der Sehleistung bei bläulichem
Licht nachweisen; Navab zeigte, dass dieser Effekt besonders stark ist, wenn das
Licht hoher Farbtemperatur aus der Peripherie abgestrahlt wird). Es ist überdies
davon auszugehen, dass sich aufgrund der günstigen Bewertung des Spektrums der
neutralweißen Leuchtstofflampe durch den nichtvisuellen Rezeptor (s. Gall, Rea) ein
ergotropes Klima einstellt. Da alle beschriebenen Effekte mit der Leuchtdichte in der
Peripherie ansteigen, wird eine hohe Deckenleuchtdichte angestrebt. Diese wird
durch eine Leuchte mit einem Indirektanteil von 67% realisiert.“
3.4
Eine Planung auf Basis der Methode C (z.B. Lichtdesign) würde den
Einsatz der Direkt/Indirekt-Beleuchtung so begründen:
„Der Tages- und Jahres-Rhythmus des Lichtes auf unserer Erde hat bei allen
Lebewesen zu einer Anpassung an Lichtbedarf und Lichterwartung geführt. Während
der Tages- (Hell-)Zeit entspricht ein helles offenes Lichtklima mit Schwerpunkt im
Zenit – d.h. hier an der Decke – der Erwartungshaltung. Eine Indirektbeleuchtung
über die Decke ist am ehesten geeignet während des Tages die natürliche
Beleuchtung über die Fenster in die Raumtiefe fortzuführen bzw. in den
200
tageslichtarmen Jahreszeiten sinnfällig zu ergänzen. Ein gleichmäßig bewölkter
Himmel wirkt wenig attraktiv und energetisierend. Das Direktlicht der Dir/IndLeuchten wird assoziiert mit der Wirkung der Sonnenstrahlen, es akzentuiert, schärft
die Hierarchie von Arbeitsplatz zur Arbeitsumgebung und verleiht im Verbund mit
der hellen Decke dem gesamten Raum die angestrebte extrovertierte und ergotrope
Qualität natürlichen Tageslichtes. Mit dem Lauf des Tages verändert sich auch die
Erwartung an die Lichtqualität. Zum Abend hin wird der öffentliche Tagesraum
abgelöst durch den privaten Nachtraum. Der damit verbundene Wunsch nach
Konzentration und Kontemplation wird umgesetzt durch die Schaffung von
Lichtinseln. Die Dir/Ind Leuchte ist mit zwei Lichtfarben in ihrem separat dimmbaren
Indirektcontainer ausgestattet. Diese gestatten einen sanften Übergang zu einer
introvertierten Abendstimmung mit gedimmtem warmweißem Deckenlicht bei
ausschließlich auf die Arbeitsflächen zugeschaltetem Direktlicht.“
4 Wer hat recht?
Auch wenn die drei Ansätze im Prinzip dieselbe Licht-Lösung befürworten, so
plädieren sie doch im Detail für technisch unterschiedliche Varianten (A und B
fordern
unterschiedliche
Lichtverteilungsverhältnisse.
A
empfiehlt
konstante
künstliche Beleuchtung während C unterschiedliche, von der Tageszeit abhängige
Beleuchtungsarten fordert, usf.). Vordergründig stellt sich die Frage nach dem „Wer
hat recht?“
Die erste Antwort kann nur sein „alle – bis zu einem gewissen Maß“.
Im Rahmen der durch die Methoden vorgegebenen Denkansätze und bei
Anerkennung des jeweiligen Gültigkeitsbereiches ist jede der aufgeführten Lösungen
akzeptabel und korrekt geschlussfolgert.
Im Beispiel A wird mit den bekannten und allgemein akzeptierten Zusammenhängen
von Sehleistung, Sehkomfort - sowie Betriebskosten – und den projektspezifischen
lichttechnischen und geometrischen Parametern der Gültigkeitsnachweis geführt.
Alle ermittelten Größenwerte liegen wenigstens im „normalen Bereich“ und die
Lösung stellt den (bei mehreren hier nicht aufgeführten Alternativen) vorteilhaftesten
Mix aus Beleuchtungsstärkeniveau, Sehkomfort und Wirtschaftlichkeit dar. Die
Korrektheit der Lösung wird also abgeleitet aus der Anwendung allgemeingültiger
Formeln und der Übereinstimmung der ermittelten Werte mit allgemein akzeptierten
201
und zumeist in Regelwerken und Normen zitierten Richtwerten. Eine darüber
hinausgehende komplexere Betrachtung (z.B. zur Lichtfarbe, Zusammenspiel von
Kunstlicht/Tageslicht
beschreibbarer
oder
Arbeitszeit)
Zusammenhänge
nicht
ist
aufgrund
möglich.
Die
fehlender
technisch
Allgemeingültigkeit
der
Aussagen bleibt so erhalten.
Beispiel B ist bis zu einem gewissen Grade in der Lage die angesprochenen
komplexeren
Aspekte
zu
bearbeiten.
Hierzu
werden
die
Ergebnisse
von
Untersuchungen herangezogen, in denen einzelne Detailfragen (z.B. Lichtfarbe) in
eingegrenzten Settings evaluiert wurden. Das jetzt zentrale Detail kann und wird in
seiner Komplexität durch das Heranziehen unterschiedlicher Forschungsergebnisse
vertieft. Die Qualität der Planung steigt – zumindest in diesem Detail. Diese
Möglichkeit
der
Verbesserung
wird
allerdings
erkauft
mit
einer
höheren
Angreifbarkeit, da die zitierten Quellen in der Regel noch kein unwidersprochenes
Allgemeinwissen darstellen.
Beispiel C argumentiert mit der z.Z. sehr populären Betrachtung der Korrespondenz
von Tageslicht und Kunstlicht und argumentiert hierbei mit evolutionstheoretischen
Ansätzen. Die Lösungsidee wird ergänzt mit Konzepten aus weiteren Fachgebieten
(helle Decke / Lichtinsel korrespondieren mit Wahrnehmung und Gestaltung) und
mündet in einem technischen Umsetzungsvorschlag. Im Vordergrund steht die
Lösungsidee. Legitimiert wird sie durch die Plausibilität ihrer Darstellung, die
allerdings sehr irrtumsanfällig ist (z.B. übersieht der Bezug auf die Evolution kulturell
eingeschliffene Gewohnheiten und Erwartungen an die Arbeitsverteilung). Je
umfassender und je unangreifbarer Idee und Umsetzung sind – vor allem vor dem
Hintergrund der konkreten Situation - desto besser ist die Qualität der Planung. Da
Methode C an keine bestehende wissenschaftliche Gemeinschaft und deren
Paradigmen gebunden ist, kann sie nach ihrem Selbstverständnis auch auf
ungewöhnliche und u.U. „verbotene“ Lösungen zurückgreifen, die aber in der
konkreten Situation die Qualität der Lösungen nach A und B übertreffen können.
(Beispiel: Der französische Kameramann und „Lichtdesigner“ Herni Alekan hat aus
Naturbeobachtungen und aus der bildenden Kunst seine Konzepte von primärem
(direktem), sekundärem (diffusem) und tertiärem (reflektiertem) Licht absolut schlüssig
entwickelt. Durch die konsequente Umsetzung dieser Theorie im Film konnte er in
seiner Zusammenarbeit mit Jean Cocteau bis Wim Wenders Ergebnisse höchster
Qualität erzielen).
202
Die problematische Seite der Methode C ist allerdings ebenfalls die mangelnde
Absicherung durch die Regeln allgemein akzeptierter Schulen.
5 Schlussfolgerungen:
Es lassen sich aus dem bisher gesagten zwei Schlussfolgerungen ziehen:
1. Die Möglichkeit einer Planung hoher Qualität wächst von Methode A zu B zu C,
da jeweils die Möglichkeit zur komplexen Betrachtung der konkreten Situation
wächst.
2. Die Wahrscheinlichkeit des Scheiterns wächst ebenfalls, da die Absicherung
durch „allgemein anerkanntes“ Wissen sinkt.
Die Ausgangsfrage „Wer hat recht“ ist nicht weiterführend und sollte ersetz werden
durch die Überlegung “ Welches Fachgebiet / welche Methode löst die spezielle
Fragestellung meiner Beleuchtungsaufgabe am besten. “
Wenn z.B. in den Räumen einer Werbeagentur häufig Hochglanzbroschüren
begutachtet werden, so ist das Fachwissen der klassischen Lichttechnik um die
Vermeidung von Reflexblendung sehr wertvoll. Wird die Arbeit während bestimmter
Kampagnen häufig auch nachts durchgeführt, so werden die Kenntnisse der mit der
Chronobiologie vertrauten
Arbeitsmedizin sehr hilfreich sein. Mit der Hilfe des
Lichtdesigns kann schließlich erreicht werden, dass die Forderungen aus
Lichttechnik und Arbeitsmedizin zusammen kommen und der Auftritt der Agentur vor
ihren Klienten durch imagebildendes „Corporate Lighting“ unterstützt wird.
Eine zufriedenstellende, stimmige Beleuchtung kann nur durch die Integration der
verschiedenen disziplinären Ansätze gelingen. Dafür ist es allerdings notwendig, ihre
jeweils angewandten Methoden, ihre Möglichkeiten und auch ihre Grenzen zu
kennen und anzuerkennen.
Literatur zu 3.3
Berman S.M. u.a. Luminance-Controlled Pupil Size Affects Landolt C Task
Performance, JIES, Vol 22, Summer 1993
203
Fleischer
S.,
Schierz
Ch.
Die
psychologische
Wirkung
veränderlicher
Kunstlichtsituation auf den Menschen, LUG, 2002
Gall D. Circadiane Lichtgrößen und deren meßtechnische Ermittlung, LICHT 11/12,
2002
Navvab M. A Comparison of Visual Performance Under High and Low Color
Temperature Fluorescent Lamps, JIES, Vol 30 No 2, Summer 2001
Navvab M. Visual Acuity depends on the Colour Temperature of the surround
Lighting, JIES, Vol 30 No 2, Summer 2001
Witting W. Tageslicht oder Kunstlicht, OTTI, 2001
204
Psycho – physiologische Aspekte des Bühnenlichtes
Tadeusz Krzeszowiak
Höhere Technische Bundes- Lehr- und Versuchsanstalt
Laboratorium für Lichttechnik
Dr. Eckener Straße 2-10, A- 2700 Wiener Neustadt, Austria
Institut für Theaterwissenschaft, Universität Wien
Hofburg, Batthyanystiege, A- 1010 Wien, Austria
1 Einleitung
„... das Licht, sein Schatten und seine Farben können mit sich eine magische
Wirkungskraft auf den Zuschauer bringen und mit seinem Reichtum den leeren
Bühnenraum ausfüllen, das Bühnenbild in belebte Elemente der Aufführung
umwandeln, die Aussagekraft der Agierenden vertiefen... „
Wie die zahlreichen psycho-physiologischen Untersuchungen erwiesen haben,
werden rund 80 % der Informationen aus der uns umgebenden Außenwelt in die
Hirnrindenzentren
mittels
Sehorganes
übertragen
und
dort
registriert.
Der
ergänzende Teil, also nur 20 %, gelangt in unser Bewusstsein mittels der übrigen
vier Sinnesorgane.
Ähnliche Relation wird im Falle des Empfangs von dem Zuschauer einer
Theateraufführung eingehalten; im höchsten Grade wird hier das Sehorgan und als
komplementäres in der Perzeption vor allem das Hör- aber auch das Riechorgan
engagiert.
2 Bühnenlicht
Beim Betrachten einer Theateraufführung ist dem Zuschauer die Tatsache meist
nicht klar, dass diese Aufführung Ergebnis der Arbeit einer Gruppe von Menschen
und Summe riesengroßer Anstrengungen der Schauspieler und Sänger, Tänzer und
Musiker,
Regisseure und Bühnenbildner sowie einer großen Gruppe von
Mitarbeitern hinter den Kulissen bildet. Die letzte Gruppe nimmt indirekt an jeder
205
Vorstellung teil, wobei sie diese Aufführung an Lichtstimmungen und akustischen
Effekten, an Dekorationen und Requisiten, Masken und Kostümen bereichert und
jeder von diesen untrennbaren Bestandteilen
auf der Bühne einem Ziel
untergeordnet ist. Dieses Ziel ist die subtilste Übermittlung des Inhaltes der
Aufführung.
Es ist klar, dass keines von den erwähnten Elementen in einer richtig aufgeführten
Vorstellung über die anderen dominieren soll. Es ist auch bekannt, dass oftmals
richtiges Bühnenlicht, passendes Kostüm oder entsprechende Dekoration den
Agierenden auf der Bühne das Hineindringen in die Geheimnisse der von ihnen
dargestellten Rollen erleichtern, und umgekehrt; ein schlechtes Bühnenlicht, ein
schlechtes Kostüm und eine unpassende Dekoration können stark die Wiedergabe
der gespielten Gestalt erschweren und über den Misserfolg eines ansonsten
hervorragenden Stückes entscheiden.
Die zeitgenössischen Inszenierungserfordernisse stellen vor der Theatertechnik aller
Fachgebiete immer größere Ansprüche. Es geht daraus hervor, dass alle
Bühneneffekte die integralen Bestandteile einer Aufführung bilden.
Die Hauptgruppe von diesen Effekten bildet das Bühnenlicht. Das geht aus der
Tatsache hervor, dass es ohne Licht keine Aufführung gibt, weil der Empfang
sämtlicher Sehempfindungen unmöglich gemacht wird. Eine Theateraufführung kann
ohne Dekoration, ohne Kostüme, ohne Maske und im äußersten Falle auch ohne
Personen auf der Bühne, aber nie ohne Licht stattfinden.
Das Bühnenlicht ist eine der Hauptquellen der Bühneneffekte, die dem Regisseur
das Unterstreichen der von dem Text des Stückes diktierten Stimmung ermöglicht,
dem Bühnenbildner ermöglicht das Umfärben der Dekoration, wobei es manchmal
grundsätzlich ihr Aussehen und ihren Charakter ändert, je nach dem Verlauf der
Bühnenhandlung. Ein geschickter Umgang mit dem Licht ermöglicht das Verwandeln
der Bühne von
Tages- oder Jahreszeiten. Es ermöglicht die Darstellung des
Grauens eines tobenden Gewitters oder Sturms, der Freude der Natur über den
erwachenden Tag und der Morgenröte, des Sonnenunterganges oder der Stille des
Abends, der romantischen Stimmung einer Mondnacht oder der Grausamkeit einer
Mordszene.
Das
Licht
ändert
das
Innere
derselben
Bauernhütte
oder
Schlosskemenate, die einmal gemütlich und ein andermal dramatisch aussehen
können. Das Licht schafft die Möglichkeit die Projektion ganzer Fragmente von
206
Dekorationen anzuwenden oder auf die Spielfläche bunte Flecken und Schatten von
verschiedensten Formen zu werfen. Es erlaubt auch die Dreidimensionalität der
flachgemalten Dekorationen zu erreichen oder ihre Tiefe zu verlieren. Das Licht kann
die Einfallsrichtung, seine Intensität und Farbe ändern und damit, kein Element auf
der Bühne dabei verstellend, optisch die ganze Dekoration und ihren Charakter
ändern.
In der obengenannten Fassung der Rolle des Lichtes, kann man dem Zuschauer die
ganze Bühne oder nur einen Teil davon sichtbar machen. Man kann mit Hilfe von
Licht den gewünschten Charakter der Bühnenhandlung von reinem Naturalismus bis
zur völligen Abstraktion verleihen, also eine eindeutige Lichtkomposition der Szene
schaffen und dadurch die psycho-physiologische Wirkung des Lichtes und der
Farben auf den Zuschauer erreichen.
In solcher Fassung erfüllt das Bühnenlicht drei Grundfunktionen:
- die Sichtbarkeit,
- die Komposition und
- die psycho-physiologischen Wirkung.
2.1
Sichtbarkeit des Bühnenraumes
Das Licht ermöglicht den Zuschauern die Bühnenaktion, die auf der ganzen Bühne
oder auf einem Teil spielt, zu beobachten. Man kann die Interessen des Zuschauers
leiten, wenn man den Akzent auf bestimmte, gewählte Bühnenfragmente legt, was
man durch stärkeres Beleuchten dieser Stellen erzielt. Deswegen sollte das Licht,
das auf den Gegenstand der Interessen im gegebenen Moment fällt, abgesondert
vom Rest des Bühnenlichtes betrachtet werden. Davon hängt nämlich das
Hervorheben oder Verbergen eines Elementes im ganzen Bühnenraum ab. Eine
solche Verteilung des Lichtes erlaubt es die Szene unterschiedlich zu betrachten.
Den optischen Kontrast kann man durch die Auswahl der geeigneten Kostümfarbe
und Struktur der Kostümfläche, sowie der Dekorationselemente, deren Lichtreflexion
und Lichtstreuung unterschiedlich ist, erzielen. Auf diese Weise kann man die
Kontraste schattieren, wenn sie zu scharf sind, hervorheben, da wo sie nötig sind.
Oft ist es notwendig ein Element von der ganzen Bühne zu isolieren, und somit ihm
einen optischen und dramatischen Schwerpunkt zuzuordnen. In dieser rein
physikalischen Funktion wird das Licht einerseits den ausgewählten Teil der Bühne
oder den Gegenstand, der gesehen werden soll stark und dominierend, andererseits
207
den der nicht gesehen werden soll sehr schwach, direkt unbemerkt oder überhaupt
nicht, beleuchten.
2.2
Komposition des Bühnenlichtes
Die Lichtstimmung auf der Bühne kann in zwei extremen Varianten ausgeführt
werden; entweder als
eine natürliche oder eine abstrakte Empfindung für den
Zuschauer. Zwischen diesen beiden Extremen gibt es eine Vielzahl der
Lichtstimmungen als eine Mischung derselben.
Bei der ersten Variante muss das Bühnenlicht mit natürlicher Lichtempfindung des
Zuschauers harmonisieren. Das was wir als Lichtsinn des Menschen bezeichnen,
das sind seine Erfahrungen und Erlebnisse mit dem Licht in seinem zyklischen
Wechsel zwischen Tag und Nacht. Das sind auch Erfahrungen, die mit der
Lichtveränderlichkeit, je nach Jahreszeit, die dem Menschen von der Natur gegeben
sind, zusammenhängen. Jeden Tag kann man sich überzeugen, dass die natürlichen
Lichtquellen (Sonne, Himmelsgewölbe, Sterne) von oben nach unten strahlen, so
muss auch das künstliche Licht auf der Bühne, wenn wir den Naturalismus der
Szene einhalten wollen, demselben Prinzip untergeordnet werden. Die entstehende
Licht-Schatten Komposition muss vom Zuschauer als natürlich empfunden werden.
Zum Beispiel:
- Die Vertiefungen in den Elementen der Dekorationen und Requisiten werden von
oben verdunkelt und aufgehellt von unten. Bei den Hervorhebungen werden sie von
oben aufgehellt und von unten wiederum verdunkelt.
- Die Morgenröte beginnt mit der Horizontallage der Sonne und tiefen roten Farbe
des Sonnenkreises, dann aufsteigend bis zum Zenit gehen die Farben von Orange,
Gelb ins fast Weiße über. Ungekehrt wird der Farbenverlauf bei Sonnenuntergang.
- Der Regenbogen erscheint in Form eines Teilkreises, je nach Lage der Sonne, und
beim einfachen Regenbogen mit den sanften Übergängen der Spektralfarben: Rot,
Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett von oben nach unten gesehen.
In der zweiten Variante des Bühnenlichtes, nämlich in der Variante der Abstraktion
sind keine Regeln festgelegt. Es entsteht eine imaginäre räumlich-dynamische
Bühnenlichtstruktur, die häufig zur einer Inspiration für den Zuschauer wird. In den
meisten
Fällen
wird
solches
Bühnenlicht
zum
Hauptwerkzeug
der
Aussagekomposition gemacht. Zum Beispiel: die tragischen Szenen werden bei
208
gedämpftem, gerichtetem Licht mit starken Kontrasten abgespielt. Diese abstrakte
Art des künstlerischen Ausdruckes ist Kunst des Lichtes und Schattens, der Farbe
und des Kontrastes in ihrer statischen oder
dynamischen Form, sie bildet den
untrennbaren Teil der Szenerie und oft die Szenerie selbst.
2.3
Psycho-Physiologie des Bühnenlichtes
Ausgehend von der physikalischen Funktion des Bühnenlichtes, nämlich der
Sichtbarkeit, ist die Bühne eine Reihe von optischen Reizen mit unterschiedlichen
Eigenschaften, die auf den Zuschauer einwirken. Diese physikalische Einwirkung
vollendet sich sowohl in der physiologischen, als auch der psychologischen Sphäre
jedes Zuschauers und das für jeden auf eine eigentümliche Weise. Diese psychophysiologische Reaktion des Zuschauers in Gestalt der Gesamtheit von Eindrücken
bildet eine Wiederspiegelung der auf der Bühne entstandenen Stimmung.
Somit beeinflusst das Bühnenlicht den Organismus und die Psyche des Zuschauers,
sei es direkt entsprechende physiologische Reaktionen erweckend, sei es infolge
der Assoziationen, die das Licht in der psychische Sphäre hervorruft, in
Übereinstimmung mit früheren Erfahrungen.
2.3.1 Physiologische Wirkung
Bei der Auswahl und der Art des Bühnenlichtes soll man vor allem die
physiologischen Reaktionen des Sehorgans auf das Licht berücksichtigen, also u.a.
Spektrale Lichtempfindlichkeit des Auges, Weber-Fechnersches Gesetz, Talbotsches
Gesetz oder Purkinje-Effekt.
