Nya ljuskällors betydelse för vakenhet välbefinnande och prestation /

Transkript

1 SLUTRAPPORT Nya ljuskällors betydelse för vakenhet välbefinnande och prestation / Thorbjörn Laike, Institutionen för arkitektur och byggd miljö, LTH, Lunds Universitet Tommy Govén, Fagerhult AB Klas Sjöberg, Institutionen för medicin, Lunds Universitet 2010

2 Sammanfattning I en laboratoriestudie studerades omfältsluminansens inverkan på vakenheten. Två typer av ljuskällor undersöktes, LED och T5-lysrör. Belysningsstyrkan på arbetsytan hölls konstant (500 lx), medan omfältsluminansen varierades mellan 100 och 350 cd/m 2. Subjektiva skattningar av det emotionella tillståndet och upplevelsen av ljusmiljö samt objektiva fysiologiska mätningar av cotisol och melatonin genomfördes. Resultaten visar att på samma sätt som i tidigare studier att med ökad omfältsluminans ökar cortisolnivån signifikant. Det föreligger inga signifikanta skillnader i upplevelse mellan de två typerna av ljuskällor förutom att man upplever att LED-belysningen är något mer lysande. Här bör man dock vara uppmärksam på att ljuskällorna var mycket väl avskärmade och ingen bländning kunde uppfattas. Resultaten bör tolkas med försiktighet, men med den valda LED-ljuskällan sågs inga negativa effekter i jämförelse med lysrörsljus. LED kan ses som ett bra alternativ till lysrör under förutsättning att belysningsplaneringen görs på ett bra sätt så att bländning undviks. I studien ingick 42 försökspersoner år (m=43). Preliminära resultat har presenterats vid Energitinget 2010 och vid CEEBELs konferens i Katrineholm. Under våren planeras en serie av presentationer. Abstract In a laboratory study the impact of the surrounding light on alertness was study. Two types of light sources were examined, LEDs and T5 fluorescent tubes. The illuminance level in the working area was kept constant (500 lx), while the surrounding light was varied between 100 och 350 cd/m 2. Subjective ratings of the emotional status and the experience of the lighting environment as well as physiological measurements of cortisol and melatonin levels in the saliva were conducted. The results show that the higher the surrounding light the higher the phsysiological cortisol levels. There were no significant differences in the experience of the light, except that the LED light source were a little bit more bright. It should, however, be stressed that the light sources were very well shielded and no glare were at hand.the results should be interpreted with caution, but with the chosen LED light sources no harmful effects were seen in comparison to fluorescent tubes. LED may be seen as a good alternative as long as the lighting design is done careful so that glare is avoided. The study comprised 42 subjects between years of age, mean age 43 years. Preliminary results have been presented at Energitinget 2010 and at CEEBELs conference in Katrineholm. During the spring a series of presentations will be held. 2