Das, dass die Intensität der im Auge des Menschen entstehenden Eindrücke von der
Farbe des fallendes Lichtes abhängig ist, ist eine Eigenschaft des Auges. Den
größten Eindruck beim gleichen Wert der Energie der Farbreize macht das GelbGrün, die schwächsten Eindrücke stammen von Rot und Violett, die, die äußersten
Bereiche des Farbspektrums bilden.
Bekannt ist die Tatsache des Auftretens der Adaptation an Dunkelheit, die beim
plötzlichen Verdunkeln eines sehr hell beleuchteten Raumes entsteht, infolgedessen
entsteht Sehstörung, die mehr als ein duzend Sekunden dauert. Das steigert den
Eindruck der totalen Dunkelheit in den
ersten Momenten, wovon oft bei den
Verwandlungen von einer Szene in die andere Gebrauch gemacht wird. Einen
umgekehrten Effekt – ein rasches Aufhellen der Bühne – kann beim Zuschauer eine
209
Blendungserscheinung verursachen, und in seiner Psyche zusätzlich den Eindruck
der Aktionswende geben.
Eine andere interessante Eigenschaft des Auges ist eine automatische, unbewusste,
Wendung zu den Punkten, die sich im Gesichtsfeld befinden und die größte
Leuchtdichte aufweisen. Man nützt diese Eigenschaft für die Beleuchtung der
Solisten auf der Bühne. Auf solche Art beleuchteter Solist oder Dekorationselement
wird unter dem Rest der Bühne exponiert.
Das Operieren mit dem Wert der Leuchtdichte auf der Bühne ist auch mit den
Seheigenschaften verbunden. Bei geringer Leuchtdichte erfolgt eine Annäherung der
Arbeit des Sehorganes an die Bedingungen des Dämmerungssehens, in denen die
Unterscheidung der Farben von einander wesentlich geringer ist, und jede Farbe in
gräuliche Schattierung übergeht. Der größere Wert der Leuchtdichte fördert die
Genauigkeit der Wahrnehmung dessen alles, was auf der Bühne geschieht, dank der
Arbeit des Sehorgans, die den Bedingungen des Tagessehens nähert.
Adaptiert
zuerst das Auge zum Tagessehen, später zum Nachtsehen, also z.B.
wenn man nur den Wert der Leuchtdichte beim Übergang von der Tages-Szene auf
die Abends- oder Nachts-Szenerie ändert, so beginnt die Helligkeit des Blauen über
das Rote optisch zu dominieren.
Sehr interessante Effekte kann man erreichen, wenn man die physiologische Art der
Augenreaktion auf die in der Zeit veränderlichen Lichtreize kennt. Man kann
abwechselnd den Eindruck der Helligkeit und Dunkelheit des beleuchteten
Bühnenraumes mit dem Impulslicht hervorrufen, z.B. den Blitzeffekt während des
Gewitters, oder den so gern benutzten stroboskopischen Effekt während der
Bewegung der Tänzer beim Ballettabend. Liegt die Frequenz der Lichtimpulse unter
der Flimmerverschmelzungsfrequenz des Auges sehen wir die MomentanAufnahmen der Bewegungen also nacheinander eingefrorene, abgehackte im
Raume stehende Bilder.
2.3.1.1 Licht und Hormone
Das Licht und seine Farbe können auch indirekt durch das Sehorgan auf den
Organismus
des
Zuschauers
einwirken.
Die
psycho-physiologischen
Untersuchungen der letzten zwanzig Jahre haben sehr interessante Ergebnisse
erbracht.
210
Das vom Auge aufgenommene Licht wird über zwei voneinander unabhängigen
Sehbahnen geleitet. Die erste „optische“ Bahn dient dem Sehen und endet in den
Sehrinden des Gehirns. Die zweite „energetische“ (vegetative) Bahn leitet die mit
dem Licht transportierte Energie bis zur Zirbeldrüse ( Epiphyse), die in der
Hirnhemisphäre angelegt ist.
Die Retina, die Netzhaut des Auges,
ist durch
Nervenfasern über den Hypothalamus direkt mit der Zirbeldrüse verbunden (Abb. 1).
Diese Drüse ist eine endokrine Hormondrüse, die ihr Sekret Melatonin direkt in den
Blutstrom abgibt, der es in alle Teile des Körpers trägt. Die Produktion des Hormons
Melatonin, das den Wach-Schlaf-Rhythmus des Menschen steuert, wird durch die
Lichtenergie kontrolliert. Beim energiereichen Lichteinfall wird die Produktion des
Hormons gehemmt, in der
„biologischen“ Dunkelheit steigt die Aktivität des
Melatonin an. Dieses Hormon ist für den Tag-Nacht-Rhythmus verantwortlich und die
Epiphyse wird als „das dritte Auge“ bezeichnet. Als Gegenhormon wird in der
Zirbeldrüse, wenn es hell wird, das Serotonin ausgeschüttet und der Mensch wird
munter.
Es
beeinflusst
die
Kontraktion
des
Herzmuskels,
wirkt
auf
die
Körpertemperatur und die Nahrungsaufnahme.
Verlängert man künstlich die Wirkung des energiereichen Tageslichtes z.B. durch
das Einschalten der elektrischen Lampen, baut die Leber das Melatonin ab und der
Mensch wird nicht schläfrig (Abb. 2)
Epiphyse
Abb.1 Schematische Darstellung der optischen
und energetischen Bahn im Gehirn.
Abb. 2 Unterdrückung der Melatonin–
Produktion durch Licht in der
Nacht.
Das Licht wirkt über die Augen auch auf das andere Gehirnzentrum, nämlich auf den
Hypothalamus-Hypophysen-Komplex.
Die Hypophyse (Hirnanhangdrüse), eine
211
kleine Drüse an der Unterseite des Hypothalamus (vegetative Zentralsteuerung) im
Zwischenhirn, scheidet eine Anzahl unterschiedlicher Hormone aus, die für die
Erhaltung vitaler Funktionen des Körpers angelegt sind u.a. das Melanotropin und
Gonadotropin. Fast alle Hormone, die von Gehirnzentren gebildet werden, sind
deshalb lichtabhängig in ihrer Ausschüttung.
Die Hypophyse produziert auch eine Reihe von
„Vermittlerhormonen“ (z.B.
Corticotropin) , die direkt auf andere endokrine Drüsen, also Drüsen die ihre Sekrete
unmittelbar in die Blutbahn ausscheiden, einwirken, um deren Funktion anzuregen.
Das freigesetzte Cortikotropin gelangt auf dem Blutweg z.B. zur Nebennierenrinde.
Somit lösen die Hypophyse-Hormone dadurch auch Hormone aus, die von den
Drüsen außerhalb der Gehirnzentren ausgeschüttet werden, tagsüber oder nur in der
Nacht. Hauptsächlich sind das folgende Drüsen: die Schilddrüse, die Nebennieren
und die Keimdrüsen. Die Nebennieren als paarig angelegte Drüsen, gegliedert in
Mark- und Rindenschicht, liefern lebenswichtige Hormone: das Mark das Adrenalin
und die Rinde das Cortisol. Da der Auf- und Abbau dieser Hormone sehr schnell
erfolgt, ist auch ihre Wirkung relativ kurzzeitig.
Das Adrenalin, das durch die Blutgefäße im ganzen Körper rasch transportiert wird,
wirkt physiologisch auf Herz und Kreislauf, bewirkt eine Steigerung der Herzfrequenz
und eine Verengung der Blutgefäße und damit die Steigerung des Blutdruckes.Dazu
kommt noch die Atem- und Pulsbeschleunigung wie auch die Pupillenerweiterung im
Auge.
Bei Wirkung vom Cortisol sinken nachweisbar der Puls wie auch der Blutdruck. Es
wirkt regulierend auf den Fett-, Kohlenhydrat- und Eiweißstoffwechsel. Es erhöht die
Glukosekonzentration im Blut und wirkt gegen Rheumatismus.
Wie die Untersuchungen erwiesen haben, kommt es bei rotem Licht zur vermehrten
Produktion von Adrenalin. Blaues Licht dagegen produziert verstärkt Cortisol und die
Adrenalinproduktion wird gebremst. Das grüne Licht, das im „goldenen Schnitt“ (ein
3:5 Verhältnis) des sichtbaren Spektrums liegt, sorgt für die ausgeglichene
Produktion von Adrenalin und Cortisol.
Das Rot wirkt also anregend, das Blau
beruhigend und das Grün gesund auf den Organismus eines Menschen ein. Das
weiße Licht wirkt auf die Konzentration weißer Blutkörperchen (Leukozyten) im Blut
(Abb. 3).
212
Die Keimdrüsen (Gonaden = Hoden oder Eierstöcke), die auch paarig angelegt sind,
erfüllen bei beiden Geschlechtern eine doppelte Funktion: sie produzieren die
Sexualhormone und die Geschlechtszellen (Gameten = Spermien oder Eier). Zu den
Sexualhormonen gehören bei Männern die androgenen Hormone, vor allem das
Testosteron und bei Frauen zwei Hormone vor allem das Östrogen und das
Progesteron. Es ist nachgewiesen worden, dass mit steigender Sonnenenergie die
Ausschüttung vom Melatonin drastisch gedrosselt wird und somit die Produktion der
Keimdrüsen-Hormone von ihrer Unterdrückung befreit wird.
Abb. 3 Konzentration der Leukozyten im Blut
Abb. 4 Suppression von Melatonin über der
über der Hornhaut – Beleuchtungsstärke.
Hornhaut-Beleuchtungsstärke.
Das Licht wirkt auch über die Haut auf den menschlichen Organismus. Die
Keimschicht der Haut ist durch von unten hineinragende Papillen der Lederhaut
vielfach gebuchtet und bietet dadurch dem Licht eine stark vergrößerte Oberfläche.
Die Keimschicht ist zwar gefäßlos, doch das Zellgefüge ist mit ausgedehnten
Lymphräumen durchsetzt. Diese Keimschichtlymphe befindet sich in einem lebhaften
Stoffaustausch mit dem Blut der unmittelbar darunter liegenden Lederhaut. Alle
Blutstoffe können ständig der Keimschicht zugeführt, dort durch das eindringende
Licht verändert und schließlich wieder in das Blut zurückgeführt werden. Deshalb
wird die Haut als „das vierte Auge“ betrachtet.
213
Die oben angeführte Betrachtung der Wirkung des Lichtes auf die Aktivität von
Hormonen bezieht sich auf die Laboruntersuchungen verschiedener Art, die von der
Lichtsituation auf der Bühne während einer Aufführung mehr oder weniger
abweichen. Die Labor-Ergebnisse lassen sich schwer 1:1 in die Bühnenpraxis zu
übertragen. Jedoch die Tendenz der Aktivität der Hormone durch das Bühnenlicht
wird bei jeder Lichtstimmung beibehalten. Somit vermittelt das Bühnenlicht wichtige
biologische Vorgänge im Organismus nicht nur des Zuschauers sondern und
vielleicht sogar mehr im Organismus der agierenden Personen auf der Bühne
(Sänger, Schauspieler, Tänzer,...) Entscheidend für die Wirkung des Bühnenlichtes
auf dem hormonellen Wege ist vor allem die spektrale Bestrahlungsstärke der
Netzhaut des Auges und die Expositionszeit der Lichtstimmung, die gerade auf der
Bühne herrscht, von großer Bedeutung. Anders gesagt: es muss genügend
Strahlung ins Auge kommen und die Dauer
seiner Bestrahlung nicht unter der
vegetativen Reaktionszeit liegen. Die neuesten Untersuchungen haben gezeigt, dass
z.B. die 50 % Produktionsunterdrückung von Melatonin bei rund 100 lx der vertikalen
Hornhaut-Beleuchtungsstärke am Auge liegt (Abb. 4).
2.3.2 Psychologische Wirkung
Genauso wichtig wie der physiologische Aspekt des Sehens ist die psychologische
Interpretation der Theateraufführung. Zur Aufgabe der Aufführung wird u.a. die
Anregung der Phantasie der Zuschauer und das Versetzen sie in die Welt, in der die
Bühnenhandlung spielt, wo die Worte und der darin enthaltene Inhalt, die Geste der
Sänger, die Mimik und Bewegung der Tänzer, das Bühnenbild und Kostüme zu
Einwirkungsmitteln werden. Die Aufführung bildet nämlich ein gewisses Kondensat
der oft im alltäglichen Leben des Menschen abspielenden Handlungen. Die oft im
Verlauf von mehreren Jahren vorkommenden Ereignisse müssen hier in kurzer Zeit
dem Zuschauer voll und ganz gezeigt werden. Sie müssen den Zuschauer zur
Ablenkung von der Wirklichkeit bringen und in ihm die Überzeugung erwecken, dass
er auf der Bühne die Entwicklung einer wirklichen Handlung beobachtet. Die Auswahl
von Inszenierungsmitteln muss unerhört präzis sein. Oft ändert eine scheinbar kleine
Änderung
der Richtung und der Größe des Lichtkegels oder der Lichtfarbe
wesentlich die Komposition der ganzen Anordnung, manchmal bis zur Änderung
ihres Charakters.
214
Eine interessante psychologische Eigenschaft des Menschen ist das Einteilen in die
Wärme und Kälte des Lichtes. Zu der ersten Gruppe gehören langwellige Anteile des
sichtbaren Spektrums (Rot, Orange, Gelb) und kurzwellige Anteile (Türkis, Blau,
Violett) im Spektrum bilden die zweite Gruppe. Das bestätigt das Vorhandensein in
der Farbenperzeption des Synästhesie-Effektes, der darauf beruht, dass der Reiz,
der nur auf ein Sinnesorgan (z.B. Sehen) einwirkt, außerdem den für dieses Organ
spezifischen Eindruck, auch Eindrücke im Bereich anderer Sinne hervorruft. In
diesem Aspekt werden die warmen Farben zur Präsentation der positiven Gestalten
und bei Dekoration zum Erlangen einer netten, heiteren Stimmung verwendet. Die
Stimmung der Kälte und Ruhe, sei es romantische Nacht beim langsam
vorbeiziehenden Mondschein kann man mit Hilfe vom Anleuchten mit blauem
Farbton erreichen.
Das farbige Licht ruft auch in seiner synästhetischen Wirkung die Empfindungen im
Bereich des Gehörsinnes hervor. Und so festigen das Rot und Orange nicht nur
scheinbar die Intensität der gehörten Musik, aber sie rufen auch am leichtesten die
Hörempfindungen hervor. Es ist auch bekannt, dass man beim Musikhören
bestimmte Farben empfindet, was bei manchen Zuschauer seine emotionelle
Erlebnisse vertieft. Daher ist die Synchronisation der Lichteffekte mit den
musikalischen von großer Bedeutung.
Das Licht und seine Farbe können auch die kinästhetischen Empfindungen des
Zuschauers beeinflussen: die Wahrnehmung anderer mit Hilfe vom Sehorgan
empfundenen Eigenschaften des Gegenstandes, die Einschätzung ihrer Größe, ihres
Gewichtes und der Entfernung in der sie sich vom Zuschauer befinden sind nicht nur
vom Schwarz-Weiß-Kontrast, sondern viel mehr vom Farbkontrast abhängig. Die
Gegenstände im Rot-Licht scheinen größer, schwerer und näher liegender zu sein
als die gleichen Gegenstände, wenn sie mit einem blauen Licht beleuchtet werden.
Somit erreicht man mit Rot die Nähe und mit Blau die Tiefe auf der Bühne.
Nicht ohne Bedeutung ist die Präferenz der Farben des Lichtes, ihrer Symbolik und
der Stimmungen, die von diesen Farben hervorgerufen werden, was bei dem
Zuschauer spezifische psychische Verfassungszustände auslöst. Man kann also
dem Zuschauer durch farbiges Licht (Blau, Gelb) auf der Bühne emotionelle
Stimmungen aufzwingen. Das Gefühl der Macht und Kraft wird meist mit Rot oder
215
Purpur, der Ruhe und Stille mit Grün oder Blau realisiert. Man kann auch Unbehagen
und angenehme Empfindungen, die Stimmung der Niedergedrücktheit, Trauer und
Freude, Hoffnung und Resignation, Sicherheitsgefühl und Beunruhigung mit Farben
unterstreichen. Diese Symbolik der Farben ändert sich zusammen mit der
Entwicklung der Zivilisation im Verlauf der Zeit und in den verschiedenen Weltteilen
unterschiedlich. Daher sichert auch die geeignete Auswahl und Abstimmung des
Farbenspiels mit dem aufgeführten Stück seine Authentizität und erlaubt es den
Zuschauer in die damalige Szenerie zu übertragen.
Eine bedeutende Tatsache bei der Perzeption einer Vorstellung ist die, dass die
Anregung der Rezeptoren eines Sinnesorganes die Änderung der Fühlschwelle der
Rezeptoren eines anderen Sinnesorganes verursacht, was als Effekt den Namen
Sensibilisierung trägt. Die Sehempfindungen ändern also die Empfindlichkeit des
Hörrezeptors und umgekehrt. Auch unter den Rezeptoren, die nur für ein
Sinnesorgan geeignet sind, kommen gegenseitige tiefe Einwirkungen vor. Im Falle
des Sehorgans hat die Entfernung einen Einfluss auf die Farbe, das Empfinden der
Tiefe auf die Gestalt des Gegenstandes und die Leuchtdichte der Dekoration auf das
Empfinden ihrer Farbe.
In der psychologischen Einwirkung der Vorstellung auf den Zuschauer spielen auch
die Farbverbindungen eine wesentliche Rolle, die auf dem Weg des bedingten
Reflexes entstehen, hauptsächlich dann, wenn zwei Erscheinungen auf einmal
auftreten. Wenn es schon mehrmals vorgekommen ist, so genügt es, dass eine von
ihnen auftritt, so kommt automatisch auch die zweite vor. Diese oben erwähnte
Erscheinung wird Farbassoziation genannt, sie ist also eine bestimmte Reaktion auf
bestimmte Farben. Auf diese Weise kommen zur Wahrnehmung der Farbe auf der
Bühne noch die mit der Lichtfarbe verbundenen früheren Erinnerungen, Begriffe,
Stimmungen, physiologische Zustände und bestimmtes Verhalten hinzu. Die
Verbindungskraft ist umso größer, je häufiger die Farbe mit den Erlebnissen des
Zuschauers verbunden war, z. B. Rot mit Feuer, Gelb mit Sonne, Grün mit Natur,
Blau mit Wasser oder Himmel. Außer diesen allgemeinen Verbindungen gibt es auch
eigentümliche, stammend von den neuerworbenen oder von den schon vergessenen
Erlebnissen, z. B. von der schon einmal gesehenen „derselben“ Theateraufführung.
216
*****
Die Summe aller von dem Zuschauer empfundenen Eindrücke bestimmt über
die Qualität der Vorstellung, über die übermittelten ästhetischen und
gedanklichen Werte. Also auch das Licht, sein Schatten und seine Farbe bilden
für die Gestalten der Theatervorstellung und vor allem für den Zuschauer, nicht
nur ein Element der Komposition auf der Bühne im Bereich der visuellen
Ästhetik,
aber
eine
enorme
Kraft
der
Interpretation
in
seiner
psychophysiologischen Funktion.
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218
Biologic Effects of Light and Radiation:
Historical and New Perspectives
Michael F. Holick, Ph.D., M.D.
Vitamin D, Skin and Bone Research Laboratory; Section of Endocrinology,
Diabetes, and Nutrition; Departments of Medicine, and Biophysics and Physiology;
Boston University Medical Center, Boston, MA.
Vitamin D is taken for granted and its full health potential is underappreciated
by both physicians and patients. Because vitamin D is associated with bone health in
growing children, little attention has been made about the important role that vitamin
D plays in maximizing and maintaining bone health in adults and its implications for
the prevention of many of the common cancers, hypertension, and type 1 diabetes
(1). Unlike most fat soluble and water soluble vitamins that are plentiful in a healthy
diet, very few foods naturally contain vitamin D. Consumption of oily fish, such as
salmon or mackerel three to four times a week, or ingestion of cod liver oil on a
daily basis are two natural sources. Some foods, such as milk and some breads
and cereals are also fortified with vitamin D. A majority of our vitamin D requirement
(80-95%) comes from our exposure to sunlight (1, 2).
Vitamin D deficiency is extremely common in the U.S. adult population (1-7).
Not surprisingly, elders both free living and who are in nursing homes have a high
prevalence of greater than 50% of vitamin D deficiency. It has been assumed that
young and middle aged adults are not at risk for vitamin D deficiency. However, the
lifestyle for young and middle aged adults is such that they are constantly at work
indoors. In addition, the heightened awareness about sun exposure and skin cancer
has resulted in the use of a sunscreen before being exposed to sunlight. A
sunscreen with an SPF of 8 will reduce the vitamin D synthesis by 97.5% (8). The
CDC recently reported that 41% of African American women aged 15-49 yrs
throughout the United States at the end of the winter were vitamin D deficient (9, 10).
Thirty-two percent of medical students and residents at our hospital were found to be
vitamin D deficient at the end of the winter (6).
219
Chronic vitamin D deficiency has subtle and insidious consequences for both
bone health and overall health and well-being. Vitamin D deficiency results in a
decrease in the efficiency of intestinal calcium absorption. The body responds by
increasing the production of parathyroid hormone, which in turn mobilizes precious
calcium stores from the skeleton. Thus, vitamin D deficiency can precipitate and
exacerbate osteoporosis. In addition, vitamin D deficiency causes a mineralization
defect of the skeleton, known as osteomalacia. Unlike osteoporosis, which is a silent
disease, osteomalacia often presents as isolated or generalized muscle aches, muscle
weakness, and bone pain. It has been estimated that upwards of 60% of patients with
symptoms consistent with fibromyalgia, i.e. muscle and bone aches and pains is due to
vitamin D deficiency (1, 11, 12).
Exposure to tanning bed radiation resulting in an increase in circulating
concentrations of 25-hydroxyvitamin D [25(OH)D] was effective in treating
hypertension (13). It is now recognized that 1,25-dihydroxyvitamin D (biologically active
form of vitamin D) can down regulate the renin-angiotension system. It is also
recognized that most organs in the body have vitamin D receptors (VDR) (1, 11-15)
and that 1,25(OH)2D is a potent down-regulator of cell growth. Furthermore, the
prostate, colon, breast, as well as other tissues can make 1,25(OH)2D3 for the most
likely purpose of regulating cell growth (16-18). There is strong evidence that vitamin D
deficiency, especially those that live at higher latitudes are at higher risk of dying of
many of the common cancers, including colon, breast, prostate, and ovary (19-21).
The β-islet cells of the pancreas also have VDR. A recent study reported that
children who received vitamin D supplementation decreased their risk of developing
type 1 diabetes by 80% (22).
Best method to determine vitamin D deficiency is to measure circulating
concentrations of 25(OH)D. Patients who are vitamin D deficient will have a normal
serum calcium due to their secondary hyperparathyroidism. Thus, the only measure
of vitamin D status is a 25(OH)D level. 1,25(OH)2D is of no value and indeed can
be low, normal or even elevated in a vitamin D insufficient patient (1).
220
The National Academy of Sciences recently recommended that the adequate
intake of vitamin D to be 200, 400, and 600 IU for ages 1-50, 51-70, 71+,
respectively. We, and others, have estimated that in the absence of exposure to
sunlight the requirement is closer to 1,000 IU of vitamin D a day (1, 23-26). The
goal is to maintain circulating concentrations of 25(OH)D of at least 20 ng/ml and
preferably, between 30 and 50 ng/ml.
The best method to treat vitamin D deficiency is to fill the vitamin D tank
quickly by giving the patient 50,000 IU of vitamin D once a week for eight weeks (8).
A repeat 25(OH)D after the therapy often shows an increase of at least 100%.
However, if this does not occur a repeat of the treatment for an additional 8 weeks
is recommended. For those who cannot absorb vitamin D, exposure to natural
sunlight or tanning bed radiation (27-28) that has a component of ultraviolet B
radiation is suggested (29-30).
Because vitamin D is so common, I have recommended that similar to
measuring a blood cholesterol annually, it is reasonable to do the same for
25(OH)D. This will insure that patients are vitamin D sufficient, thus, maximizing
both their bone health, as well as their overall health and well-being (1, 31).
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224
Lichttherapie
Jürgen Zulley, Roland Popp
Schlafmedizinisches Zentrum, Psychiatrische Klinik, Universität Regensburg,
Universitätsstr. 84, 93059 Regensburg
1 Einleitung
Unsere
natürliche
Umwelt
zeigt
im
Laufe
eines
Jahres
charakteristische
Veränderungen, die gekennzeichnet sind durch klimatische Veränderungen, sowie
durch die Veränderung der Tageslänge. Hierdurch wurde der Mensch der Urzeit und
auch heute noch stark in seinem Verhalten beeinflußt. Wir schlafen im Winter länger
als im Sommer, sind weniger aktiv, unsere Stimmung zeigt ein Absinken, wir sind
müder als sonst und viele unserer Körperfunktionen arbeiten eher im Schongang.
Der Wintertag ist nur halb so lang und nicht so hell wie ein Sommertag. Licht,
welches hell genug ist, wirkt über die Retina und den retinohypothalamischen Trakt
auf den Nukleus Suprachiasmaticus im Hypothalamus und unterdrückt dort die
Ausschüttung des Hormons Melatonin. Dieser natürliche Stoff wird immer nachts
ausgeschüttet, kann müde machen und die Stimmung drücken. Das Forschungsbgebiet der Chronobiologie (Kap. 2) untersucht diese Zusammenhänge.
Bekannt ist in diesem Zusammenhang die Winterdepression. Die unter dieser
Erkrankung leidenden Menschen zeigen regelmäßig im späten Herbst eine
Depression. Diese Symptome verschwinden im Frühling plötzlich wieder. Das
Ausmaß dieser Depression kann sehr unterschiedlich sein. Das Krankheitsbild der „
saisonalen depressiven Störung“ auch „saisonal abhängige Depression“ (SAD) oder
Winterdepression genannt, ist international anerkannt und wird in den offiziellen
Diagnosekriterien aufgeführt (Kap. 4). Die Therapie der ersten Wahl hierfür ist die
Lichttherapie (Kap. 3). Diese Form der Therapie wird auch bei bestimmten
Schlafstörungen (Kap. 5) angewandt.
Neben dieser klinisch bedeutsamen Wirkung des hellen Lichts werden im Bereich
der angewandten Forschung neue Ansätze erprobt, um die direkte aktivierende
225
Wirkung einzusetzen. Als Beispiel soll eine Studie (Kap. 6) dargestellt werden, wo
blaues Licht als „Gegenmaßnahme bei Müdigkeit“ untersucht wird.
2 Chronobiologie
Das
Gebiet
der
Untersuchungen
Chronobiologie
und
befasst
Anwendungen
zum
sich
mit
den
rhythmischen
wissenschaftlichen
Verlauf
biologischer
Funktionen. Gesteuert wird diese Periodik von einem endogenen Steuerungssystem
(innere Uhren). Verschiedene Periodenbereiche lassen sich feststellen, wobei für
den Menschen tagesperiodische Schwankungen (zirkadiane Rhythmen) von großer
Bedeutung sind. Externe Reize (Zeitgeber) synchronisieren die endogen erzeugte
Periodik mit unserem 24-Stunden Tag-Nacht-Wechsel. Der wichtigste Zeitgeber ist
das Licht [1].
2.1
Die physiologische Uhr
Der Frage nach der Verursachung dieser Periodizitäten wurde in chronobiologischen
Untersuchungen nachgegangen, in denen Versuchspersonen für längere Zeit (ca. 4
Wochen) von der Umwelt isoliert lebten und keine Kenntnis der Uhrzeit hatten. Es
zeigte sich, dass die periodischen Schwankungen weiterhin stabil verlaufen und
Schlafen und Wachen wie auch die Körpertemperatur weiterhin einen streng
tagesperiodischen Wechsel zeigten. Der Schlaf-Wach-Wechsel bedingt nicht den
täglichen
Wechsel
der
verschiedenen Funktionen, da auch bei längerem
Schlafentzug die Periodik nahezu unverändert weiterläuft. Der „Tag“ unter
Isolationsbedingungen betrug jedoch im Mittel 25 Stdunden und wich so deutlich von
unserem natürlichen 24 Stunden-Tag ab. In der Umwelt ist eine solche Periodizität
nicht vorhanden und somit muss davon ausgegangen werden, dass ein inneres
Steuerungssystem für den Ablauf der verschiedenen Funktionen verantwortlich ist.
Ein solches endogenes Zeitprogramm hat die Eigenschaft biologischer Uhren, die
den Ablauf von Prozessen im Organismus und die Abfolge seiner Handlungsweisen
bestimmen. Durch diesen inneren Mechanismus wird der Organismus rechtzeitig auf
Veränderungen in der Umwelt und auf notwendige Handlungsweisen vorbereitet,
ohne dass hierzu externe Signale notwendig sind. Zusätzlich erlaubt dieses System
endogener Uhren auch eine interne Koordination der verschiedenen Funktionen im
226
Hinblick auf eine möglichst effektive Tätigkeit. Hierdurch wird überhaupt erst ein
ungestörtes Funktionieren des Organismus ermöglicht [1].
Das anatomische Substrat der biologischen Uhr ist der Nucleus suprachiasmaticus im
anterioren Hypothalamus. Mit seinen afferenten und efferenten Nervensträngen erhält
er Lichtinformationen von der Retina. Die Retina des Auges ist beim Menschen und
anderen Säugetieren die Schnittstelle, über die Licht in das Gehirn eintritt. Die
Netzhaut ist jedoch selber bereits zyklischen Veränderungen unterworfen, die
maßgeblich zu deren Lichtempfindlichkeit beitragen. Neuere immunohistochemischen
Techniken konnten zeigen, welche Neurotransmitter und Neuropeptide an der
Synchronisation endogener Rhythmen mit dem externen Hell-Dunkel-Zyklus beteiligt
sind. Weitere Untersuchungen erbrachten, dass das Pinealhormon Melatonin eine
wichtige Rolle als "Zeiger der biologischen Uhr" spielt. Dieses Hormon wird von der
biologischen Uhr gesteuert und periodisch ausgeschüttet. Licht kann diesen Vorgang
unterdrücken [3,4,5].
2.2
Melatonin
Bei Tieren ist Melatonin in Abhängigkeit von der Tageslänge für die saisonale
Umstellung und den Zeitpunkt der Geschlechtsreife verantwortlich. Es wirkt als
Schnittstelle zwischen dem Licht und dem Organismus. Licht und Melatonin wirken
entgegengesetzt und bestimmen die zeitliche Abfolge der verschiedenen Funktionen
des circadianen Systems, einschließlich Schlafen und Wachen. Es ist belegt, dass
Melatonin sedierend wirken kann und das Reproduktionssystem hemmt. Melatonin
scheint auch das Immunsystem zu beeinflussen und eine mögliche zellprotektive
Funktion zu besitzen (Radikalfänger). Derzeit wird diskutiert, ob Melatonin als
Schlafmittel
eingesetzt
werden
kann
und
ob
mit
Nebenwirkungen
bei
Langzeiteinnahme zu rechnen ist [2].
3 Die Lichttherapie
Die Wirkung des hellen Lichts auf den Menschen wurde erst in den achtziger Jahren
bei
der
Erkennung
des
Zusammenhangs
zwischen
der
sogenannten
„Winterdepression“ und den kurzen Wintertagen entdeckt. Inzwischen wurde im
Rahmen der Chronobiologie die Wirkung der Lichttherapie näher untersucht und
227
neurobiologische
Modelle
aus
grundlagenwisenschaftlichen
Erkenntnissen
entwickelt.
Neben der „saisonal abhängigen Depressionsform“ (SAD), die ein deutliches
Ansprechen auf die Lichttherapie zeigt, ist eine therapeutische Wirkung bei immer
weiteren Krankheitsbilder zu erkennen. Vor allem bei bestimmten Formen der
Schlafstörung und auch bei verschiedenen pathologischen Zuständen älterer
Menschen kann diese Therapieform eingesetzt werden. Lichttherapie führt zu einer
allgemeinen Steigerung des Antriebs und einer Besserung der Befindlichkeit bei
gesunden Personen.
Unter Lichttherapie wird:
Die Bestrahlung einer Person mit Licht von einer Mindesthelligkeit von 2.500 Lux
über einen bestimmten Zeitraum verstanden.
•
Die Wirkung wird nur durch das vom Auge empfangenen Licht erzeugt.
•
Für die Wirkung ist nach den bisherigen Erkenntnissen das Lichtspektrum nicht
entscheidend. Zur Vermeidung von Nebenwirkungen ist anzuraten, bestimmte
Frequenzspektren (UV-Anteile) herauszufiltern.
•
Gebräuchlich ist bei Lampen mit einer Helligkeit von 10.000 Lux eine tägliche ca.
40minütige Anwendung, bei der das Licht ins Auge fallen muss.
•
Lichtquellen, die nicht diesen Anforderungen entsprechen, wurden als unwirksam
beurteilt. Im Folgenden wird unter Lichttherapie nur das hier genannte Verfahren
verstanden.
Es liegen Dutzende von kontrollierten Studien vor, die zum größten Teil in
renommierten internationalen Zeitschriften erschienen sind, die wissenschaftlich
belegen, dass Lichttherapie die wirksamste Behandlung bei der Winterdepression ist.
Die
empfohlene
und
überwiegend
durchgeführte
Behandlungsform
bei
der
Lichttherapie ist eine ambulante häusliche Form. Die eigenen Erfahrungen
entsprechen den Angaben der Literatur mit einer Erfolgsrate von ca. 80% bei Geräten
mit einer Helligkeit von 10.000 Lux [6].
228
4 Die Saisonal Abhängige Depressionsform (SAD)
Lichttherapie ist eine effektive Therapieform und gilt als die Therapie der ersten Wahl
bei SAD. Die Prävalenzrate für die Saisonal Abhängige Depression (SAD)
zusammen mit der subsyndromalen SAD (S-SAD) wird in USA mit 18.2%
angegeben. Die saisonal bedingten Probleme nehmen mit dem Breitengrad zu. In
der Schweiz wurde eine Prävalenzrate von 10.1% erhoben. Dieser Unterschied mag
von kulturellen Faktoren abhängig sein. Der wichtigste Befund der Umfrage war
jedoch, dass die Beeinträchtigung durch die jahreszeitlichen Veränderungen nicht
von den objektiven Lichtverhältnissen abhängig war (Sonnenscheindauer in einer
bestimmten Region), sondern vom individuellen Lichtverhalten (Anzahl Stunden, die
jemand im Freien verbringt). Durch ein gezieltes Lichtverhalten (regelmäßig und
lange genug im Herbst/Winter ins Freie gehen) kann man also den jahreszeitlich
bedingten Beschwerden effektiv begegnen.
Zur Erklärung der Pathophysiologie der SAD Patienten wurden eine Reihe von
Hypothesen aufgestellt, die sich zum größeren Teil auf gestörte zirkadiane Rhythmen
beziehen. Für diese Art von Störungen wurden folgende Ursachen postuliert:
- eine Schwäche der Verarbeitung der verkürzten Photoperiode im Herbst/ Winter
mit der damit verbundenen vermehrten Melatoninausschüttung
- eine verschobene Phasenbeziehung zirkadianer Rhythmen
- eine Verflachung der Amplitude zirkadianer Rhythmen
- eine Instabilität der Phasenkontrolle
- eine Hypo- oder Hypersensivität der retinalen Photorezeptoren
Andere Erklärungsversuche gehen von einem Defizit der absoluten Menge Licht aus
oder heben den Einfluss des medialen Hypothalamus auf die atypischen Symptome
der SAD hervor. Auch der Einfluss von Neurotransmittern (insbesonders Serotonin)
oder von Regulationssystemen der Tagesschwankung der Stimmung wurden
herangezogen. Keine dieser konkurrierenden Hypothesen konnte bis jetzt eine
gültige Erklärung der Ätiologie der SAD oder des therapeutischen Lichteffekts
erbringen, sei es wegen widersprüchlicher oder noch ausstehender Daten [3].
229
5 Schlafstörungen
Der Schlaf ist integrativer Bestandteil dieser Rhythmik. Unter diesem Gesichtspunkt
werden Schlafstörungen als Fehlfunktionen der inneren Uhr betrachtet. Dies betrifft
vor
allem
die
Störungen
Schlafphasen-Syndrom,
des
b)
Schlaf-Wach-Rhythmus:
rückverlagertes
a)
vorverlagertes
Schlafphasen-Syndrom,
c)
Unregelmäßige Schlaf-Wachmuster, d) Schlafstörungen bei Schichtarbeit und e)
Schlafstörungen bei Zeitzonenwechsel
Die Therapieansätze versuchen, die Abweichungen der inneren Uhr zu korrigieren.
Als ein neuer Ansatz hat sich hierbei die Lichttherapie bewährt [2]. Der Patient wird
zu dem Zeitpunkt dem hellen Licht ausgesetzt, an dem schlafen nicht erwünscht ist.
So setzt sich ein Patient mit einem „rückverlagerten Schlafphasen-Syndrom“
morgens vor ein Lichttherapiegerät um eine Vorverlagerung des biologischen
Rhythmus zu erzielen und um gleichzeitig einen akuten Weckeffekt zu erreichen. Bei
älteren Patienten, die häufig unter einem „unregelmäßigen Schlaf-Wach Muster“
leiden, hilft morgendliches Licht um eine deutlichere Anpassung ihres Schlaf-WachRhythmus an den normalen 24-Stunden-Tag zu erreichen.
6 Neuere Studien zur Wirksamkeit von blauem Licht.
In
mehreren
Untersuchungen
konnte
bislang
demonstriert
werden,
dass
kurzwelliges, blaues Licht (etwa 450 nm) die Melatoninproduktion in der Nacht
besonders gut unterdrückt und eine vergleichbare Wirkung zeigt wie weißes Licht
hoher Intensität (bright light, ca. > 5000 Lux) (7). Sehr helles Licht wird bereits aus
ergonomischen Gründen bei Nachtarbeitsplätzen eingesetzt, da es die Vigilanz, d.h.
den Grad der Wachheit steigert und schläfrigkeitsbedingte Leistungseinbußen
mindert
(8).
Ob
blaues
Licht
bei
niedriger
Lichtintensität
die
gleiche
vigilanzsteigernde Wirkung zu erzielen vermag, wurde bislang wissenschaftlich nicht
untersucht.
Sollte sich diese Vermutung bestätigen, ergäben sich neue Möglichkeiten durch
Veränderung der Innenraumbeleuchtung der nächtlichen Müdigkeit eines PKWFahrers entgegenzuwirken.
230
Da eine Verminderung der Schläfrigkeit über den Wirkmechanismus von Melatonin
erwartet wird, wurde diese Untersuchung nachts, wenn die Melatoninausschüttung
am höchsten ist, durchgeführt werden.
6.1
Fragestellung
Um die Wirksamkeit von blauem Licht und Duft als „Countermeasures to Sleepiness“
zu untersuchen, wurde ein experimentelles Design mit drei Bedingungen entwickelt.
Insgesamt durchlaufen 15 Probanden verschiedenen Versuchsbedingungen (9).
A Kontrollbedingung
Die Versuchspersonen müssen jeweils von 19:00 bis
02:00 unter Schummerlichtbedingungen (< 25 lux)
wach bleiben. Ab 2:00 erfolgt eine umfassende
kognitive
und
physiologische
Vigilanztestung
(Testdauer insg. etwa 1 h)
B Blaulichtbedingung
Im
Gegensatz
Versuchsperson
zur
ab
Kontrollgruppe
24:00
einer
wird
jede
blauen,
monochromatischen Lichtquelle (ca. 450 nm, 2000
lux auf Augenhöhe) ausgesetzt. Die Testung erfolgt
ab 2:00, ebenfalls unter Blaulicht.
Unter dieser Bedingung wird sowohl eine Unterdrückung der Melatoninausschüttung
wie auch eine Leistungs- und Vigilanzverbesserung und eine Abnahme der
subjektiven Schläfrigkeit im Vergleich zur Kontrolle erwartet.
6.2
Ergebnisse – Nachtuntersuchung
Melatoninkonzentration
Die Melatoninproduktion unterliegt einem circadianen Rhythmus, wobei meist in der
Nacht ein Maximum zwischen 1:00 und 3:00 erreicht wird. Die Grafik (Abb. 1)
veranschaulicht, dass die Melatoninkonzentration im Speichel kontinuierlich in allen
231
drei Bedingungen bis 00:00 ansteigt und im Mittel einen Wert zwischen 12 und 14
pg/ml erreicht. Während es in der Kontroll- und Duftbedingung zu einem weiteren,
etwas weniger steil ausgeprägten Anstieg bis zu 16 pg/ml kommt, setzt in der
Lichtbedingung ein drastischer Rückgang der Melatoninkonzentration ein, die nach
einer Stunde unter 4 pg/ml fällt.
16
Physiologie:
Kontrolle
Licht
Duft
14
Melatonin im Speichel
pg/ml
Melatonin
n = 15
Testung
12
10
Licht- oder
Testung
Duftbedingung
8
6
4
2
0
19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 23:00 23:30 00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:3 0 03:00
Uhrzeit
Fig.1 Verlauf der Melatoninkonzentration über die Nacht für alle Versuchspersonen
(n=15)
Allerdings zeigten sich bei den 15 Versuchspersonen auch deutliche interindividuelle
Unterschiede im Ausmaß der Melatoninproduktion während der Kontrollbedingung,
die in dieser Dastellung der Gruppenmittelwerte jedoch untergehen.
Zu weiteren Analysen wurde die Stichprobe daher in zwei Kategorien aufgeteilt:
A.) Personen, die in der Kontrollbedingung einen deutlichen Anstieg der
Melatoninkonzentration aufwiesen: sogenannte „Melatonizer“
B.) Personen, deren Melatoninwerte keinen deutlichen Anstieg erkennen
ließen:
„Non-Melatonizer“
Eine Trennung in diese beiden Gruppen zeigte jeweils folgende unterschiedliche
Verläufe der Melatoninproduktion (Fig.2 und Fig.3)
232
30
„Melatonizer“
n=7
pg/ml
Melatonin
Kontrolle
Licht
Duft
25
20
Licht- oder
Duftbedingung
15
Testung
10
5
0
19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 23:00 23:30 00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00
Uhrzeit
Fig.2 Verlauf der Melatoninkonzentration über die Nacht für „Melatonizer“ (n=7)
30
„Non-Melatonizer“
n=8
pg/ml
Melatonin
Kontrolle
Licht
Duft
25
20
Licht- oder
Duftbedingung
15
Testung
10
5
0
19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 23:00 23:30 00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00
Uhrzeit
Fig.3 Verlauf der Melatoninkonzentration über die Nacht für „Non-Melatonizer“ (n=8)
Der Effekt von blauem Licht ist bei den „Melatonizern“ imponierend, da bereits nach
einer Stunde Licht Werte wie gegen 21:00 erreicht werden. Blaues Licht bewirkt bei
diesen Probanden eine dramatische Unterdrückung der Melatoninkonzentration. Duft
zeigt wie erwartet keine Wirkung auf die Melationinsynthese. Die obigen Abbildungen
machen
aber
auch
deutlich,
dass
nur
die
Personen,
bei
denen
die
Melatoninproduktion am Abend bzw. in der Nacht deutlich anstiegen, von der
Intervention “Blaues Licht“ profitieren konnten. Daher beziehen sich nachfolgende
Ergebnisse ausschließlich auf diese „Melatonizer-Gruppe“.