3 Inledning Tidigare studier har visat att omfältsluminansen har stor betydelse för graden av upplevd bländning (Govén et al., 2002). För låga omfältsluminanser påverkar ögats adaptation negativt och risken för bländning ökar. Det är också klarlagt att en ökad ljusnivå till en viss gräns påverkar prestationsförmågan (Boray et al, 1989; Knez och Kers, 2000). Att även små skillnader i belysningens kvalitet kan ha effekt har bl.a. visats av Küller och Laike (1998). De kunde påvisa skillnader i såväl stressnivån som produktivitet när man använde lysrör med respektive utan högfrekventa förkopplingsdon. Förkopplingsdonen hade en stressreducerande effekt. Omfältsluminansen tycks också påverka utsöndringen av stresshormonet kortisol. Ju högre omfältsluminans desto högre cortisolnivå har kunnat påvisas (Govén et al 2009). Människans dygnsrytm och årstidsvariation, liksom menstruationscykeln hos kvinnan, utgör tillsammans det så kallade kronobiologiska systemet, vilket är lokaliserat till bl.a. epifysen, hypofysen och hypotalamusområdet. Rytmerna är genetiskt förankrade, men regleras i viss utsträckning av omgivningsfaktorer, framför allt av ljuset, som via nervbanor från ögats näthinna till de s.k. suprachiasmatiska nervkärnorna i hypothalamus och vidare till epifysen signalerar till de melatoninproducerande cellerna att sluta utsöndra hormonet melatonin som i sin tur förefaller att styra vår dygnsrytm. Störningar av dygnsrytmen på grund av brist på dagsljus under vinterhalvåret anses vara den främsta orsaken till den symptombild som går under benämningen Seasonal Affective Disorder (SAD) (Rosenthal et al., 1984; Magnusson och Boivin, 2003). Sådana symptom, bl.a. trötthet, sömnrubbningar, koncentrationssvårigheter och depression, har visat sig vara tre à fyra gånger så vanliga hos kvinnor som hos män (Wirz-Justice och Graw, 2000; Magnusson och Boivin, 2003). Vi känner inte den nivå av ljus som behövs för att styra systemet. Vi vet dock att mängden är beroende av tiden på dygnet. Forskning under senare år har också visat att människor på nordliga breddgrader under våren och sommaren producerar mer hormoner med en allmänt aktiverande inverkan (kortisol), men att de på vintern har ett underskott av sådana hormoner. Redan i februari sker en drastisk ökning i produktionen av aktivitetshormoner. En annan studie visade att skolbarn i fönsterlösa klassrum fick basala störningar i hormonbalansen, och att detta påverkade koncentrationsförmågan och förmågan att samarbeta liksom kroppstillväxten och motståndskraften mot infektionssjukdomar (Küller och Lindsten, 1992). Hos militär personal, som arbetade i bergrum under jord, uteblev den naturliga årsvariationen helt och sjukskrivningarna fördelade sig annorlunda över året än för befolkningen i stort (Küller och Wetterberg, 1996). I en stor internationell jämförelse mellan Sverige, England, Saudi-Arabien och Argentina fann man att SAD-relaterade problem var betydligt vanligare i Sverige och England jämfört med Saudi-Arabien och Argentina under vinterhalvhåret (Küller et al., 2006). I Sverige anser man att ca: 3 % av befolkningen lider av SAD och många fler (troligen %) besväras av årstidsbundna symtom av sådan svårighetsgrad att det stör deras normala livsföring och prestationsförmåga (Pendse, 2004). Nya rön visar att även det perifera seendet är viktigt och att där finns de receptorer som styr "den biologiska klockan" (Visser et al., 1999). Berson (2003) beskrev en ny tredje receptor, förutom tappar och stavar som skulle kunna vara den felande länken och fungera som en circadisk fotoreceptor. Ny forskning har också visat att ljusets spektrum har betydelse för melatoninblockering. T. ex har Brainard & Hanifin (2005) visat att monokromatiskt ljus vid 480 nm blockerar melatonin mest effektivt. 3

4 Med den nya kunskapen kommer belysningsdesign och belysningssystem i framtiden att behöva fokuseras inte bara på de visuella aspekterna utan också på de biologiska och emotionella aspekterna samtidigt som man tar hänsyn till energianvändningen. Vi behöver därför ha kunskap om de nivåer som är de mest effektiva ur samtliga aspekter. Idag har det kommit nya ljuskällor på marknaden och det är viktigt att veta om resultaten som visats med lysrörsljus också gäller för andra ljuskällor som t. ex LED. Syftet med föreliggande studie var att undersöka omfältsljusets inverkan på såväl det kronobiologiska systemet som den subjektiva upplevelsen vid två olika luminansnivåer (100 respektive 350 cd/m 2 samt med två typer av ljuskällor, LED och och T5-lysrör, båda med en färgtemperatur av 4000 K. Följande frågeställningar avsågs att besvaras: Vid vilka nivåer av omfältsljushet eller omfältluminans (medelluminansen inom det perifera synfältet sig ± 20grader från den horisontella siktlinjen i ögonhöjd) sker det en märkbar förändring hos människan med avseende på vakenheten såväl subjektivt som fysiologiskt, d.v.s. hur stressystemen hos människan påverkas av omgivningens ljusförhållandena och spelar ljuskällan någon roll? Hur upplevs de olika belysningsförhållandena? Försökspersoner och metoder Försökspersonerna rekryterades genom annonser i den lokala pressen. De fick information om att studien handlade om kontorsmiljöer, där bland annat belysningsförhållandena skulle undersökas. Alla som genomförde studien erhöll 1000 kr. 51 försökspersoner valdes ut efter en första screening där ett antal grundkriterier undersöktes som normalt seende, god hälsa (ingen medvetslöshet, ingen epilepsi, ingen regelbunden medicinering. Målsättningen var också att få en balans avseende ålder och kön. Emellertid var vi tvungna att utesluta nio försökspersoner då de inte fullföljde studien eller hade data som var ofullständiga. Av de resterande försökspersonerna var 24 kvinnor och 18 män mellan 18 och 68 år (m=43, sd=18). De hade en blandad bakgrund från studenter till kontorspersonal, sjukvårdspersonal och pensionärer. Experimentrummen var arrangerade som kontorsmiljöer, bredd=4900, längd=2700 höjd=2700, med ett skrivbord och en fåtölj (figur 1). En klocka fanns också placerad i rummet. I övrigt fanns inga dekorationer. 4