233
Subjektive Befindlichkeit
Bei der Stanford Sleepiness Scale (SSS), ein Fragebogen zur Schläfrigkeit zeigt
sich, dass unter der Lichtbedingung die subjektiv bewertete Schläfrigkeit nach
Beginn der Intervention im Vergleich zur Kontrollnacht erst einmal nicht weiter
ansteigt. Allerdings verliert sich dieser Effekt am Ende der Testung. Duft wirkt
ebenfalls anregend und lässt die Schläfrigkeit zunächst nicht weiter ansteigen (siehe
Fig.4). Die Lichtbedingung führt demnach zu einer nennenswerten Abnahme der
subjektiv empfundenen Schläfrigkeit, die sonst über die Nacht hinweg kontinuierlich
ansteigt.
Befindlichkeit:
6
Stanford
Sleepiness
Scale
Kontrolle
Licht
Duft
5
SSS-Score
4
3
n=7
2
1
0
19:30 20:00
20:30
21:00
21:30
22:00 23:00
23:30 00:00
00:30
01:00 01:30
02:00
02:30
03:00
Uhrzeit
Fig.4 Verlauf der subjektiven Schläfrigkeit über die Nacht für „Melatonizer“ (n=7)
Pupillographie
Blaues Licht führt zu einer deutlichen Reduktion des Pupillen-Unruhe-Index (ein
Hinweis
für
eine
erhöhte
physiologische
Schläfrigkeit)
im
Vergleich
zur
Kontrollmessung in der Nacht. Bei Duft ist dieser Effekt nicht so stark ausgeprägt,
jedoch signifikant.
Vigilanztest
Bei der Reaktionsgenauigkeit reduziert blaues Licht signifikant die Anzahl der
ausgelassenen Reize im Vergleich zur nächtlichen Kontrolle, die jedoch wiederum
eine deutliche Zunahme der Auslassungen im Vergleich zur Abenduntersuchung
aufweist. Duft zeigte ebenfalls einen mäßig vigilanzsteigernden Effekt. Die nächtliche
Messung weist insgesamt auf schläfrigkeitsbedingte Leistungseinbußen hin, die
234
weder durch Licht noch durch Duft vollständig kompensiert, aber deutlich gemindert
werden können.
Bei der Reaktionsschnelligkeit zeigt sich weder bei den mittleren Reaktionszeiten,
noch bei der Streuung der Reaktionszeiten ein wesentlicher Effekt von Licht.
Generell spiegelt sich Schläfrigkeit nicht in einer Verlangsamung der Reaktionszeiten
wider. Die Schwankungen der Reaktionszeiten sind hier eher ein Indikator, was sich
im signifikanten Unterschied zwischen der abendlichen und nächtlichen Kontrolle
wiederfindet.
Ausblick
Aus physiologischer Sicht hatte Licht in der Nacht einen deutlichen Effekt: So
reduziert es drastisch die Melatoninproduktion und die physiologisch erfasste
Schläfrigkeit mittels der Pupillometrie. Auch auf der subjektiven Ebene und im
objektivierbaren Leistungsbereich zeigt sich bei den sogenannten „Melatonizern“
eine nachweisbare Wirkung von blauem Licht. Trotz der insgesamt positiven
Ergebnisse sind aufgrund der interindividuell stark ausgeprägten Variabilität der
Müdigkeitskompensation
noch
genauere
Einzelfallanalysen
notwendig,
um
eindeutigere Aussagen über die Wirksamkeit der untersuchten „Countermeasures to
Sleepinees“ im Leistungsbereich zu machen.
Literatur
[1]
Zulley J, Knab B (2003) Unsere Innere Uhr. Herder, Freiburg
[2]
Zulley J, Wirz-Justice A (1999) Lichttherapie. Roderer, Regensburg
[3]
Barinaga M (2002) How the brain´s clock gets daily enlightement. Science,
295: 955-957
[4]
Brainard GC, Hanifin JP, Greeson JM, Byrne B, Glickman G, Gerner E, Rollag
MD (2001) Action spectrum for melatonin regulation in humans: Evidence of a
novel circadian photoreceptor. J Neursci 21: 6405-6412
[5]
Thapan K, Arendt J, Skene DJ (2001) An action spectrum for Melatonin
suppression: Evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in
humans. J Physiol 535: 261-267
[6]
Kasper S, Möller HJ (2003) Herbst/Winterdepression und Lichttherapie.
Springer, Wien
235
[7]
Lockley SW, Brainard GC, Czeisler CA (2003) High sensitivity of the human
circadian Melatonin rhythm to resetting by short wavelength light. J Clin
Endocrinol Metab, 88(9): 4502-4505
[8]
Philipps-NelsonJ, Redman J, Dijk DJ, Rajaratnam MW (2003) Daytime
exposure to bright light, as compared to dim light, decreases sleepiness and
improves psychomotor vigilance performance. Sleep, 26, 6: 695-700
[9]
Popp R, Geisler P, Antczak J, Hajak G, Zulley J (2003) Gegenmaßnahmen bei
Schläfrigkeit. Somnologie 7 (Suppl 1) : 54
236
Einfache Messung der erythemwirksamen Bestrahlungsstärke für
280 ≤ λ ≤ 400 nm und für 320 < λ ≤ 400 nm
D. Kockott1, H. Piazena2, R. Sippel3
1
Dr. Kockott UV-Technik, Hanau, 2 Berlin, 3 MSS Elektronik GmbH, Fröndenberg
1 Einleitung
Die Basisgröße für die Bewertung und Dosierung der UV-Strahlung in Solarien ist die
erythemwirksame Bestrahlungsstärke Eer. Unter der Voraussetzung der nach den
Kriterien des Runden Tisches Solarien (RTS) geforderten Vernachlässigbarkeit der
Anteile aus dem spektralen Teilbereich UV-C (250 – 280 nm) ergibt sich:
400
Eer =
∫E
λ (λ )
s er (λ ) dλ
(1)
280
(Eλ(λ): spektrale Bestrahlungsstärke, ser(λ): Wirkungsspektrum für das UVHauterythem nach CIE).
Zur Klassifizierung der Solarien nach den Vorgaben der Normen EN 60335-2-27 und
DIN 5050/1 sowie des RTS wird neben der erythemwirksamen Bestrahlungsstärke
Eer auch eine Information über ihre Verteilung auf die spektralen Teilbereiche mit
Wellenlängen unter 320 nm (Eer, ≤320) und über 320 nm benötigt (Eer, >320).
Es besteht daher die Notwendigkeit, diese Größen in Solarien zu messen, und zwar
sowohl im Neuzustand der Geräte als auch in regelmäßigen Zeitintervallen während
des Betriebs.
2 Spektrale Messung von Eλ(λ) und Berechnung von Eer, Eer, ≤320
und Eer, >320 nach Gl.(1)
Wegen des sehr steil verlaufenden Wirkungsspektrums für das Erythem ser(λ) muß
die spektrale Bestrahlungsstärke Eλ(λ) mit einer spektralen Auflösung von
mindestens 1 nm und mit einem Dynamikbereich von mindestens 5 Dekaden
237
gemessen werden. Das leisten nur teure und schwer zu transportierende
Spektralradiometer
mit
Doppelmonochromator,
deren
Betrieb
einen
großen
Wartungs- und Kontrollaufwand zur Gewährleistung der technisch möglichen, hohen
Meßgenauigkeit erfordert. Sie stehen im allgemeinen nur großen Solarienherstellern
und Prüfinstituten zur Verfügung. Für die geforderte laufende Qualitätskontrolle der
Solarien im Betrieb und deren Dokumentation sind sie aus wirtschaftlichen Gründen
nicht geeignet.
3 Integrale Messung von Eer und Eer, >320 mit dem Radiometer MSS
110
Mit einem Empfänger, dessen spektrale Empfindlichkeit sEmpf.(λ) = ser(λ) ist, kann
man nach Gl.(1) auf einfache Weise direkt die erythemwirksame Bestrahlungsstärke
Eer messen. Genau das leistet das Gerät MSS 110. Abbildung 1 zeigt die relative
spektrale Empfindlichkeit des Empfängers im Vergleich zum Wirkungsspektrum der
CIE für das UV-Hauterythem in einem Bereich von 4 Dekaden. Bei Verwendung
eines vorgeschalteten Filters, das die kurzwellige Strahlung absorbiert, kann auch
Eer,>320 mit dem MSS 110 direkt gemessen werden, während Eer,
Differenz Eer – Eer, >320 berechnet wird.
≤320
aus der
Relative spektrale Empfindlichkeit
238
10
10
MSS110-S.fpw
1
0
Erythemsensor
(MSS 110)
-1
10
Wirkungsspektrum
des UV-Hauterythems
(nach CIE)
-2
10
-3
10
-4
10
290
300
310
320
330
340
350
360
370
Wellenlänge [nm]
Die relative spektrale Empfindlichkeit des Erythemsensors des
Abb. 1:
Radiometers MSS 110 im Vergleich zum Verlauf des Wirkungsspektrums
für das UV-Hauterythem nach CIE; Messungen: Lichttechnisches Institut
der Universität Karlsruhe.
4 Vergleich mit einem Spektralradiometer mit
Doppelmonochromator
In der vorliegenden Arbeit wurde an 31 häufig in Solarien eingesetzten UVFluoreszenzlampen
verschiedener
Hersteller
mit
unterschiedlichen
Emissionsspektren und Nennleistungen (100 W und 160 W) geprüft, wie weit die mit
dem MSS 110 erzielten Meßergebnisse für Eer und Eer,>320 mit den spektralen
Meßdaten eines Spektralradiometers mit Doppelmonochromator des Typs OL 754
(Optronic Laboratories, Orlando, Fl., USA) übereinstimmen.
Das
Spektralradiometer
war
thermostatisiert,
wurde
unmittelbar
vor
den
Vergleichsmessungen mit einem auf NIST rückführbaren Standard kalibriert und
besaß
eine
Ulbricht´sche
Kugel
als
optischen
Empfänger.
Die
239
Wellenlängenkalibrierung erfolgte mit Hilfe einer Quecksilberdampflampe unter
Nutzung
der
Emissionsline
bei
296,73
nm.
Ein
nationaler
Spektralradiometervergleich ergab für das verwendete Gerät des Typs OL 754 eine
langzeitliche Wellenlängendrift unter 0,2 nm sowie eine Übereinstimmung mit dem
Referenzgerät (DTM 300, Bentham Instruments, Reading, UK) zwischen - 5% und +
8 % für die erythemwirksame Bestrahlungsstärke und innerhalb ± 5 % für die
Bestrahlungsstärke im Teilbereich UV-A (vgl. Seckmeyer et al. 1998).
Die Vergleichsmessungen zwischen den Geräten MSS 110 und OL 754 erfolgten
unter identischen geometrischen Meßbedingungen, innerhalb von 30 Minuten pro
Lampe,
in
eingebranntem
Zustand
der
Lampen
und
bei
vergleichbarer
Lampenalterung.
Ergebnisse der Vergleichsmessungen für Eer
MSS-110a.fpw
400
+25%
Vergleich OL754 - MSS 110
350
-2
Eer [mW m ] (MSS 110)
4.1
+15%
UV-Fluoreszenzlampen (Solarien)
100W-Lampen
160W-Lampen
300
-15%
-25%
250
200
150
100
50
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
-2
Eer [mW m ] (OL-754)
Abb. 1:
Die erythemwirksame Bestrahlungsstärke Eer von 31
unterschiedlichen UV-Fluoreszenzlampen für Solarien im spektralen
Gesamtbereich nach Messungen mit dem Radiometer MSS 110 im
Vergleich zu den Daten des Spektralradiometers OL 754.
240
4.2
Ergebnisse der Vergleichsmessungen für Eer,>320
MSS-110b.fpw
-2
Eer,320-400nm [mW m ] (MSS 110)
110
Vergleich OL 754 - MSS 110
100
UV-Fluoreszenzlampen (Solarien)
90
+15%
100W-Lampen
160W-Lampen
80
-15%
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-2
Eer,320-400nm [mW m ] (OL-754)
Abb. 1:
Die erythemwirksame Bestrahlungsstärke von 31 unterschiedlichen
UV-Fluores-zenzlampen für Solarien im spektralen Teilbereich 320 – 400
nm (Eer,>320) nach Messungen mit dem Radiometer MSS 110 im Vergleich
zu den Daten des Spektralradiometers OL 754.
5 Diskussion und Ausblick
5.1
Erfassung der erythemwirksamen Bestrahlungsstärke Eer
Für zwei der in den Vergleich einbezogenen UV-Fluoreszenzlampen ergab die
Messung mit dem Radiometer MSS 110 eine systematische Überbewertung der
erythemwirksamen Bestrahlungsstärke Eer von + 24 % gegenüber den Daten des
Spektralradiometers. Für den Vergleich aller anderen Lampen lagen die relativen
Abweichungen der mit beiden Geräten gemessenen Bestrahlungsstärken unter ± 20
%, wobei sich für die überwiegende Mehrzahl der willkürlich ausgewählten Lampen
jedoch systematische Abweichungen unter ± 15 % ergaben.
241
5.2
Erfassung der erythemwirksamen Teilbestrahlungsstärke Eer,>320
Vier der vermessenen UV-Fluoreszenzsstrahler wurden durch das Radiometer MSS
110 hinsichtlich ihrer Bestrahlungsstärke im Teilbereich 320 – 400 nm im Vergleich
zu den Daten des Spektralradiometers OL 754 mit Abweichungen zwischen – 15 %
und – 20 % systematisch unterbewertet. Für alle anderen Lampen lagen die relativen
Abweichungen innerhalb des Bandes von ± 15 %.
5.3
Schlußfolgerungen
Der Vergleich mit dem Spektralradiometer OL 754 zeigt, daß das Radiometer MSS
110 in der Lage ist, sowohl die erythemwirksame Bestrahlungsstärke Eer als auch die
erythemwirksame Bestrahlungsstärke im Teilbereich 320 – 400 nm (Eer,>320 ) mit
einem Meßfehler unter ± 20 % für UV-Fluoreszenzlampen von Solarien zu erfassen.
Damit ist das Gerät zur Sicherung der Dosierung in Solarien während des Betriebs
wie auch zur Kontrolle der Grenzwerte für die erythemwirksame Bestrahlungsstärke
und für die Klassifizierung nach den Qualitätsstandards des RTS und der IEC
geeignet.
Literatur
EN 60335-2-27: Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche
Zwecke, Teil 27: Besondere Anforderungen für Hautbestrahlungsgeräte mit
Ultraviolett- und Infrarotstrahlung (2001), Beuth-Verlag Berlin.
DIN 5050: Solarien und Heimsonnen, Teil 1: Meßverfahren, Typeneinteilung und
Kennzeichnung (1992), Teil 2: Anwendung und Betrieb (1998), Beuth-Verlag
Berlin.
RTS: UV-Fibel – Zertifiziertes Solarium nach den Kriterien des BfS. Allgemeine
Grundlagen zur Schulung der im Kundenkontakt stehenden Betreiber und
Mitarbeiter von Solarienbetrieben, Hrsg. Runder Tisch Solarien c/o Bundesamt
für Strahlenschutz, Braunschweig-Druck 2003.
Seckmeyer, G., B. Mayer and G. Bernhard: The 1997 status of solar
spectroradiometry in Germany: Results from the national intercomparison of
UV spectroradiometers.
Schriftenreihe des Fraunhofer-Institutes Atmosphärische Umweltforschung
(Edited by W. Seiler), Bd. 55 (1998), Garmisch-Partenkirchen.
242
Herzinfarkt und Farblichtanwendung
Harald Brost1, Johannes Tebbe2
1 Einleitung
Unsere Forschungsprojekte hatten sich in den letzten Jahren aus verschiedenen und
einsichtigen Gründen auf Krankheitsbilder im psychischen, psychosomatischen
Bereich und auf chronisch-rezidivierende Belastungen beschränkt, obwohl es sich
nicht ausschließen ließ, u. a. auch Infarkte und onkologische Fälle mit der
Farblichttherapie zu begleiten. An einer ungewöhnlichen Falldemonstration wollen
wir mit dieser Arbeit die Dialektik des Farblichts und seine wirksame, fördernde
Anwendung darstellen. Fazit: Stimmen die Rahmenbedingungen, dann lässt sich –
unter großer, sensibler Zurückhaltung und großer Vitalitätserfahrung - mit Hilfe des
Farblichts sogar ein frischer, ausgedehnter Herzinfarkt mit Erfolg in überraschend
kurzer Zeit therapieren.
2 Herzinfarkt – eine ungewöhnliche Herausforderung für Farblicht.
2.1
Herzinfarkt – Farblicht – Nasennebenhöhlen – Resonanzqualität
Herr S., 39 Jahre, selbständig in der EDV-Branche, nach mehreren gescheiterten
Beziehungen in Scheidung befindlich, erlitt an einem späten Freitag Nachmittag
einen ausgedehnten Hinterwandherzinfarkt. Er weigerte sich trotz seines sehr
schwachen und sehr schmerzlichen Zustandes, aus Angst vor einem Zweitinfarkt
durch mögliche Hektik von Notarzt und Intensivstation in eine Klinik gebracht zu
werden. Als Vitalarzt wurde ich ( Johannes Tebbe ) am Sonntag Abend darauf um
18.30 gebeten, mich um Herrn S. zu kümmern. Von Haus aus HNO-Arzt, besuchte
ich Herrn S. trotz der juristisch heiklen Lage und machte ihm klar, dass eine
Klinikintensivbehandlung dringend notwendig sei. Nachdem er sich erneut weigerte
und mich bat, unter diesen Umständen bitte sofort zu gehen, mutierte ich vom HNOArzt (unter dem ausschließlichen Wunsch des Patienten zur Nothilfe) zum „Vitalarzt“.
Der belasteten und sehr schwachen, seit Freitag schlaflosen und im Innern auf das
Äußerste angespannten und in der Lunge schmerzhaft atembehinderten Situation
des
Herrn
S.
entsprechend,
beschränkte
ich
mich
auf
ein
paar
kurze
243
Vitalitätsprinzipien, gewann den
menschlichen Konsens mit ihm und stimulierte
reflektorisch
entschieden
behutsam
und
zugleich
seine
Nasen-
und
Nasennebenhöhlenfunktion [1]. Dies löste eine sofortige Schmerzreduktion beim
Atmen und ein entsprechend tieferes Durchatmen aus. Danach erfolgte eine
halbstündige Farblichttherapie - mit der von Herrn S. gewünschten Farbe Blau.
Währenddessen kümmerte ich mich um die völlig verängstigten Angehörigen, die in
Scheidung befindliche Ehefrau mit zweijährigem Kind, eine frühere Partnerin und die
Hauswirtin, die unisono den Klinikaufenthalt forderten. Es ließ sich nun sachlich
klären, dass Herr S. eine solche nun einmal ablehne und man ihn bei geistiger
Klarheit nicht zwangseinweisen dürfe und könne. Im weiteren Gespräch reduzierten
sich diese Ängste als reine Verlustängste (z. B. „Wer zahlt im Sterbensfall für meine
Tochter“, etc.)
Nach einer halben Stunde Farblicht – Herr S. war kurzzeitig eingeschlafen – fand ich
einen sehr deutlich entspannteren Menschen vor, dem das erste herzliche und
dankbare Lächeln über die Lippen kam. Schmerzen spürte er kaum noch, atmen
konnte er viel tiefer. Ich ließ ihm das Farblicht über die Nacht da und stellte es ihm
anheim, nach innerem Empfinden so viel Farblicht in freier Farbwahl zu „tanken“, wie
er möge. Die an diesem Sonntag von einer früheren ärztlichen Freundin in einer
Klinik untersuchten Blutwerte waren derart erschreckend hoch, dass sie geneigt
waren, innere Zweifel an der Vertretbarkeit der vitalisierenden Vorgehensweise
auszulösen.
244
Abb. 1:
( siehe 1. Laborbericht vom 19.10.03 im Anhang )
Am Montagabend fand ich Herrn S. wie ausgewechselt vor. Das Hautschwitzen war
verschwunden, das am Sonntag noch aschfahle Gesicht wies wieder lebendige Züge
auf, Herr S. hatte nachts ausgiebig geschlafen und die inneren Spannungen waren
um Dimensionen geschrumpft. Jetzt wurde es dagegen zwingend, Herrn S. noch die
Notwendigkeit der Bettruhe klarzumachen. Herr S. hatte inzwischen auf die
Komplementär-Farbe Orange umgeschwenkt.
Bereits am Dienstagabend hatte sich der Zustand derart deutlich verbessert, dass
alle weiteren Therapien ohne Hausbesuch und ohne Klinikeinweisung mit allen
Beteiligten diskutiert werden konnten. Ab Mittwoch kam Herr S. selbst für mein
Verständnis überraschend und eigenmächtig in meine Praxis, in den ersten Tagen
danach täglich und dann zweimal – später dann einmal - pro Woche in meine
Vitalpraxis. Am Donnerstag lagen alle, auch die extrem hohen, infarktrelevanten
Blutwerte, bis auf einen noch minimal erhöhten, wieder im Normbereich – ein auch
für mich faszinierendes, in dieser extremen Form auch für mich neues und aus der
Not der Situation heraus geborenes, tiefgreifendes Erlebnis. [1]
245
Abb. 2:
2.2
( siehe 2. Laborbericht vom 24.10.03 im Anhang )
Der Kontext des Infarkts und der Behandlungsweise.
Dieses Fallbeispiel steht - aus meinem ärztlichen Erfahrungsschatz – repräsentativ
für viele tausende, wenn auch nicht existentiell so akut bedrohliche Fälle
unterschiedlichster, intrinsischer Selbstheilungsprozesse bei unterschiedlichsten
Krankheiten durch die dialektische Kombination von hochwertigem Farblicht, mehr
Sauerstoff durch eine entlastete, revitalisierte Nase und einem, trotz aller Bedrohung
und allem Leid, geduldig ruhigen, menschlichen Resonanzklima zur Entlastung der
stets stark belasteten, emotionalen Ebene. Der Anfang, die Entscheidung eines
notleidenden Menschen - so wie bisher nicht mehr, ich will irgendwie irgendetwas
ändern, ich will mein Heft wieder in die Hand nehmen - ist stets die entscheidende
Hälfte des ganzen Erfolgs. Herr S. hatte, auf des Messers Schneide, intuitiv gespürt,
es muss sich etwas ändern, sonst gerate auch ich in die Mühlen der Routine und
verliere meine Souveränität gänzlich.
Die theoretische, physikalische und philosophische Reflexion über die Dialektik des
Lichts [2] als Lebensgrundlage und die anwendungsbezogenen Erfahrungswerte
zeigen eindeutig und täglich, die sich zugleich mit steigender Erfahrung verdichten,
welcher Schatz im Licht und seinen Farben verborgen liegt, wenn es um die
Mobilisierung intrinsischer, schlummernder Vitalitätsreserven geht. Licht in seiner
ganzheitlichen Dialektik – und dem selektiv angebotenen Farblicht – erweist sich
246
dann als Lebensmittel Nummer „Eins“ und in der Einheit mit dem Sauerstoff – und
hier bezogen auf das Organ „Nase“ – als dem Generator für das Lebensmittel
Nummer „Zwei“. An dritter Stelle folgt die notwendige Aufnahme von Wasser und erst
dann folgt dieser Rangscala die Aufnahme von fester Nahrung. Die fünfte Ebene
berührt all die psychologischen Formen der Farb- und Lichtgestaltung von Kleidung,
Räumen, Frisuren etc. etc., die wir als „emotionale Nahrung“ beschreiben wollen;
gerade dieser fünfte Rangplatz erweist sich im Rückblick und seiner Wirkung als
Nadelöhr der Licht- und Sauerstoffaufnahmekapazität von heute. Dies wird noch
weiter zu erforschen sein und die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit dem
Phänomen „Lichtkontamination“ zwingend zur Folge haben. Die Triade aus
emotionaler Balance, sozialer Ausgewogenheit und wirtschaftlicher Neutralität spielt
in diesen Kontext wesentlich mit hinein – „Im-Feld“ und „Um-Feld“.[3].
Ein schwerer Hinterwandinfarkt musste aufgrund der insistierenden Weigerung des
Patienten S. in einer Notfallentscheidung mit Farblicht und örtlich verbesserter
Atmung in ungewöhnlicher Frist von 5 Tagen in einer Qualität behoben, die
nachfolgend eigenständige Praxisbesuche ermöglichte. Der objektive Nachweis zur
Schwere der Erkrankung und der erfolgreichen Therapie mit Farblicht unter
ganzheitlicher Einbeziehung von Sauerstoff, Wasser und psychologischem Umfeld
dokumentieren die beigefügten Laborberichte. Die Licht- und Farblichtforschung
muss sich behutsam über Einzelergebnisse einen Weg zur „Gesundheit mit/durch
Licht“ erarbeiten. Im einzelnen Fall steckt zwar auch das Ganze – aber im Ganzen
steckt auch die unendlich-differenzierte Vielfalt. Doch jeder Anfang ist die Hälfte des
Ganzen.
Danksagung
Wir danken dem Patienten A. S. für die „freiwillige“ Inanspruchnahme der Farblichtund Vitaltherapie im Rahmen dieser Fallstudie und den zustimmungswilligen
Angehörigen, die ihre Sorgen letztlich hinter die Wünsche des Betroffenen stellten.
247
Literatur
[1]
J. Tebbe, Der richtige Riecher, HEEL Königswinter, 1999
[2]
H. Brost, Farbtheorie, Helga Lagrange, Kirn, 2003
[3]
J. Tebbe, Endlich Mensch werden, Helga Lagrange, Kirn, 2000
Autoren:
1
Prof. Dr. Dr. phil. habil. Harald Brost, Institut für Farbe, Licht und Raum,
University of Integrated Sciences Arbon, Auf dem Loh 38, 55606 Kirn
2
Prof. Dr. med. Johannes Tebbe, Institute for vitality management,
University of Integrated Sciences Arbon, Aktienstrasse 214, 45473 Mülheim
248
Bio-Licht
Gesundes Licht
Gerold Kurz von Schmeling
BIO-LICHT Kurz von Schmeling, Obergünzlstr. 46, D-84579 Unterneukirchen
Tel (+49) 08634-5002, Fax 08634-6362
1 Licht = das Urlebenselement
Licht ist das Ur-Element allen Seins. Ohne Licht würde nichts existieren: keine Luft,
kein Wasser, kein Stein, keine Pflanze, kein Tier, kein Mensch; keine Erde, keine
Sonne, kein Universum - nichts - (ja nicht einmal Gott).
Auf der Erde hat sich ein vielfältiges Leben entwickelt. Hätte es aber da nicht einfach
genügt, wenn nur eine Kerze Licht gespendet hätte?
Ist Licht einfach nur Helligkeit? - oder ein Maximum an Helligkeitsausbeute ? - wie es
uns die Lichtindustrie immer noch glauben machen will! Lumen pro Watt - etwas
variiert in "warmton", "universalweiß", "tageslichtweiß", "Dreibandenröhren ",
"Halogenlicht" u. a. .
Oder hat sich das Leben unter der speziellen Lichtzusammensetzung der Sonne und
des auf die Erde auftreffenden Tageslicht-Spektrums so entwickelt - um das Leben
auf Erden zu ermöglichen?
2 Natürliches Tageslicht = Leben
Natürliches
Lichtspektrum
fördert
unsere
Gesundheit
und
unser
Wohlbefinden
Natürliches Tageslicht setzt sich aus sichtbaren und unsichtbaren Licht-Spektren
zusammen: Ultraviolett B+A, Violett, Blau, Grün, Gelb, Orange, Rot, Infrarot. 80 %
unserer Sinneseindrücke erfolgen über das Sehen und verbrauchen dabei rund 25 %
der gesamten Körperenergie. Licht ist nicht einfach nur Helligkeit und dient nicht nur
249
zum Sehen. Licht hat biologisch lebenswichtige Bedeutungen: Es steuert über das
Auge die Zirbeldrüse, die Hirnanhangdrüse, den Sehhügel, die Sehrinde und das
vegetative Zentralnervensystem - und damit alle Hormondrüsen und den gesamten
Zellstoffwechsel.
Diese verschiedenen Licht-Spektral-(=Farb)Anteile haben wichtige biologische
Auswirkungen - vor allem aber _das_ UV-B-Licht, Vitamin-D-Aufbau, Kalzium-,
Kohlenhydrat-
und
Phosphor-Stoffwechsel
Abwehrsystem
(Immunsystem)
gegen
-
es
baut
das
Infektionen
auf.
Es
lebenswichtige
steuert
weitere
Lebensfunktionen wie Fruchtbarkeit, Geschlechtsaktivität, Stimmungslage, Blutdruck,
Herz, Kreislauf, Zucker-, Wasserhaushalt, Wachstum, Muskelleistung u.v.a. mehr;
Umwandlung des Cholesterins (7-dehydrocholesterol) in der Haut durch das UV-BLicht in Vitamin D3 - Erzeugung von Krebsschutzstoffen - dies wurde u.a. von
Nationalen US-Krebsforschungsinstituten nachgewiesen - Senkung des Herzinfarktund Brustkrebsrisikos um rund 60 %. (Herkömmliches 'Universalweiß-Röhrenlicht
dagegen setzte aufgrund des mangelnden UV-Spektrums die körperlichen
Abwehrkräfte herab - die Krebshäufigkeit war bei diesen verschiedenen
Untersuchungen bis zu dreifach höher).
Die UV-B+A-Lichtanteile sind die Vitamine und Mineralstoffe des Lichtes.
Lichttherapie: Medical Tribune: "Eine Lampe heilt Depressionen." Natürliches
Vollspektrumlicht
Lichtbehandlung
mit
dem
natürlichen
eingesetzt:
UV-B
wird
immer
Winterdepressionen
erfolgreicher
SAD,
zur
Rachitis,
Neugeborenengelbsucht, Schlafstörungen, Hauterkrankungen, Allergien, u.v.a. (Aber
einfach nur helles Halogenlicht, Universalweiß-Röhrenlicht u.a. wäre eine sehr
einseitige Behandlung - dabei würden gleichzeitig alle anderen biologischen
Steuerungen, wie der Aufbau des Immunsystems, z.B. zur Infektabwehr und gegen
Allergieanfälligkeit erheblich geschwächt und fehlgesteuert, vermehrt Streß) u.a..
Der Einsatz von Vollspektrumlicht als Allgemeinlicht in Krankenhäusern aber fördert
insgesamt eine schnellere Gesundung. Auch die Weltgesundheitsorganisation
empfiehlt schon seit 1983 den "... Einsatz von Vollspektrum-Tageslicht im Innenraum
... vor allem auch in Schulen und Krankenhäusern... " usw.
250
Natürliches Licht fördert unsere Leistungskraft und unser Lernvermögen
Über 90 % unserer Arbeits- und Freizeit verbringen wir in geschlossenen Räumen
und entziehen uns den lebensnotwendigen Einflüssen des Sonnenlichtes. Daher
brauchen wir als Ersatz im Innenraum natürliches Vollspektrumlicht: Im Arbeits-,
Lern-, Freizeit- und auch Wohnbereich. Untersuchungen bewiesen, daß Schüler
unter
Vollspektrumlicht
(vor
allem
durch
das
UV-B)
wesentlich
bessere
Lernleistungen erbrachten und der Notenschnitt entscheidend verbessert wurde die Konzentrationsfähigkeit und Reaktionsschnelligkeit steigerte sich - auf
natürliche
Weise.
Die
Arbeitsleistungen
verbessern
sich
erheblich
-
die
Krankheitsfehlzeiten nehmen stark ab - ein vielfach wichtigerer Kostenfaktor als ein
'billiger' Röhrenpreis oder nur 20 o. 30 % Energieersparnis!
Vergleich verschiedener Spektren
Je unnatürlicher die Lichtzusammensetzung,
desto schlimmer sind die biologisch-gesundheitlichen Fehlsteuerungen.
Kunstlicht herkömmlicher Leuchtstoff-, Energiespar-Kompaktröhren, Glühlampen
Halogenlampen schwächt die Gesundheit und die Leistungsfähigkeit erheblich.
Noch
negativere
Auswirkungen
haben
die
'3-Banden'-Röhren
('warmton',
'neutralweiß', 'tageslichtweiß'). Das "noch mehr Helligkeit" wird nur durch noch
stärkere Abweichung vom natürlichen Licht erreicht. Die 'tageslicht'-Röhren haben
zudem
eine
sehr
kalte
Lichtfarbe
von
6300
-
6500
K
-
aber
kein
Tageslichtspektrum. Auch die meisten angeblichen 'Vollspektrum-Röhren' haben
kein biologisches Vollspektrumlicht .
251
Ein Wort zu UV-B: Eine Vielzahl von wissenschaftlichen Untersuchungen belegt,
daß die UV-B-Lichtanteile die wichtigsten biologischen Steuerungsfunktionen
haben. Lichtquellen ohne diese natürlichen UV-B-Lichtanteile sind kein natürlicher
Tageslichtersatz.
Natürliches Lichtspektrum fördert besseres Sehen
Die Lichtanteile blau bis UV-B fördern die Sehfunktionen entscheidend:
Helligkeitssehen: Die meiste Helligkeit nehmen zwar die rund 7 Mill. Sehzäpfchen
der Netzhaut im gelb-grünen Spektrum auf (deshalb größter Lichtanteil bei
herkömmlichem Kunstlicht.). Aber über die 120 Mill. Sehstäbchen erfolgen durch
die kurzwelligen Licht-Anteile von blau bis UV-B weitere Helligkeitsaufnahmen (ca.
30%) und durch Fluoreszenzanregung. Dieses mehr an Helligkeit mißt das
Luxmeter nicht.
Farbensehen: Für eine natürliche Farbwiedergabe ist das ganze Spektrum
notwendig. Farben haben tiefgreifende Wirkungen auf das Wohlbefinden, für die
Farblichttherapie und sind in vielen Berufszweigen zwingend erforderlich.
(herkömmliches Kunstlicht verfälscht die Farben sehr stark - oft sehr 'muffiges'
Licht.)
Schärfesehen: Die bessere Schärfe-Anpassung an die Entfernung durch das Blaubis
UV-Licht
(Fehlsichtigkeit
ist
mit
vor
allem
herkömmlichem
im
Nahbereich
Kunstlicht
bis
zu
sehr
1/2
wichtig.
Dioptrien
=
verschwommenes, unscharfes Sehen, Augen- und Kopfschmerzen.)
Kontrastschärfe und Brillanz: Dadurch erfolgt ein wesentlich besseres Erkennen,
schärferes Sehen und eine höhere Farbbrillanz.
Räumliches Sehen: Dreidimensionales, plastisches Sehen ist im Innenraum als
Ausgleich sehr wichtig.
(herkömmliches Kunstlicht verflacht sehr stark).
Wahrnehmung von Bewegungen: Wesentlich Erhöhung der Sicherheit durch die
schnellere Erkennbarkeit und die Augen ermüden weniger.
252
Dämmerungs- und Nachtsehen: Der dabei verbrauchte Sehpurpur baut sich
während
des
(herkömmliches
Tages
unter
Kunstlicht
dem
erzeugt
Violett-Lichtanteil
durch
mangelndes
wieder
auf.
Violettlicht
nur
ungenügenden Sehpurpuraufbau - der Mensch wir zunehmend nachtblinder).
Das natürliche Tageslichtspektrum ist von zentraler Bedeutung für:
Gesunderhaltung - Heilung - Wohlbefinden - Stimmungslage Leistungsvermögen - Lernfähigkeit - Sehvermögen.
Wir werden uns wohl überlegen müssen, unter welchen Lichtverhältnissen wir in
Zukunft leben und arbeiten wollen.
Die bisherigen "billigen" Leuchtmittel sind letztendlich die weitaus teuerste,
unwirtschaftlichste und ungesündeste Lösung.
Wir sollten zu unserer Umwelt (Luft, Erde, Wasser, Nahrung) nicht auch noch
weiterhin Licht durch 'Lichtsmog' "verschmutzen", sondern ein gesundes und
natürliches Lichtklima schaffen.
Wer einmal natürliches, ruhiges, gesundes "Bio-Licht" Vollspektrum-Tageslicht im
Innenraum kennen gelernt hat, wird kein anderes Licht mehr wollen - eine
Lichtqualität, wie Sie sie bisher kaum kannten.
4 Schlußbemerkung
Irrtum der Philosophie und der Wissenschaft: "Wo Licht ist, ist Schatten." "Das
Gute bedingt das Böse. " "Wo Liebe, da Haß. "
Dies ist nur eine sehr eingeschränkte Sicht, durch Verharrung im materiellen
Denken. Wo sich alles zur Vollkommenheit entwickelt, gibt es nur noch Liebe.
253
Wenn alles von Licht erfüllt ist, gibt es keinen Schatten mehr.
Wo alles vollkommen entwickelt ist, gibt es nur noch Liebe.
Literatur:
"Sonnenlicht und Gesundheit", Dr. Kime, Natura Viva Verlags GmbH (beinhaltet eine
Vielzahl von Referenzangaben mit wissenschaftlichen Untersuchungen, Neuauflage
folgt.)
"Bio-Licht Gesundes Licht", G. Kurz von Schmeling, Tel (+49) 08634-5002
und eine Vielzahl anderer Untersuchungen und Veröffentlichungen in den letzten
Jahrzehnten.
254
Unterstützung der Pflege und Betreuung Demenzkranker durch
Lichtmanagement – eine Pilotstudie 1
Michael Brach*, Oskar Dierbach*, Wolfgang Ehrenstein#
*
#
Ev. Altenhilfe, Haus Ruhrgarten, Mülheim an der Ruhr
Angewandte Physiologie (140D), Universität Hohenheim
Einleitung
Viele Bewohner stationärer Altenpflegeeinrichtungen leiden unter einem gestörten
Schlaf-Wach-Rhythmus. Die Ursachen können nicht nur in Altersveränderungen (z.B.
Lichtdurchlässigkeit der Linse) oder Krankheiten (z.B. Demenz), sondern auch in den
Lebensbedingungen des Altenheims liegen [2]. Wer beispielsweise im Winter eine
Abenddämmerung um 16.00 h erlebt und aufgrund seiner Pflegebedürftigkeit von
einer Pflegekraft des Spätdienstes ins Bett gebracht wird, vor 20.00 h einschläft und
dementsprechend um 3.00 h morgens ausgeschlafen hat, kann leicht aus dem Takt
eines gesunden Schlaf-Wach-Rhythmus geraten.
Zur Abhilfe liegt eine Verlängerung der Betreuung der Bewohner am Abend nahe, sie
ist jedoch mit hohen Personalkosten verbunden. Kunstlicht hinreichender Intensität
und spektraler Zusammensetzung kann das Timing System des Menschen
nachhaltig beeinflussen und dadurch das Schlaf-Wach-Verhalten verbessern [1]. Der
generelle Effekt wurde bereits bei Alzheimerkranken nachgewiesen [7]. Um diesen
auch im Alltag nutzbar zu machen, wurden in einer stationären Altenhilfeeinrichtung
in zwei Tagesaufenthaltsräumen Lichtdecken installiert, deren Spektrum und
Intensität mit Hilfe einer PC-Steuerung gleitend verändert werden kann [3].
Anfänglich war beabsichtigt, das Schlafverhalten der Heimbewohner mit tragbaren
Aktographen [8] aufzuzeichnen. Darauf musste jedoch verzichtet werden, weil bei
den vorgefundenen Graden der Demenz die reale Gefahr unsachgemäßen Umgangs
mit den Geräten bestand. Als Vorbereitung auf die Hauptuntersuchung, in der das
Wach-Schlaf-Verhalten
der
Heimbewohner
durch
ein
geeignetes
Beleuchtungsprogramm verbessert werden soll, wurde daher der Dormograph in
einer Pilotstudie auf seine Eignung zur Langzeitregistrierung des Schlafverhaltens
der Heimbewohner getestet. Neben der technischen Datenqualität und der
1
Kontakt: Dr. Michael Brach, Haus Ruhrgarten, Mendener Str. 104, 45470 Mülheim an der Ruhr,
email: [email protected]
255
Handhabbarkeit der Anlage stand die Frage im Mittelpunkt, wie Änderungen des
Schlafverhaltens in den Daten sichtbar werden. Diese Änderungen sollten durch eine
gegenüber der Kontrollsituation (A) verlängerte Betreuung am Abend (B) und zum
anderen durch die Applikation von circadian wirksamem, kaltweißem Deckenlicht (C)
hervorgerufen werden.
Methoden
Versuchsanordnung
Es wurden ein Zeitreihenansatz gewählt und bei zwei Heimbewohnerinnen in einem
ersten Kontrollabschnitt (A) und mehreren Experimentalabschnitten Daten erhoben.
Um
zeitbezogene
Effekte
abschätzen
zu
können,
wurde
nach
den
Experimentalabschnitten ein zweiter Kontrollabschnitt (A) angeschlossen.
Als Experimentalabschnitte wurden eine „verlängerte Betreuung am Abend unter
`normaler` Beleuchtung“ (B) und eine „verlängerte Betreuung am Abend unter
kaltweißem
Deckenlicht“
(C)
durchgeführt.
Daraus
ergab
sich
folgendes
Zeitreihendesign: A-B-C-B-A. In A wurden jeweils drei Nächte ausgewertet, in B und
C jeweils 5 Nächte. Die Untersuchung wurde mit zwei an seniler Demenz leidenden
Probandinnen über 3+5+5+5+3=21 Tage fortlaufend durchgeführt. Vor dem Beginn
der Untersuchungen wurden die gesetzlichen Betreuer ausführlich informiert und ihr
schriftliches Einverständnis eingeholt.
Lichttechnik und Betreuung am Abend
Während der gesamten Untersuchung wurden nach dem Abendessen um 18.00h die
notwendigen Pflegehandlungen durchgeführt. In den Kontrollabschnitten wurden die
Bewohnerinnen danach wie üblich aufs Zimmer gebracht. Frau M legte sich in der
Regel ins Bett, während Frau H manchmal eine Zeit lang in Ihrem Sessel sitzend das
Fernsehprogramm verfolgte.
Die Abschnitte B und C bestanden in einem gemeinsamen Video- und Fernsehabend
im Aufenthaltsraum mit beiden Bewohnerinnen und einer Betreuungskraft. Diese
führte ein Protokoll über auftretende Schläfrigkeit, Äußerungen und Wünsche sowie
weitere Besonderheiten, z.B. das Aufsuchen der Toilette.
256
Die Betreuungskraft und die Heimbewohnerinnen saßen gemeinsam nebeneinander
an einem Tisch. Gegenüber wurde der Bildschirm aufgestellt. Über dem Tisch
wurden zwei Deckenleuchten angebracht, die zusammen eine relativ homogene,
quadratische
Lichtquelle
mit
1,2
m
Kantenlänge
bildeten.
Die
vertikale
Beleuchtungsstärke betrug konstant 150 lx in Abschnitt B. In C wurde sie im Verlauf
der ersten 20 min der Abendbetreuung allmählich auf 1600 lx erhöht und verblieb auf
diesem Wert. Die beiden Probandinnen verließen den Fernsehraum zwischen
21.00 h und 22.00 h.