5 Figur 1. Plan över de två försöksrummen med arbetsplats, dator och plats för fåtölj. Taket i rummet var vitt och väggarna hade en lätt bruten vit färg (NCS 0502-Y). Rummet var fönsterlöst, men dörrarna hade glas. Framför dörrarna var ett svart draperi applicerat. Över arbetsplatsen var en lysrörsarmatur applicerad med infällda dimbara T5lysrör (2x54 W). Omfältsljuset framför försökspersonen erhölls med hjälp av tre stycken wall-washers med assymetrisk ljusfördelning bestyckade med T5 Lysrör (2x54 W/1x28 W) och multidriftdon. För att erhålla de två luminansnivåerna (100 respektive 350 cd/m 2) ) fanns två upptändningsalternativ: samtliga wallwasher tända 3x(2x54W) = 350 cd/m 2 samtliga wallwashers tända 3x(1x28W) = 100 cd/m 2 Lysrören hade en färgtemperatur av 4000 K. I det andra rummet som bestyckades med LED var förutsättningarna följande: Arbetsplatsljuset bestod av 5 stycken infällda dimbara LED-armaturer L3 typ fabrikat Fagerhult med symmetrisk ljusfördelning på 1100 lm (18W). Omfältsljuset med 9 stycken infällda LED wallwashers L4 typ fabrikat Fagerhult med asymmetrisk ljusfördelning på 2000 lm (45W). Samtliga LED ljuskällor med en färgtemperatur av 4000 K. Innan experiementet påbörjades hade ljuskällorna varit tända under 100 h. Upprepade mätningar av vertikal belysningsstyrka på arbetsytan genomfördes, liksom upprepade mätningar av väggluminanser genomfördes under hela försöket liksom mätningar av rumstemperaturen (tabell 1) och spektral irradians figur 2). 5

6 Tabell 1. Medelvärden för fysikaliska parameterar i kontorsrummet med lysrörsbelysning vid tre olika omfältsljusnivåer. Belysningsstyrkan mättes horisontellt i bordshöjd, luminansen mättes på väggen framför försökspersonen och temperaturen i bordshöjd. Fysikalisk mätning 350 cd/m cd/m 2 Belysningsstyrka (lx) Luminans (cd/m 2 ) Temperatur ( C) 21,9 22,2 Relativa enheter Relativa enheter våglängd (nm) våglängd (nm) Figur 2. Spektral irradians för lysrören med 4000 K respektive LED 4000 K. Mätningarna genomfördes i bordshöjd med en spektroradiometer Avaspec 2048, Avantes. De fysiologiska mätningarna, hormonprover genom saliv genomfördes vid fem tillfällen, det första på eftermiddagen före försöket, det andra på morgonen klockan 07.00, nästa när försökspersonen anlände till experiementrummet, ett vid lunch samt ett avslutande prov på eftermiddagen. Proverna togs genom att försökspersonen stoppade en liten bomullstuss i munnen som man tuggade på tills den var genomblöt därefter stoppades den i ett provrör som därefter förvarades i frysskåp eller frysbox i hemmet. På morgonen gjorde försökspersonen på samma sätt, tog med sig provrören och lämnade dessa vid ankomsten samtidigt som ett nytt prov togs. Samtliga prover förvarades i en frysbox på experiementplatsen och skickades sedan i fryst form för analys i Linköping. De två analyserna genomfördes på följande sätt: Cortisol i saliv analyserades på Laboratoriemedicinskt centrum, Klinisk kemi, metabollab, Universitetssjukhuset Linköping av en speciellt utsedd biomedicinsk analytiker med vana vid denna typ av analys. Proverna analyserades mha en kommersiell ELISA-metod som tillhandahölls av Salimetrics Inc, State College, PA USA. ELISA (Enzym Linked ImmunoSorbent Assay) fungerar så att försökspersonens cortisol binds vid monoklonala antikroppar som finns i botten på en plastbrunn på en mikrotiterplatta med 96 brunnar. Varje prov analyseras som dubblett. Efter avtvättning av överskott tillsätts en färgmarkör som fastnar på bundet cortisol. Styrkan på färgomslaget ger information om mängden cortisol i provet. Mängden melatonin i saliv analyserades också vid Laboratoriemedicinskt centrum, Klinisk kemi, metabollab, Universitetssjukhuset Linköping av en speciellt utsedd biomedicinsk analytiker med vana vid denna typ av analys. Härvid användes RIA (radioimmunoassay) som tillgår på liknande sätt som ELISA förutom att analysen genomförs i lösningen och ej bundet till brunnens botten och i stället för färgomslag används radioaktivitet. Försökspersonernas känsloläge mättes vid tre tillfällen i termer av fyra emotionella faktorer, där tre skalor omfattade varje faktor: aktivering (t. ex: vaken/sömnig); orientering (t.ex: intresserad/uttråkad); värdering (t.ex: glad/ledsen) och kontroll (t. ex: självsäker/tveksam) 6