Abb. 1: Prinzip des Dormographen: Druckaufnehmer unter den Bettpfosten [6]
Messinstrumente
Der
Dormograph
benutzt
als
Messverfahren
die
Seismosomnographie
(http://www.seismosomnography.ethz.ch), bei der vier Druckaufnehmer unter den
Bettpfosten
(Abb.
1)
u.
a.
ein
Aktogramm
und
eine
Information
über
Positionsänderungen des Schläfers liefern. Bisher wurde der Dormograph mit
Standardbetten validiert. Pflegebetten stehen auf Rollen und besitzen eine Mechanik
zur Verstellung der Rahmenhöhe und der Neigungen von Kopf- und Fußteil. Weil
dadurch Bewegungen der Matratze anders auf die Unterstützungspunkte verteilt
werden, wurden die für den Einsatz des Dormographen vorgesehenen Betten direkt
am Matratzenrahmen auf maßangefertigte stählerne Bettpfosten geschraubt. Die
Höhenverstellung und die Rollen wurden außer Funktion gesetzt.
Um die Wachheit der Probandinnen tagsüber nach dem Abendprogramm
einzuschätzen, wurden in B und C täglich ein Mini Mental Status [4] und ein
Uhrentest [5] durchgeführt. Außerdem wurde der Pflegeaufwand bei einer
ausgewählten Pflegehandlung beurteilt.
257
Ergebnisse
Es wurden aktographisch nicht unterbrochene Ruhephasen ab 45 min Dauer
ausgewertet. Die Tabelle zeigt die mittlere Anzahl sowie die mittlere Dauer der
einzelnen (EinzDauer) Phase und aller Phasen zusammen (GesDauer). Für Frau M
zeigen sich reversible Änderungen aller drei Schlafparameter: Die verlängerte
Betreuung am Abend (vgl. Spalte 4) führt gegenüber der Kontrollerhebung (Spalte 3)
zu einer geringeren Anzahl an Ruhephasen (2,6 statt 5,0), die jedoch länger
andauern (3,3 h statt 1,9 h). Die Gesamtdauer sinkt um ca. 48 min auf 8,6 h pro
Nacht. Diese Änderungen kehren ihre Richtung um, wenn die Betreuung gegen Ende
der Versuchsserie entfällt (vgl. Spalte 6 mit Spalte 7). Betrachtet man den Einfluss
des hellen Lichts am Abend, stellt man Änderungen zu häufigeren, kürzeren
Ruhephasen fest, die wiederum reversibel sind.
Tab. 1: Ruhephasen ab 45 min Dauer
Kontrolle
Frau M.
Frau H.
Anzahl
GesDauer [h]
EinzDauer [h]
Anzahl
GesDauer [h]
EinzDauer [h]
Betreuung
5,0
9,4
1,9
3,7
4,3
1,2
2,6
8,6
3,3
4,2
4,9
1,4
Betr.+Licht Betreuung
Kontrolle
3,5
3,0
3,3
8,4
9,9
10,3
2,4
3,0
3,1
3,5
2,8
4,0
4,9
3,5
5,1
1,4
1,3
1,3
Auch bei Frau H. verändert sich der Schlaf in den unterschiedlichen Phasen der
Untersuchung. Allerdings kehrt sich bei den hier dargestellten Parametern keine
dieser Veränderungen um, wenn die ursprüngliche Versuchsbedingung vorgegeben
wird. Die Messkurven des Dormographen zeigen, dass die etwas selbständigere
Frau H des öfteren das Bett verließ oder durch die lichtbedingte Aktivierung erst 1-2
Stunden nach Ende der Betreuungszeit zu Bett ging.
In Abb. 2 werden daher die mittleren Summen der drei längsten Ruhephasen einer
Nacht aufgetragen. Hier zeigt Frau H. nach Abenden mit Lichtapplikation um 16%
bzw. 35% längere Ruhephasen als in der Betreuungsphase ohne helles Licht davor
bzw. danach. Frau M. weist in Abb. 2 die schon besprochene umgekehrte Reaktion
auf.
258
Die Verhaltensbeobachtung zeigte bei Frau M keine Unterschiede, bei Frau H
tendenzielle Verbesserungen in Phase BC, die allerdings nicht umkehrbar waren.
Diskussion
Die im Dormographen realisierte Seismosomnographie hat sich als geeignetes
Instrument zur Langzeitbeurteilung des Schlafverhaltens verwirrter Demenzkranker
erwiesen.
Der
größte
Vorteil
besteht
in
der
rückwirkungsfreien
und
vollautomatisierbaren Messung. Die Pflegebedürftigen werden in keiner Weise durch
anzulegende Geräte, besondere Tests o.ä. beeinträchtigt. Die netzwerkfähige
Computerstützung
des
Dormographen
erlaubt
darüber
hinaus
eine
Echtzeitverarbeitung mit Übertragung in einen anderen Raum, z.B. Meldungen über
Sturzgefahr durch das nächtliche Verlassen des Bettes in das Dienstzimmer der
Pflegekräfte. Weitere Möglichkeiten wie die Ermittlung von Herz- und Atemfrequenz
sind im Labor mit Standardbetten schon gelungen und können ggfs. für Messungen
an Pflegebetten angepasst werden.
259
Gesamtdauer der drei längsten Ruhezeiten
600
550
500
450
Minuten
400
350
Frau M.
300
Frau H.
250
200
150
100
50
0
Kontrolle
Betreuung
Betr. +
Licht
Betreuung
Kontrolle
Abb. 2
Bei den eingesetzten Dormographen handelt es sich um zwei Prototypen, die nur
eine begrenzte Zeit zur Verfügung standen. Die Pilotstudie zeigt, dass der
Dormograph generell die für die Evaluation der geplanten lichtbezogenen
Interventionen nötige Empfindlichkeit besitzt. Änderungen des Schlafverhaltens
korrelieren in den untersuchten Einzelfällen mit Änderungen der Beleuchtung.
Ein Ziel der Hauptuntersuchung wird es sein, wünschenswerte Änderungen des
Schlafverhaltens gezielt auszulösen, z. B. nächtliche Schlafunterbrechnungen zu
reduzieren oder den Beginn des Nachtschlafs auf eine günstigere Zeit zu
verschieben. Solche Wirkungen sollen in mehrmonatigen Aufzeichnungen an einer
hinreichend großen Zahl von Probanden überprüft werden.
Danksagung
Wir danken Dr. Christoph Schierz und Dr. Mark Brink (ETH Zürich, Institut für
Arbeitsphysiologie) herzlich für die zeitweise Überlassung von zwei Prototypen des
Dormographen und die großzügig gewährte Hilfe und technische Unterstützung.
Außerdem möchten wir uns bei Dipl.-Ing. Gisbert Schubert (Fa. Tridonic) für die
260
computergestützte Lichtsteuerung und bei Fa. Zumtobel Staff für die Unterstützung
bei der Installation und Wartung der Lichtdecken bedanken.
Literatur
[1]
W. Ehrenstein: Management der Retinabelichtung. 4. Symposium Licht und
Gesundheit am 26. und 27. Febr. 2004, TU Berlin.
[2]
W. Ehrenstein: Es werde Licht! Doppelpunkt (2003), H. 3.
[3]
Baunetz (ohne Autor): Haus Ruhrgarten, Mülheim a. d. Ruhr, Umbau.
Integrative Lichtplanung als Therapiekonzept in der gerontopsychiatrischen
Pflege.
Internet-Quelle
[http://www.baunetz.de/sixcms_4/sixcms/detail.php?object_id=12&area_id=119
8&id=108092, abgerufen am 23.1.2004]
[4]
M. F. Folstein, S. E. Folstein & P. R. McHugh: Mini-Mental State: A practical
method or grading the state of patients for the clinician. Journal of psychiatry
research 12 (1975), S. 189-198.
[5]
K. I. Shulman, R. Shedletsky & I. Silver: The challenge of time: clock drawing
and cognitive function in the elderly. International journal of geriatric psychiatry
1 (1986), 135-140.
[6]
M. Brink, K. Wirth & Ch. Schierz: Seismosomnography as a new method for
ambulatory monitoring of physiological reactions during sleep. Proceedings des
8. Kongresses der Schweizerischen Gesellschaft für Psychologie. Universität
Bern, 14.- 15.10.2003.
[7]
S. Ancoli-Israel: The effect of light on sleep, rhythms and behavior in
Alzheimer's disease. Chronobiology International 19 (2002), No. 5, pp. 963
1000.
[8]
C. Singer, R. E. Tractenberg, J. Kaye, K. Schäfer, A. Gamst, M. Grundman, R.
homas, L. J. Thal: Multicenter, placebo-controlled trial of melatonin for sleep
disturbance in Alzheimer's disease. Sleep 26 (2003), 893-901.
261
Licht, Gesundheit und Bewusstsein
Was ist Lichtqualität?
Lange Zeit, so scheint es, hat es seit der allgemeinen Einführung des elektrischen
Lichtes Ende des 19. Jahrhunderts von Seiten der Fachleute keine besondern
Überlegungen gegeben, inwiefern nun dieses künstliche Licht, mit seinen Teils
erheblichen Veränderungen dem natürlichen Tageslicht gegenüber, Konsequenzen
auf das Gefühlsleben, die Gesundheit oder das Bewußtsein von Mensch und Tier
haben könnte.
Erst in den letzten Jahren tauchen in diesem Zusammenhang immer mehr Beiträge
mit dem Thema Licht und Gesundheit auf. Wenn man sich diese Beiträge genauer
anschaut, stellt man fest, dass dieses Thema oft aus sehr unterschiedlichen
Perspektiven betrachtet wird. Die Bandbreite erstreckt sich von der Warnung vor
dem schädlichen Einfluss von UV-Strahlen für die Augen und die Haut, über den
Einfluss von Schichtarbeit und Lichtmangel auf den Biorhythmus, bis hin zum
weitverbreiteten Phänomen der Winterdepressionen und der Rolle die das (fehlende)
Tageslicht dabei spielt.
In diesen Beiträgen wird auch immer wieder das Wort Lichtqualität verwendet, auf
eine Weise als wäre dieser Begriff definiert und wüsste jeder sofort was darunter zu
verstehen ist.
In Wirklichkeit gibt es aber weder in der Optischen Physik noch in der praktischen
Elektrizitätslehre eine Definition was unter Lichtqualität zu verstehen ist.
Auf der anderen Seite gibt es ungefähr ebenso lange, wie man sich den
Diskussionen über die Beziehung von Licht und Gesundheit in Fachkreisen vermehrt
widmet, eine Debatte, die hauptsächlich von den Architekten angestoßen wurde,
über die Wichtigkeit von ausreichend natürlichem Tageslicht. Es hat sich sogar ein
ganz
neuer
Industriezweig
herausgebildet,
die
Tageslichtlenkung
und
Tageslichtarchitektur, mit beachtlichen Zuwachsraten.
Wir haben also die Situation, dass es einerseits von Seiten der Lichtindustrie, der
Medizin und Physik keine Festlegung, geschweige denn Übereinstimmung gibt, was
262
nun Lichtqualität im Eigentlichen ist, andererseits wird der Ruf nach Tageslicht- oder
Sonnenlichtqualität immer lauter.
Diese Begriffsunklarheit führte in der Beleuchtungspraxis dazu, dass sehr häufig
quantitative Aspekte wie Helligkeit, Leuchtdichte, Lichtfarbe, Farbtemperatur mit
Lichtqualität gleichgesetzt wurde. Verstärkt wurde diese Tendenz durch die
Fortschritte in der Behandlung von Winterdepressionen, indem man praktisch
nachweisen konnte, dass fluoreszierendes Licht einer besonderen Helligkeit
vorzugsweise 10 000 Lux, regelmäßig und für eine ganz bestimmte Dauer zugeführt,
in der Lage ist, bei ca. 80% der Anwender die Symptome, wo nicht vollständig zum
Verschwinden zu bringen, so doch deutlich zu reduzieren. Dabei wurden
Lichttherapiegeräte mit Dreibandenröhren und solche mit Fünfbandenröhren getestet
und man stellte fest ( Müller, Henkel, Fisch 1997 ) dass dabei die Unterschiede in
den Spektren der verwendeten Leuchtmittel keine ausschlaggebende Rolle für den
antidepressiven Effekt spielte. Also schlossen einige Mediziner daraus, dass es nicht
die Lichtquellen mit ihrer spezifischen spektralen Zusammensetzung sind, sondern
nur die Lichtmenge, die den Wert einer Beleuchtung ausmacht. So konnte es
kommen, dass Schlafforscher und Psychiater sich berufen fühlten ihre Stimme im
Chor der Lichtexperten zu erheben.
Das Licht in unserer Umwelt
Da diese falsche Schlussfolgerung im Wesentlichen mit dem übereinstimmt, was die
Lichtindustrie ebenfalls seit Beginn des Zeitalter des elektrischen Lichtes nicht nur
als
theoretische
Tatsache
erklärt,
sondern
in
unserer
aller
Umwelt
als
allgegenwärtige künstliche Lichtwelt manifestiert, könnte man sich Fragen, wo dann
das Problem liege.
Nun das Problem liegt darin, dass es ca. 90 Jahre Gewöhnungszeit seit der
Einführung des Leuchtstofflampenlichtes nicht geschafft haben, dass wir Menschen
uns mit dieser Art Beleuchtung wirklich gefühlsmäßig anfreunden konnten. Denn
nicht anders lässt es sich erklären, dass Leuchtstofflampenlicht oder „ Neonlicht“ wie
es fälschlicherweise im Sprachgebrauch oft bezeichnet wird ( Neon ist ein Edelgas,
das nur rot leuchtet, z.B. in Leuchtreklamen ) geradezu das Synonym für
263
unfreundliche, stimmungsarme
Arbeits- und Lebensverhältnisse geworden ist. In
vielen Science-Fiction-Büchern und Filmen taucht eine solche Beleuchtung in
überkarikierter Form immer dort auf, wo die Feinde der Menschheit und des Lebens
ihre finsteren Machenschaften treiben.
Des weiteren müssten auch immer wieder gemachte Untersuchungen zu denken
geben, nach denen bis über 50% der Befragten die ( künstlichen ) Lichtverhältnisse
ihrer Bürobeleuchtung als unangenehm, ja krankmachend empfinden. Eine der
jüngsten Studien ( Wilkins 1989 ) konnte nachweisen, dass die auftretenden
Gesundheitsstörungen einer Belegschaft in direktem Zusammenhang stand zur
Menge des hereinfallenden Tageslichtes, das die Schreibtische erreichte. In der
gleichen Studie wurde festgestellt, dass schon der einfache Austausch der 50 HertzFlimmervorschaltgeräte gegen sogenannte „Elektronische Vorschaltgeräte“ die
Kopfschmerzen deutlich senken konnte. Cakir und Reuter ( 1978 ) hatten bei ihren
Untersuchungen an 1021 ( ! ) Arbeitsplätzen eine starke visuelle Belastung von
Büromitarbeitern,
insbesondere
in
Verbindung
mit
Bildschirmarbeitsplätzen
festgestellt. Zwischen Intensität der Beleuchtung und auftretenden Beschwerden wie
Kopfschmerzen war bei jeder der untersuchten Tätigkeiten ein signifikanter
Zusammenhang, ebenso zwischen der Art der verwendeten Beleuchtung, nämlich
Leuchtstofflampen, und der Beschwerden. Noch weit höher sind die Belastungen
und Krankheiten bei Schichtarbeitern, die gänzlich auf künstliches Licht angewiesen
sind, nämlich z.T. bis zu 95%, was auch ein Beweis ist, dass der Mensch nicht über
einen längeren Zeitraum gegen die uns von der Natur vorgegebenen Biorhythmen
leben kann. Die dabei immer wieder festgestellten Symptome reichen von vorzeitiger
Ermüdung,
Benommenheit,
trockenen
Augen,
Nervosität,
Kopfschmerzen,
Energielosigkeit, Stresssymptomen, Augenflimmern, Lidzittern bis hin zu Migräne
und Bindehautentzündungen. Zwar werden diese Zusammenhänge nach wie vor von
der Lampen- und Elektroindustrie nicht zur Kenntnis genommen, aber macht man
sich einmal selbst die Mühe die Menschen in den Büros oder Werkhallen nach ihren
Erfahrungen zu befragen, so stellt man immer wieder fest, dass sich viele Menschen
des Zusammenhangs zwischen ihren diversen Beschwerden und der vorhandenen
künstlichen
Beleuchtung
klarer
bewusst
sind,
als
es
vielen
Lichtplanern,
Elektroingenieuren und Entwicklungsingenieuren, aber auch den Firmenchefs lieb
sein kann.
264
Also
die
Frage
nach
den
Zusammenhängen
zwischen
Licht
und
Gesundheitsstörungen ist nicht nur bemerkenswert, es schreit förmlich nach unserer
Aufmerksamkeit. Empirisch wäre es fast passender, bei künstlicher Beleuchtung von
„Licht und Krankheit“ zu sprechen.
Was aber könnte die Alternative sein, da wir ja doch in hohem Maße auf das
elektrische Licht angewiesen sind, außer dass wir alle dazu übergehen würden nur
noch mit ausreichend Tageslicht zu arbeiten und dann nach Hause gehen, wenn die
Sonne untergeht, so wie es vielleicht noch unsere Vorfahren mit großem Nutzen für
ihre Gesundheit, Zufriedenheit und Ausgeglichenheit praktiziert haben.
Alles Leben kommt von der Sonne
Es gibt aber noch einen anderen Ansatz als die bereits erwähnten, sich dem
anspruchsvollen Thema Licht und Gesundheit anzunähern. Dazu müssen wir uns
aber von der vertrauten Vorstellung verabschieden, dass wenn wir von Licht
sprechen, jeder sofort weiß, was damit gemeint ist. Licht und das müssen alle
ernstzunehmenden Physiker heute zugeben, hat sein innerstes Geheimnis noch
nicht preisgegeben. Dies musste selbst ein Albert Einstein am Ende seines Lebens
in aller Demut bekennen als er feststellte: “Fünfzig Jahre intensiven Nachdenkens
haben mich der Antwort auf die Frage `Was sind Lichtquanten` nicht näher gebracht.
Natürlich bildet sich heute jeder Wicht ein, er wisse die Antwort. Doch da täuscht er
sich.“ Einige grundlegende Widersprüche z. B. zwischen der Wellennatur und dem
Teilchencharakter
des
Lichtes
konnten
bis
heute
durch
die
offizielle
Naturwissenschaft nicht gelöst werden.
Ähnlich wie in der Lichttechnik ist es auch in der Medizin. Lange Zeit schien es so,
dass der Zusammenhang zwischen Licht und unserer Gesundheit kein besonderes
Thema für die offizielle medizinische Forschung war. Erst seit 20 bis 30 Jahren
werden immer mehr Untersuchungen veröffentlicht, die sich mit diesen so vitalen
Zusammenhängen beschäftigen. „Alles Leben auf der Erde kommt vom Licht der
Sonne“ drückte es der Physiknobelpreisträger Albert Szent-Györgyi aus. Heute
wissen wir, dass die Informationen mit denen die Vorgänge in den Zellen gesteuert
und geregelt werden, mit Lichtenergie, den Biophotonen, übermittelt werden. Unser
gesamter Körper besteht im Kern aus diesem Lebenslicht und wenn wir uns Nahrung
265
zuführen, dann ernähren wir uns letztlich von dem darin gespeicherten Sonnenlicht.
Licht ist Leben und wir Menschen sind Lichtwesen! Das ist seit den bahnbrechenden
Forschungen des deutschen Biophysikers Dr. Fritz-Albert Popp amtlich. Ganz
erstaunlich, dass selbst kein geringerer als Sir Isaac Newton, der Vater der
modernen wissenschaftlichen Lichttheorie diese Zusammenhänge erahnte, als er
bereits im 17. Jahrhundert schrieb: „Wäre es nicht denkbar, dass die Stoffe und das
Licht sich ineinander umwandeln, und wäre es nicht auch möglich, dass die Stoffe
den größten Teil ihrer aktiven Kräfte aus den in ihrer Zusammensetzung
eingegangenen Lichtpartikeln beziehen? Könnte nicht das Licht das Grundprinzip
sein, das alle Aktivität der Stoffe steuert?“
Wenn wir also Lichtqualität definieren wollen, dann kommen wir als vernunftbegabte
Wesen gar nicht daran vorbei, uns an dem Licht der Sonne zu orientieren. Ihr
spezielles Strahlengemisch ist für alle Lebewesen auf der Erde, ob Pflanze, Tier oder
Mensch das Maß aller Dinge. Unsere liebe Sonne ist das Symbol schlechthin für
alles Schöne, Gute, Wahre
und nicht zuletzt auch Gesunde. Es gibt zahlreiche
Bücher und Studien, die detailliert und fundiert nachweisen können, wie die
Strahlungszusammensetzung
des
Sonnenlichtes
nicht
nur
eine
notwendige
Vorraussetzung zur Erhaltung von Gesundheit und Lebensfreude ist, sondern sowohl
weißes Sonnenlicht, als auch einzelne Farbfrequenzen aus ihrem Spektrum, in der
Lage sind, eine angegriffene Gesundheit wiederherzustellen und sogar schwere
Krankheiten wie Tuberkulose, Rachitis, Psoriasis usw. zu heilen. Liegt es da nicht auf
der Hand, dass wir als Maßstab für Lichtqualität in Zusammenhang mit Gesundheit
und Wohlbefinden uns ganz einfach das Sonnenlicht mit seinen Spektralfarben,
seiner Farbtemperatur und seiner Helligkeit zum Vorbild nehmen?