7 Instrumentet har använts under många år och har en god reliabilitet (α-koefficient hela testet:0.82, för de enskilda faktorerna 0.90, 0.79, 0.46, 0.61; Küller, 1991). Andra subjektiva upplevelsemått innefattade synstress som mättes vid två tillfällen (åtta skalor: Bergqvist och Knave, 1994), upplevelsen av belysningen i rummet mättes vid fyra tillfällen. Det sistnämnda instrumentet består av 17 bipolära semantiska sjugradiga skalor. Faktoranalyser har visat att detta instrument beskriver fyra tydliga dimensioner: Ljusets behaglighet, dess styrka, flimmer och ljusfördelning (Küller och Laike, 1998). Den totala upplevelsen av rummet mättes med hjälp av den sk SMB-metoden som består av 36 skalor fördelade på åtta olika faktorer som beskriver miljön (Küller, 1991). Personligheten mättes med en svensk version av Typ A-beteende (Öhman et al, 1992). Ett test för dygnsrytm genomfördes också (Küller och Laike, 1998). Även uppgifter om känslighet för ljus och om försökspersonen hade problem med årstidsrelaterade nedstämdhet undersöktes (Pendse, 2004). Varje försöksperson tillbringade sju timmar i kontorsrummet vid två olika tillfällen med en vecka emellan. Alla försökspersoner exponerades för de två experimentella förhållandena i en noggrant balanserad design. Hälften av försökspersonerna satt vid samtliga tillfällen under lysrörsbelysning och hälften under LED-belysning. Under varje session satt försökspersonen ensam i rummet och fick alla instruktioner via en datorskärm. På denna datorskärm svarade också försökspersonen på frågor. Lunchen serverades också i rummet och försökspersonerna erhöll samma typ av mat vid samtliga tre tillfällen. Dagen tillbringades sedan med att svara på frågor och läsa, dvs vanliga arbetsuppgifter i en kontorsmiljö. Sessionen avslutades med ett kort avslutande samtal med försöksledaren (tabell 3). Tabell 3. Gången i försöket vid det enskilda försökstillfället. Detta upprepades vid två tillfällen med en veckas mellanrum. Dag Tidpunkt Handling Dagen före experimentet Salivprov Experimentdagen Salivprov Lamporna tänds Försökspersonen anländer, temperaturmätning, salivprov Försöket startar Belysningsupplevelse Känsloskattningar Synstress Dygnsrytm Belysningsupplevelse SMB Salivprov Lunch Belysningsupplevelse Känsloskattningar Synstress SAD Typ A-personlighet SAD Belysningsupplevelse Känsloskattningar Salivprov Försöket avslutas Kort samtal Temperaturmätning 7

8 Resultat Resultaten av den subjektiva upplevelsen av rummet visade inga signifikanta skillnader mellan de två typerna av ljus. Emellertid förelåg det en skillnad mellan lysrörsljus och LEDljus avseende ljusstyrkan. LED-ljuset upplevdes som signifikant starkare. 5,4 5,2 5 4,8 4,6 LED Lysrör 4,4 4,2 100 cd 300 cd Figur 3. Skillnad i upplevelse av ljusstyrka mellan LED-ljus och lysrörsljus vid de två nivåerna F(1,36)=4,84, p=.034 Det förelåg också en tendens att man upplevde LED-ljuset varandebättre än lysrörsljuset (p=.09, figur x) Bra LED Lysrör Figur 4. Upplevelse av ljuskvalitet hos de två typerna av ljus LED och lysrör. Det förelåg inga signifikanta skillnader i subjektivt känsloläge mellan de olika typerna av ljuskällor. För att göra jämförelser mellan den och försökspersonernas fysiologiska reaktion jämfördes även dessa värden under en dags exponering. Resultaten visade att det föreligger en signifikant skillnad mellan de två belysningsförhållandena. Högst cortisolnivå uppvisades i rummet med högst nivå på omfältsljuset och lägst kortisolnivå uppvisades i rummet med lägst omfältsljus. Det förelåg också en tydlig skillnad under dagen med högst cortisolvärden på morgonen och därefter fallande värden under dagen. (Styrka: p=.044, Tid: p=.000) nmol/l cd 300 cd Figur 5. Skillnader i cortisolnivåer under dagen och mellan de två belysningssituationerna och tid på dagen. 8