Kunstlicht mit Qualitätsanspruch
Einer der ersten, der dies verstanden und die Konsequenzen daraus gezogen hat,
war Dr. John Ott. Er entwickelte, nachdem er jahrelang Experimente mit künstlichen
Lichtquellen gemacht hatte, um Wachstum, Verhalten und Gesundheit von Pflanzen
und Tieren zu beeinflussen, zusammen mit der Raumfahrtbehörde NASA eine
Lichtquelle, die sich von vorne herein am Lichtspektrum und der Lichtfarbe des
Sonnenlichtes zur Tagesmitte orientierte. Zwar gelang die Simulation nicht
266
vollständig, wie auch nicht zu erwarten war, aber das Ergebnis war zumindest für
seine Pflanzenzuchten, die er für seine Zeitrafferaufnahmen für „Walt Disney
Pictures“ benötigte, durchschlagend. Endlich konnte er mit künstlichem Licht
vergleichbare Ergebnisse erzielen, wie unter wechselhaften
und daher für
reproduzierbare Ergebnisse unbrauchbaren Tageslichtbedingungen.
Seit dieser Zeit, es war Ende der sechziger
sonnenlichtähnlichen
Lichtquellen
oder
Jahre, haben sich diese
„Vollspektrumlampen“
wie
sie
heute
allgemein bezeichnet werden, auch für den Menschen bewährt. Es gibt zahlreiche
Untersuchungen, besonders aus den anglo-amerikanischen Ländern aber auch im
deutschsprachigen Raum ( Boyce 1998, Cakir 1987, 1981,1990, Corth 1984, Davies
1985, Downing 1988, East 1939, Grangaard 1993, Hargreaves und Thompson 1989,
Hollwich 1972, 1980, 1982, Hughes 1981, Karnstedt 1999, Lamola 1985, Maas 1974,
Neer 1985, Ott 1985, Ozaki 1979, Sharon 1971, Sydoriak 1984, Thorington 1971,
1985, Volkova 1967, Wilkins 1989, Wohlfarth 1986, Wurtman, 1969, 1970, 1975,
Zumkova
1966
)
welche
die
positiven
Wirkungen
von
Sonnenlicht,
Vollspektrumlampen und U.V. Strahlern auf Gesundheit und Wohlbefinden
nachweisen konnten.
Diese Ergebnisse sind für denjenigen, der sich ernsthaft mit der Thematik
auseinandersetzen möchte, im Informationszeitalter leicht zugänglich. Aber wie ein
altes Sprichwort etwas abgewandelt lautet
“Ich sehe nur das, was ich glaube“,
haben dies Fakten nicht dazu führen können, dass im Grossen sich die
Beleuchtungspraxis in den Schulen, Büroräumen oder Fabrikhallen weder in
Deutschland noch sonstwo auf der Welt wesentlich geändert hätte.
Menschliches Bewusstsein und Erkenntnisfähigkeit
Die Frage, die sich dem aufmerksamen Beobachter
bei diesem merkwürdigen
Widerspruch aufdrängt ist, wie kann es sein, dass über so offensichtliche
Zusammenhänge soviel Unwissenheit und Betriebsblindheit gerade bei den
Fachleuten herrschen kann?
Nach langem und intensivem Nachdenken über dieses Phänomen hat sich uns eine
Erklärung aus einer ganz anderen Richtung aufgetan, als man zunächst vermuten
267
würde. Dazu müssen wir allerdings den Bereich der physikalischen Theorien, die ja,
wie wir spätestens seit der Quantenphysik und
Heisenbergs Unschärferelation
wissen, so klar und eindeutig gar nicht sind, verlassen. Und auch die komplizierte
Welt der DIN-Normen und technischen Begrifflichkeiten helfen uns hier nicht weiter,
wir müssen uns dem Menschen selbst und der Frage nach dem Bewusstsein
zuwenden. Ein tschechischer Freund sagte mir einmal, dass es im tschechischen
das Wort „Bewusstsein“ überhaupt nicht gibt. Was ist in diesem Zusammenhang also
überhaupt unter Bewusstsein zu verstehen? Umständlich könnte man definieren:
Bewusstsein ist dasjenige Erkenntnisorgan in uns, was in der Lage ist hinter den
sinnlichen Erscheinungen und Ereignissen, die Ideen oder geistigen Prinzipien
wahrzunehmen und in ein sinnstiftendes Gesamtsystem der Wirklichkeit zu stellen.
Oder einfacher ausgedrückt: Bewusstsein ist die Erfahrung von Licht in allen
Erscheinungsformen verbunden mit der Qualität der Freude.
Wir westlichen Menschen neigen ja durch unsere Prägung dazu theoretisches
Wissen mit Erfahrungswissen gleichzusetzen. Es muss in diesem Zusammenhang
die Frage zu stellen erlaubt sein, über wie viel persönliche und praktische Erfahrung
verfügt der Forscher der sich wissenschaftlich mit dem Medium Licht beschäftigt. Hat
er über längere Zeit, vielleicht über viele Jahre, Erfahrungen mit diesem Urstoff
gemacht und eigene Beobachtungen angestellt? So wie Goethe als Naturforscher
seine Methode entwickelt hat, die ausgehend von der sinnlichen Anschauung und
Beobachtung
der
Naturphänomene,
zur
Einsicht
über
die
immanenten
Zusammenhänge und schließlich zur Schlussfolgerung kommt. Von der Betrachtung
eines
Einzelphänomens
über
die
Definition
der
Gesetzmäßigkeiten
und
Zusammenfassung in Gruppen oder Arten, bis zu den Urideen Gottes, die
gleichnißhaft hinter allen Erscheinungsformen stehen. „Die vollkommenste Heilige
Schrift und das umfassendste Weisheitsbuch ist die Natur selbst“ ( Hazrat Inayat
Khan ). Damit sind wir wieder beim Qualitätsbegriff und bei der Frage nach Sinn und
Moral, ohne die auch die objektivste Wissenschaft nicht auskommen wird,
angekommen. Dieser Frage mussten sich auch all jene Forscher die an der
Atomspaltung mitgewirkt hatten, spätestens dann stellen, als die erste Atombombe
der Geschichte, die im Kriegsfall eingesetzt wurde, über Hiroshima abgeworfen
wurde.
Auch das Licht als Gestaltungsmittel und Gebrauchsgegenstand des täglichen
Lebens kann nicht unabhängig von seinen Wirkungen auf die Physiologie und die
268
Psyche des Menschen betrachtet werden. Damit kommen wir zu dem Aspekt der
subjektiven Wahrnehmung. Licht hat etwas mit dem Bewußtsein des Empfängers zu
tun.
Wir
wissen
heute,
dass
das
50
Hertz-Wechselstromflimmern
der
Käfigbeleuchtung für das arme Huhn einer Legebatterie eine Art von Folter darstellt,
weil es in der Lage ist dieses Flimmern wahrzunehmen. Für das Huhn hat das einen
ähnlichen Effekt wie für uns Menschen die stroboskopischen Discolichtblitze. Bienen
und Insekten, lehren uns die Zoologen, sind in der Lage UV-Licht zu sehen, ähnlich
wie Fledermäuse in der Lage sind Tonfrequenzen zu hören, die für unser
menschliches Ohr nicht mehr wahrnehmbar sind.
Bei uns Menschen kennen wir das Phänomen der Farbblindheit. Die Augen der
Farbblinden
sind
anatomisch
genau
so
beschaffen,
wie
diejenigen
eines
Farbsichtigen. Wie kann es dann sein, dass er trotzdem nicht in der Lage ist z.B. ein
Grün von einem Rot zu unterscheiden? Weil es neben den physikalischen und
anatomischen Gegebenheiten noch einen weiteren entscheidenden Faktor gibt, der
unsere Wahrnehmung bestimmt. Dieser Faktor ist das individuelle Bewusstsein. Es
ist dasjenige Organ in uns, physikalisch oder geistig, das in der Lage ist, das mit der
Kamera des Auges wahrgenommene, richtig zu interpretieren und vielleicht sich
sogar an der Qualität des Gesehenen zu erfreuen.
Materielles Licht und geistiges Licht
Ein Missionar berichtete, dass er einer Gruppe von Eingeborenen einen 8mmSchmalfilm in schwarz-weiß mit eher banalem Inhalt vorführte, um sie zu unterhalten.
Als er seine Zuschauer nach der Vorführung fragte, wie es ihnen gefallen hätte,
nickten sie zustimmend, konnten aber über das Gesehene nichts inhaltliches
aussagen. Erst nach mehrmaligem Nachfragen fand er heraus, dass sie nur ein
bewegtes Hell- und Dunkelgeflimmer wahrgenommen hatten, aber sozusagen die
Sprache der Bilder nicht lesen konnten. Das im Film festgehaltene war Ihnen kein
Abbild der Wirklichkeit.
Von einem anderen sehr beeindruckenden
Erlebniß mit Blindgeborenen, denen
durch eine Augenoperation die Möglichkeit zum Sehen wiedergegeben wurden,
schreibt
Arthur Zajonc, amerikanischer Physikprofessor am Amherst Institut of
269
Massachusetts, Spezialist für Quantenoptik in seinem beachtenswerten Buch : „Die
gemeinsame Geschichte von Licht und Bewusstsein“. Die meisten dieser Menschen
hatten nach ihrem Eingriff ein vollfunktionsfähiges Auge und trotzdem gelang es
Ihnen nicht wirklich sehen zu lernen. Darin zeigt es sich, dass zum Sehen weit mehr
nötig ist als ein funktionierendes Sehrorgan. Ohne ein inneres Licht, ohne ein
gestaltgebendes inneres Vorstellungsvermögen sind wir blind!
Das Auge ist zum Sehen auf diese Vorstellungskraft angewiesen. Wir müssen erst
lernen zu sehen und dieses Lernen ist nicht unabhängig von unserem Umfeld in dem
wir aufwachsen. Unsere Vorstellungskraft und die Art wie wir die Wirklichkeit
wahrnehmen ist von unserer Kultur und der uns umgebenden „Weltanschauung“,
wie das deutsche Wort so treffend seinen inneren Sinn freigibt, abhängig. Wir
werden für uns kaum wahrnehmbar indoktriniert von der Gesellschaft, unseren Eltern
und Erziehern, die Welt auf eine bestimmte Art wahrzunehmen. Wenn wir einen
Baum, ein Haus oder einen Omnibus sehen, dann sehen wir nicht nur dieses Objekt,
so wie es in seiner Farbe, Form, Größe usw. im dreidimensionalen Raum existiert,
wir sehen damit gleichzeitig das, was wir gelernt haben mit diesem Objekt inhaltlich
zu verbinden. Wir geben dem Objekt einen Namen, wir formen einen Begriff und mit
dieser Begrifflichkeit wird das unmittelbare Empfinden der Sache an sich gedämpft.
Es hat eine Verlagerung stattgefunden von der Sinneswahrnehmung hin zum
Denken. Wir haben erneut von der Frucht des Baumes der Erkenntnis gegessen und
die Frucht des Baumes des Lebens verschmäht. Damit wird unsere unmittelbare
Wahrnehmung reduziert. Trotzdem sind wird der Meinung durch den Begriff haben
wir auch die Sache verstanden. Ähnlich verhält es sich mit unserer Erkenntnisbildung
nach den Maßstäben der „objektiven Naturwissenschaft“. Wenn wir z. B. ein
Naturphänomen erforschen wollen, um daraus ein Naturgesetz abzuleiten, so
versucht die etablierte Wissenschaft dies mit toten Apparaten und Messinstrumenten
um möglichst eine objektives und reproduzierbares Ergebnis unabhängig von
unserer menschlichen Wahrnehmung und Einflussnahme zu erreichen. Nun ist es
aber so, dass viele ja die allermeisten wissenschaftlichen Gesetzmäßigkeiten von
einem Denker erst über die Mathematik oder reines Nachdenken entdeckt und zu
einer Theorie entwickelt wurden, bevor man überhaupt in der Lage war sie durch
praktische reproduzierbare Versuche nachzuweisen. In diesem Zusammenhang ist
es aufschlussreich, wenn man weiß, dass das Wort „Theorie“ in seinem
ursprünglichen Sinn nicht ein trockenes Denkkonzept bedeutet, sondern das
270
Schauen als einer Art göttlicher Offenbarung meint. Die Quantenphysiker mussten
feststellen, dass je mehr man in den subatomaren Bereich hineinging, überhaupt
keine Eindeutigkeit in Bezug auf Stofflichkeit oder Kausalität der Materie mehr
festzustellen war, ja das Ergebnis konnte nicht unabhängig vom Forscher betrachtet
werden. Der Forscher selbst beeinflusst mit seinem Denken, Erwartungen und
Bewusstsein das Ergebnis.
Kann man Lichtqualität im Labor nachweisen?
Wenn eine neue Technik eingeführt wird und unter dem Verdacht steht
gesundheitsschädlich
zu
sein,
so
kann
man
in
unserer
westlichen
Industriegesellschaft, in der die wirtschaftliche Macht gleichzeitig das Monopol der
Meinungsbildung hat, ein immerwiederkehrendes Phänomen beobachten, was schon
fast rituellen Charakter hat. Es werden zu den hervorgebrachten Bedenken sofort
Gegengutachten
erstellt,
die
natürlich
eine
gesundheitliche
Gefährdung
wissenschaftlich nicht nachweisen können. So auch im Falle der Beleuchtung mit
künstlichem Licht.
Bereits
in den 50er Jahren wurde von Medizinern bemerkt, dass künstliche
Beleuchtung mit Leuchtstofflampen diverse Beschwerden wie Kopfschmerzen,
Bindehautentzündungen, vorzeitige Ermüdung usw. verursachen. Daraufhin wurden
sofort von Vertretern der Lichttechnik und Arbeitsphysiologen Gegengutachten
erstellt z. B. unter dem Titel „Die angeblichen Sehstörungen bei Beleuchtung durch
Entladungslampen “ ( Schober 1950, und noch mal 1954 ) in denen ein
Zusammenhang
zwischen
künstlicher
Beleuchtung
und
Augenbeschwerden
zurückgewiesen wurde. Zehn Jahre nach dieser Denkschrift haben Hartmann ( der
Nachfolger von Schober ) und Müller-Limmroth, ein bekannter Arbeitsphysiologe,
dessen Name immer wieder in Verbindung mit gesponserten Gutachten auftaucht,
ihren Inhalt voll abgesegnet und unter anderem festgestellt: „Bei gleicher Lichtfarbe
gibt es keinen Grund für eine unterschiedliche biologische Wirkung von
Glühlampenlicht und Leuchtstofflampenlicht.“ Man wird dabei als aufmerksamer
Beobachter den Eindruck nicht los, dass das Ergebnis dessen, was man
untersuchen
will,
von
vorneherein
schon
feststeht.
Eine
der
jüngsten
271
Untersuchungen zu diesem Thema, durchgeführt von der Technischen Universität
Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Lichttechnik hatte den Titel
„Beleuchtungsrelevante
Aspekte
bei
der
Auswahl
eines
förderlichen
Lampenspektrums“.
( siehe Fachzeitschrift „Licht“ 7/8 2002 ). Es wird nicht eindeutig klar, worauf der
Begriff förderlich sich bezieht. Die Antwort wird nur vage in Beziehung zu den
circadianen Rhythmen angedeutet. Auf alle Fälle liegt in dem Wort „förderlich“ bereits
eine qualitative Bewertung enthalten. Also wieder sehen wir, dass wir an der
Einbeziehung der qualitativen Komponente von Licht und Beleuchtung nicht
vorbeikommen, wenn es um gesundheitliche Aspekte geht. Des weiteren beeindruckt
in der Untersuchung die große Zahl von, für einen Nichtphysiker kaum
verständlichen, Formeln und Diagrammen, die eine fast einschüchternde Objektivität
ausstrahlen. Wenn man sich aber dann doch die Mühe macht sich durch den Inhalt
zu arbeiten, so weit dies möglich ist, da dabei mit einigen Begriffen und Formeln
gearbeitet wird, die anscheinend zum ersten mal eingeführt wurden, so ist es doch
ein lohnendes Unterfangen, weil man mit dem praktischen Sachverstand eines
Lichtplaners, der sich viele Jahre mit dem Zusammenhang zwischen Licht und
Gesundheit beschäftigt, auf einige Ungereimtheiten stößt. Darauf im einzelnen
einzugehen, würde den Rahmen dieser Betrachtung sprengen.
Was auch hier wieder auffällt, ist der Glaube durch möglichst große Distanzierung
mittels scheinbar objektiver physikalischer Fakten und Formeln, der Frage der
Lichtqualität auf die Spur zu kommen. Der Baum der Erkenntnis lässt grüßen. Es
wird zwar eine frühere Studie nach Herrn Dr. Schierz von der ETH Zürich an
lebenden Menschen erwähnt und mit ein paar Diagrammen unterlegt, allerdings
ohne genauere Angaben über Untersuchungsaufbau, Technisch Daten, Zeitrahmen
und Teilnehmerzahl. Trotzdem wird ein scheinbar eindeutiges Ergebnis präsentiert,
nämlich derart, dass die warmweiße Sechsbandenlampen mit dem „vollen Spektrum“
wie es heißt, bei einer Befragung nach Verträglichkeit, Wohlgefühl, Sehleistung,
Ermüdung usw., schlechter abschnitten als eine neutralweiße Drei-Banden-Lampe.
Die Frage nach den Rahmenbedingungen wäre aber hier ein ganz entscheidender,
weil jeder Lichtpraktiker und Physiologe wissen sollte, dass sich Augen, Gehirn und
alle
damit
verbundenen
Funktionen,
besonders
das
gesamte
vegetative
Nervensystem, immer genau auf diejenigen Lichtbedingungen einstellen, die ihnen
von außen angeboten werden. Selbst wenn dies schlecht verträgliche und
272
krankmachende Einflüsse sind, die eingebaute Intelligenz des Körpers versucht
immer das Beste daraus zu machen. Wenn man nun aber abrupt das
Beleuchtungsniveau wechselt, wie bei dem Versuch offensichtlich geschehen,
nämlich von der gewohnten Beleuchtung der Probanten zur Versuchsbeleuchtung
und dann anscheinend noch innerhalb der Studie selbst
zwischen zwei
verschiedenen Lichtfarben nämlich warmweiß und neutralweiß, so gerät das
Physiologische System durcheinander. Es kann in dieser kurzen Zeit dann auch
keine Anpassung stattfinden, selbst wenn die Beleuchtung in der Qualität verbessert
werden würde.
Des weiteren stellt sich die Frage warum bei dieser Untersuchung von Dr. Schierz
keine der bekannten Vollspektrumlampen mit Tageslichtcharakter herangezogen
worden sind, die alle nur im Bereich einer Farbthemperatur zwischen 5500 und
6500° Kelvin strahlen, eben sinnvollerweise tageslichtähnlich, wenn man schon
Sechsbandenlampen verwendet. Verfolgt man die Studie von Dr. Gall weiter, so fällt
auf, dass zwar bei den abgebildeten Strahlungsverteilungskurven das Spektrum der
bei uns bekanntesten Vollspektrumlampe, nämlich True-Light, eindeutig am
breitesten ist und die gesättigtsten Farbanteile aufweist, trotzdem aber schneidet sie
dann bei der Ermittlung des Farbwiedergabeindexes mit Ra 79 deutlich schlechter ab
als die ebenfalls getestete neutralweiße Leuchtstofflampe herkömmlicher Bauart mit
Ra 93 ( Ra 100 steht für Normlicht oder Tageslicht also bestmögliche
Farbwiedergabe ). Dies wiederspricht allen Gesetzen der Physik, nach denen ja nur
diejenigen Farben eines Objektes korrekt wiedergegeben werden können, die auch
in der Lichtquelle vorhanden sind. Auf meine diesbezügliche Nachfrage, wie das sein
kann, konnte mir der Leiter der Untersuchung Dr. Gall keine Antwort geben.
Allerdings weist er in seinem Abschlussbericht darauf hin, dass selbst den
Glühlampen auch für den blauen Bereich des Spektrums nach den Festlegungen der
Farbwiedergabeindizes der staatlichen Beleuchtungskommissionen eine exzellente
Farbwiedergabe bescheinigt wird, obwohl doch jedes Kind weiß, dass z.B. eine blaue
Blume unter dem Licht einer Glühlampe wie violett erscheint. Also auch hier werden
Normen aufgestellt um eine Objektivität und Sicherheit vorzugaukeln, die es in
Wirklichkeit gar nicht gibt. Die zitierten warmweißen Lampen kommen zudem im
allgemeinen Beleuchtungsalltag faktisch gar nicht vor. Dass man auch zu anderen
Ergebnissen kommen kann, beweist dagegen eine unabhängige, also nicht von der
Lampenindustrie gesponserte Studie des Jahres 1980 von Prof. Dr. Hollwich,
273
leitender Professor der Uni-Augenklinik Münster. In ihr wurde festgestellt, dass bei
der Vollspektrumlampe True-Lite die Cortisolhormonausschüttungen im Blut weit
geringer waren, als bei handelsüblichen Dreibandenlampen. Eine zu hohe
Ausschüttung von Cortisol ist immer ein Zeichen von ungesundem Stress. Wenn
diese Werte über einen längeren Zeitraum zu hoch sind, ermüdet das System und
wird ineffizient. Nach diesen Ergebnissen machte sich Hollwich mit Nachdruck für
den Einsatz der Vollspektrum-Leuchtmittel besonders in Schulen und der Arbeitswelt
stark, was ihm wiederum bei der Lampenindustrie nicht gerade Freunde machte.
( Hollwich 1980. Siehe auch den Dokumentarfilm „Zwielicht“ von Klaus Stanjek,
erhältlich über den Verfasser )
Es gibt kein objektives Sehen
In diesem Zusammenhang müssen wir auch noch das Phänomen der vielen
optischen Täuschungen erwähnen. Das menschliche Auge lasst sich leicht täuschen,
man kann ihm etwas vorgaukeln, was gar nicht existiert und man kann dem Licht
gewisse Farbfrequenzen vorenthalten, ohne dass wir mit einem ungeschulten Auge
dies merken würden.
Es ist hilfreich sich einmal klar zu machen, dass wir rein physikalisch und
physiologisch gar nicht in der Lage sind objektiv zu sehen. Das was wir wahrnehmen
ist nur das Abbild einer objektiven Wirklichkeit da draußen, spiegelverkehrt reflektiert
auf unsere Netzhaut und dann weitergeleitet zum Sehzentrum unseres Gehirnes, wo
es erst wieder auf die Beine gestellt wird. Im Sehzentrum wird dieses Bild empfangen
und sofern wir sehen gelernt haben erkannt, mit bereits vorhandenen Daten
abgeglichen und dann interpretiert. Dies ist eine viel abstrakteres und distanzierteres
Wahrnehmen als zum Beispiel das Tasten, bei dem unsere Fingerspitzen unmittelbar
mit dem materiellen Gegenstand in Berührung kommen und diesen wahrnehmen.
„Man sieht nur mit dem Herzen gut, alles Wesentliche ist für das Auge unsichtbar“
lässt der Schriftsteller Saint Exupery seinen kleinen Prinzen sagen.
274
Das Licht der Natur und das Licht des Geistes
Jacques
Luseryan
ein
französischer
Literaturprofessor,
Schriftsteller
und
Widerstandskämpfer, hatte im Alter von 7 Jahren einen Umfall bei dem mit einem
Schlag die Sehfähigkeit seiner Augen vollständig zerstört wurde. Nachdem ihm die
Verbände abgenommen wurden und er zum ersten mal mit seinem Vater im Park
einen Spaziergang machte, stellte er erleichtert fest, dass er immer noch ein inneres
Licht wahrnahm, mit dem er sich nicht nur im Außen grob orientieren konnte,
sondern er war von nun an auch in der Lage zu erkennen auf welcher moralischen
Stufe die Menschen waren, die ihm gegenüber standen. Er konnte sofort erkennen,
ob jemand ehrlich oder unehrlich war, gute Absichten hatte oder schlechte. Und auch
für ihn selbst war dieses innere Licht stets ein Gradmesser für seine eigene
seelische Verfassung. Wenn er übellaunig und gereizt war verdunkelte es sich und
ganz zu erlöschen schien es dann, wenn er zornig wurde. Der Begriff „blind vor Wut“
hat also eine durchaus wörtliche Bedeutung. Andererseits wurde dieses geistige
Licht immer dann
besonders stark, wenn er Liebe spürte, ob von außen durch
andere Menschen oder aus seinem Inneren kommend. Erleuchtung ist nicht nur eine
Metapher,
vielmehr,
und
so
wurde
es
von
Mystikern
und
Heiligen
der
verschiedensten Kulturkreise beschrieben, ist es immer auch verbunden mit einer
übersinnlichen Wahrnehmung eines strahlenden geistigen Lichtes.
275
Deshalb konnte auch Stevie Wonder das schwarze Musikergenie einmal sage „Ich
kann zwar nicht sehen, aber ich bin nicht blind“. Es gibt also offensichtlich einen
Unterschied zwischen Licht und Licht. So wie auch in der Genesis von zwei Arten
von Licht gesprochen wird, dem Licht das Gott erschuf als er sprach „Es werde Licht“
und dem Licht der Sonne und des Mondes. Das Licht der Natur, das im Griechischen
mit Lumen bezeichnet wird, ist zu unterscheiden vom Licht des Bewusstseins oder
des Geistes, im Griechischen Lux . Am Anfang des Johannesevangeliums heißt es
von diesem Licht: „Das Licht kam in die Finsternis, aber die Finsternis hat es nicht
ergriffen“. Es ist offensichtlich, dass hier nicht das physikalische Licht gemeint sein
kann, denn wenn materielles Licht aufleuchtet, dann löst sich die Finsternis auf.
Also müssen wir den Schluss ziehen, selbst wenn es so etwas wie Lichtqualität gäbe
und wir haben ja bereits festgestellt, dass das einzige was Sinn macht die
Orientierung an den Spektralfrequenzen des Sonnenlichtes wäre, dann heißt das
noch lange nicht, dass wir diese besondere Qualität auch sofort wahrnehmen und
erkennen können. Deshalb werden auch alle Versuche objektive Kriterien für
Lichtqualität in der Lichtplanung und Beleuchtungstechnik einzuführen zum Scheitern
verurteilt sein. Versuche in dieser Richtung waren immer nur in der Lage zu
beschreiben was gute Beleuchtung für Eigenschaften haben sollte, aber nicht wie die
einheitlichen technischen Standards dafür aussehen müssten.
Farben, die Kinder des Lichtes
Welche Rolle spielt also unser Bewußtsein, wenn es darum geht Licht und Farben
als etwas Qualitatives zu erkennen. Goethe, der sich selbst ja in erster Linie als
Naturforscher und nicht als Dichter sah, war einer der ersten, der in seiner gerade
heute wieder sehr beachteten „Farbenlehre“ versuchte dem Licht über den Weg der
Wirkung der Farben auch Qualitäten zuzuordnen, lange bevor die Farbtherapie sich
zu einer Erfahrungswissenschaft entwickelte, mit der man ganz spezifische
Störungen und Krankheiten gezielt heilen kann. So schreibt er z.B. : „Die höchste
aller Farben ist das Purpur, denn es entsteht aus der intensivsten Verdichtung des
Roten und des Blauen. In ihr findet der Betrachter durch die Vereinigung der
gesteigerten Pole eine ideale Befriedigung. Eine Umgebung von dieser Farbe ist
immer ernst und prächtig“. Bewusstsein in der Goetheschen Anschauung wäre also
276
unter anderem dasjenige in uns, was in der Lage ist einen Sonnenuntergang als
schön zu empfinden. Ein Luxmeter kann nicht den qualitativen Aspekt des Lichtes
wahrnehmen, aber das im Betrachten geschulte Auge eines Malers wie van Gogh
oder Cezanne sehr wohl.
Als ich einmal einer Feng-Shui-Beraterin, die noch keine persönlichen Erfahrungen
mit Vollspektrumlicht gemacht hatte, in Ihrer Küche eine kleine 15 WattDreibandenröhre gegen eine Vollspektrumlampe ersetzte, rief sie spontan aus: „Ist
das ein wunderbares Licht!“ Offensichtlich gab es ein Organ in Ihrem Bewußtsein,
das diesen Qualitätsunterschied erkennen konnte.
So wie das nach der Operation voll funktionierende Auge des blindgeborenen
Jungen, nicht in der Lage war zu sehen, sind wir nicht automatisch in der Lage zu
unterscheiden, ob ein Licht sich aus drei Spektralfarben zusammensetzt oder aus
sechs oder sieben. Der Farbeindruck tageslichtweiß, neutralweiß oder warmweiß
kann bei beiden Lampentypen der gleiche sein. Erst wenn es darum geht alle
Körperfarben richtig zu erkennen bemerken wir die Qualitätsunterschiede in beiden
Lichtquellen.
Mag
die
Leuchtenindustrie
einer
Dreibandenlampe
auch
die
Farbwiedergabeeigenschaften gut zuordnen, das physikalische Gesetz, dass nur die
Farben reflektiert werden können, die auch in der Lichtquelle vorhanden sind,
können damit nicht außer Kraft gesetzt werden und ebenso wenig lässt sich ein
geschultes Auge darüber täuschen.
Dabei sind aber gute Farbwiedergabeeigenschaften eigentlich nur ein grober Beweis
für
Lichtqualität
und
sagen
noch
nichts
darüber
aus,
was
nun
diese
Energiefrequenzen, die wir als Farben wahrnehmen oder in weißem Licht verborgen
ihre Wirkungen entfalten, für Einflüsse auf unsere körperliche Gesundheit, unser
psychisches Wohlbefinden und unsere seelische Ausgeglichenheit haben.
Als Dr. Rosenthal Anfang der 80 er Jahre anfing eine spezielle Gemütskrankheit,
verbunden mit Lebensüberdruss und Energielosigkeit als „Winterdepression“ zu
benennen und mit hellem weißem, vollspektralem Licht zu behandeln, waren er und
seine Mitarbeiter selbst über den durchschlagenden Erfolg der Therapie überrascht.
Über 80% der Patienten zeigten nach einigen Tagen deutliche Verbesserungen in
ihrer Verfassung. Rosenthal wusste damals nicht, was es nun genau war in diesem
Licht, was diese Heilung bewirkte. Er hatte nur eine naheliegende logische
Schlussfolgerung gezogen, ‚wenn diese Krankheit ausschließlich im Winterhalbjahr
auftritt, dann kann Licht womöglich helfen’.
277
Bereits 1903 erhielt L. Finsen ein dänischer Arzt den Nobelpreis in Medizin, weil er
eine bestimmte Art von Hauttuberkulose mit Licht aus dem roten Bereich des
Spektrums behandelte.
Licht und circadiane Rhythmen
Es dauerte fast 100 Jahre bis Berson und seine Mitarbeiter vom Massachusetts
Institut of Technology wissenschaftlich nachweisen konnten, dass blaues Licht die
circadianen Rhythmen beeinflusst ( Berson 2000, 2002 ). Unter natürlichen
Bedingungen stimmt das Licht, besonders Morgenlicht, die innere Uhr des Körpers
auf den Hell-Dunkel-Kreislauf der Erde ein. Erst nachdem diese Erkenntnis, die von
Licht- und Farbexperten bereits Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt worden war,
den offiziellen Segen des Wissenschaftsbetriebes hatte, scheint man auf Seiten der
Lampenindustrie bereit zu sein darüber nachzudenken, ob es nicht neben der
Funktion des Helligkeitsempfindens des Auges, auf das unsere technischen
Beleuchtungsstandards bisher mehr oder weniger reduziert wurden, auch noch
andere physiologische Funktionen gibt, die direkt von bestimmten Lichtfrequenzen
beeinflusst werden. In der bereits erwähnten Studie von Dietrich Gall wurde dafür der
Begriff „circadianer Wirkungsfaktor“ eingeführt, der aber nicht wirklich schlüssig und
mathematisch sauber hergeleitet wird. ( Circadian bedeutet den zeitabhängigen Tagund Nachtrhythmus der physiologischen Funktionen oder die biologische Uhr ).
Die Farben ein Gleichnis für das Leben
Ist es nicht denkbar, ja sogar naheliegend, dass nicht nur Blau, Gelb oder Rot
sondern jede Farbfrequenz in unserem sichtbaren und für unserer Augen nicht mehr
sichtbaren Licht ein Rolle spielt für die Aufrechterhaltung unserer geistig-seelischen
Gesundheit? Vor vielen Tausenden von Jahren hat die Indische Yogaphilosophie ein
System entwickelt, bei dem jedem der 7 Energiezentren in unserem Körper eine der
sieben Spektralfarben zugeordnet wird. Von Josef aus dem alten Testament wissen
wir, dass er von seinem Vater Jakob einen Regenbogenmantel als Zeichen seiner
278
Erwähltheit geschenkt bekommen hat und in Goethes Faust heißt es: „Am farbigen
Abglanz haben wir das Leben“. Und auch in unserer Sprache kennen wir den
Ausdruck „Die Farben des Lebens“ als ein Sinnbild dafür dass alle Aspekte
vorhanden sind. So waren die Farben des Regenbogens immer auch ein Symbol für
ein ganzheitliches und erfülltes Leben und so wie das menschliche Leben aus Zyklen
besteht, bei denen alles wieder zu seinem Anfang zurückkehrt, kehren auch die
Farben im Farbenkreis wieder zu sich selbst zurück. Rot wird über Orange zu Gelb,
Grün, Blau, Indigo und Violett und kehrt wieder zu Rot zurück. Der Mensch ist ein
„Vollspektrumwesen“, wie es Jacob Liberman in seinen Seminaren treffend
ausdrückt.
Der Mensch ist der Mittelpunkt
Jede Farbe im Sonnenlicht wird gebraucht und erfüllt seinen ihm bestimmten Zweck.
Es kann nicht ausbleiben, dass das Fehlen von mehreren Farbfrequenzen wie in
unseren künstlichen Lichtwelten üblich, wo nicht sofort Krankheit oder Störung, so
doch einen Mangel in der Empfindungsfähigkeit bewirkt. Wenn wir „aus praktischen
Gründen“ Lichtfarben einfach eliminieren, nehmen wir auch in Kauf, dass bestimmte
Aspekte die zu einem vollständigen Leben gehören, keine Resonanz mehr
bekommen. Wir werden dann von dem Licht aus unserer Umwelt nicht mehr
ganzheitlich angesprochen, mit der Folge, dass unsere Blickweise in Gefahr gerät
„eindimensional“ zu werden. Diese Beeinträchtigung mag in einer totalitären
Gesellschaft, in welcher der Mensch in erster Linie zu funktionieren hat, erwünscht
sein. Für die Entstehung einer emanzipierten Menschheit und auch eines
gelungenen Wirtschaftslebens, einer richtungsweisenden Forschung auf hohem
Niveau, sowie nicht zuletzt einer gesunden sozialen Entwicklung ist sie aber
kontraproduktiv. Unsere heutige Zeit mit seinen vielen Gefühlsentfremdungen und
unserer menschlichen Natur zuwiderlaufenden Belastungen bringt immer neue
Krankheitsbilder hervor. Stress-, Burn Out-, Sick Building-, Mobbing, -Syndrome etc.
sind nur einige der vielen neuartigen Erscheinungen und Begriffe, die es vor
Jahrhunderten noch überhaupt nicht gab.
279
Verantwortliche Lichtplanung
In meiner Arbeit als Lichtplaner wurde ich oft gefragt, ob es wissenschaftliche
Nachweise für die Überlegenheit von Vollspektrumlicht gibt. Ich habe dann gerne
einige meiner Dokumentationen zur Verfügung gestellt, bis ich gemerkt habe, dass
die Nachfrage oft nur ein Alibi war, um Zeit zu gewinnen, damit man dann doch alles
beim Alten belassen kann. Der Mensch hat eine eigentümliche Trägheit, wenn es
darum geht, dem „Guten, Wahren und Schönen“ zuzustreben, wie es noch Goethe
und
seine
Zeitgenossen
ausgedrückt
haben.
In
uns
ist
ein
Hang
zur
Selbstreduzierung, die sich wie im Nationalsozialismus bis zur Selbstzerstörung
übersteigern kann. Dieser Zug wird aber auch in vielen Dingen unseres Lebens wie
das beharrliche Festhalten am Tabak, Alkohol und Drogenkonsums wider besseres
Wissen offenbar. Dies ist aber im Endeffekt Selbsttäuschung und schlägt nur als
Bumerang wieder auf unser gesamtes soziales und wirtschaftliches Leben zurück.
Nur ein innerlich freier Mensch, der über die Gefahren, die ihm aus seiner Umwelt
und der Gesellschaft drohen, sachgerecht informiert ist, kann für sich und andere das
Angemessenste und Beste wählen.
Nach Auswertung aller Erfahrungen und Forschungsergebnisse und einem
gründlichen Nachdenken über das Phänomen Licht muss man zu dem Schluss
kommen, dass es eine Beziehung zwischen der Qualität unseres Lichtes und
unserem Bewusstsein gibt. Dr. Jacob Liberman, einer der größten Experten auf dem
Gebiet des Heilens mit Licht und Farbe drückte das so aus: „Unsere Empfindsamkeit
dem Licht gegenüber ist ein Spiegel, inwieweit unsere Selbstheilungskräfte und
unsere Empfänglichkeit dem Leben gegenüber in Takt sind“.
Natürlich kann auch das Licht in der planerischen Praxis nicht abgelöst von den
Raumfarben behandelt werden. Zu einer vollständigen Lichtplanung gehört immer
auch ein Farbkonzept, erstellt von einem erfahrenen Farbexperten. Mögen Puristen
einwenden, man könne Vollspektrumlicht nicht gleichsetzen mit Sonnenlicht und
dafür triftige Gründe angeben. Hier hat Recht wer Erfolge nachweisen kann. Denn
auch für jemanden der sich seit 17 Jahren theoretisch und vor allem praktisch als
Lichtplaner fast ausschließlich mit dem Einsatz von vollspektralem Licht beschäftigt,
ist es immer wieder erstaunlich zu erleben, dass künstliches Licht ähnlich in seiner
280
Wirkung und Akzeptanz sein kann, wie natürliches Tageslicht. Dies ist keine Frage
des Glaubens oder der richtigen Lichttheorie mehr, sondern eine tausendfach
bewiesene Tatsache.
„Light-Age“ oder Apokalypse ?
Eigentlich können wir uns heute eine Vogel-Strauß-Politik überhaupt nicht mehr
leisten. Wenn wir nicht alles Positive und Zukunftsweisende, das uns heute bereits
zur Verfügung steht und nicht zuletzt auch unsere gottgegebene Vernunft
zusammennehmen, werden wir die Herausforderungen, die in dieser Zeit der
rasenden Globalisierung und der damit verbundenen Umwälzungen nicht meistern
können. Viele neuartige Krankheiten, immer mehr Natur- und Umweltkatastrophen,
das Gespenst des Terrorismus und Fundamentalismus sind deutliche Warnsignale,
dass etwas in unseren politischen und sozialen Gemeinschaften in die falsche
Richtung läuft. Es ist in fast allen Bereichen wie eine Spirale, die sich mit immer
größerer Geschwindigkeit nach unten dreht.
Hierzu gehören auch die epidemisch sich ausbreitenden Lernstörungen und
Lernverweigerungen,
Verhaltensauffälligkeiten,
allergischen
Krankheiten
und
Aufmerksamkeitsdefizitstörungen bei Kindern und Jugendlichen in unseren „reichen
Gesellschaftsordnungen“,
ganz
zu
schweigen
von
den
Problemen
der
Obdachlosigkeit, Armut und des Hungers der Kinder in der dritten Welt. Sie sind das
schwächste Glied in der Kette und an Ihnen zeigen sich am stärksten die Defizite
unseres westlichen Wertesystems, das in allen Bereichen dem Haben dem Vorrang
einräumt vor dem Sein.
Auch hier könnte die heilende Kraft des Lichtes ihren bescheidenen Beitrag leisten
und die Not lindern helfen.
Es konnte inzwischen wissenschaftlich nachgewiesen werden, dass viele Kinder die
unter
Lernstörungen
und
Aufmerksamkeitsdefizitsyndromen
leiden
ein
eingeschränktes Sehfeld haben und dadurch nicht in der Lage sind über das Auge so
viel Lichtenergie aufzunehmen wie ein gesundes Kind. Man weiß heute, dass ein
solcherart eingeschränktes Sehfeld sehr oft mit Traumen oder ungelösten seelischen
Konflikten in ursächlichem Zusammenhang stehen. Jüngere wissenschaftliche
Studien aus den Vereinigten Staaten belegen jetzt, dass auch Lesestörungen bei
Kindern auf unzulänglichen Übertragungen des lichtinduzierten Stromes auf jene
281
Gehirnbereiche basieren, die für das Sehen verantwortlich sind, und dass durch den
Einsatz von blauen Filtern beim Lesen 80% der Kinder deutlich bessere Ergebnisse
erzielten. Und auch die verschiedenen Farblichttherapien, die heute bereits von einer
immer größeren Gemeinde von engagierten Ärzten und Heilpraktikern angeboten
werden, können gerade bei diesen Symptomen auf erstaunliche Therapieerfolge
verweisen.
Kann da noch daran gezweifelt werden, dass Farben „Taten und Leiden des Lichtes
sind“, wie Goethe es auf seine Weise poetisch ausdrückte. Arthur Zajonc konnte in
seinem Buch „Die gemeinschaftliche Geschichte von Licht und Bewusstsein“
nachweisen,
dass
jede
Generation
und
jedes
Volk
seine
eigenen
Betrachtungsweisen und Mythen hat, in denen sich die Einstellung und
Wertschätzung gegenüber dem Urelement Licht widerspiegeln. Das ansteigende
Interesse an den gesundheitlichen und ganzheitlichen Aspekten von Licht und Farbe
lässt hoffen, dass es in unserer Zeit wieder einen Quantensprung geben könnte in
unserem Verständnis. Licht nicht mehr länger nur als technisches Produkt
anzusehen mit dessen Wunderkräften man heute in der Lage ist fast alles zu
machen, die Nacht fast dem Tage gleichzustellen, komplizierteste Operationen auf
größte Entfernungen zu bewältigen oder riesige Datenmengen in Bruchteilen von
Sekunden zu übertragen. Vielmehr ist es Zeit zu begreifen, dass Licht ein lebendiges
Medium ist, ein Gleichnis des Lebens schlechthin, die Mittlerin zwischen Materie und
Geist und nicht zuletzt ein Führer zu unserem höchsten Potential als Abbild des
Göttlichen, wie es die großen Philosophen, Mystiker und Gelehrten aller Epochen
erfahren und vorgedacht haben. Und wie es wiederum schon unser guter alter
Geheimrat von Goethe auf geniale Weise dichterisch auf den Punkt gebracht hat:
„Wär’ nicht das Auge sonnenhaft, die Sonne könnt’ es nie erblicken,
Lebt nicht in uns des Gottes eigne Kraft, wie könnt’ uns Göttliches
entzücken ?“
Lichtplaner
Panoramaweg 12
88353 Kisslegg/Allgäu
Fon 07563/914432
Fax 07563/914431
e-mail: [email protected]
www.maxi-lite.de
HU
UH

2004 - Fachgebiet Lichttechnik

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