9 Några skillnader avseende melatonin erhölls inte. Ej heller har några skillnader baserat på ålder, kön, personlighet och känslighet för årstidsrelaterade besvär inte kunnat konstateras i studien. Diskussion Resultaten av föreliggande studie visar åter att omfältsljuset tycks påverka nivån på en kronobiologisk markör under en dags exponering för olika omfältsluminanser. Det sker signifikanta förändringar från en omfältsluminans av 100 cd/m 2 och vidare till 350 cd/m 2 avseende kortisolnivå. Vidare upplever man LED-ljuset som något mer lysande, men samtidigt om än enbart en tendens till att ljuset är bättre. Kortisolresultaten stämmer väl överens med resultat från tidigare studier. När det gäller upplevelsen kan man sträcka sig till att säga att det sker i varje fall ingen försämring av ljuskvaliteten med LED. Det är dock viktigt att påpeka belysningsplaneringen. I föreliggande fall har man helt eliminerat bländningseffekten. LED-ljuset är smalstråligt och måste därför avskärmas mycket omsorgsfullt. Om man gör det är själva ljuskvaliteten inte sämre under förutsättning av ljuskällorna är av god kvalitet. Det innebär att det finns en stor besparingspotential med LED. Resultaten måste dock tolkas med försiktighet och mer forskning avseende olika typer av LED måste genomföras. Resultaten är dock hoppfulla då man med god belysningsplanering och bra LED-ljuskällor kan erhålla minst lika bra artificiellt ljus som med konventionell lysrörsbelysning. Sammanfattningsvis ligger resultaten från den föreliggande studien väl i linje med vad tidigare forskningsresultat antytt, nämligen att omfältsljuset måste beaktas när ljusets icke-visuella effekter studeras. Fortsatt forskning behövs för att ytterligare klarlägga de optimala nivåerna. Referenser Berson, D.M Strange vision: ganglion cells as circadian photoreceptors. Trends in Neurosci. 26: Brainard, G.C. and J.P..Hanifin Photons, clocks and consciousness. Journal of Biological Rhythms, 20(4): Boray, P., Gifford, R. & Rosenblood, L Effects of warm white, cool white and fullspectrum fluorescent lighting on simple cognitive performance, mood and ratings of others. Journal of Environmental Psychology, 9, Govén, T.; Bångens, L.; Persson, B Preferred luminance distribution in working areas. Proceedings of Right Light 5, 5 th European Conference on Energy-Efficient Lighting (Nice): Stockholm: Borg & Co. Govén, T., Laike, T., Pendse, B. & Sjöberg, K The impact of background luminance and colour temperature on perception, arousal, and emotional status. Proceedings Lux Europa, Istanbul, pp Knez, I. & Kers, C Effects of indoor lighting, gender and age on mood and cognitive performance. Environment and Behavior, 32,

10 Küller, R., Ballal, SG., Laike, T. & Mikellides, B. Shortness of daylight as a reason for fatigue and sadness. A cross-cultural comparison. Proceedings CIE 24th Session, Warsaw, Vol 1, Part 2, pp Küller, R., Ballal, SG., Laike, T., Mikellides, B. & Tonello, G The impact of light and clour on psychological mood: a cross-cultural study of indoor work environments. Ergonomics, 49, 14, Küller, R. & Laike, T The impact of flicker from fluorescent lighting on well-being, performance and physiological arousal. Ergonomics, 41, 4, Küller, R.; Lindsten, C Health and behavior of children in classrooms with and without windows. J. Environ. Psychol., 12, Küller, R.; Wetterberg, L. The subterranean work environment: Impact on well-being and health. Environ. Int. 1996, 22, Magnusson A, Boivin D. Seasonal affective disorder: an overview. Chronobiol Int 2003;20: Pendse, B Winter Depression: clinical, psychosocial and biochemical characteristics. Lund: Department of Clinical Neuroscience, Lund University (doctoral dissertation) Rosenthal NE, Sack DA, Gillin JC, et al Seasonal affective disorder. A description of the syndrome and preliminary findings with light therapy. Arch Gen Psychiatry;41:72-80 Vakkuri O, Leppäluoto J, Vuolteenaho O Development and validation of a melatonin radioimmunoassay using radioiodinated melatonin as tracer. Acta Endocrinologica;106:152-7 Wirz-Justice A, Graw P Phototherapy. Ther Umsch;57:71-5 Visser, E. K. & Graw Melatonin suppression by light in humans is maximal when the nasal part of the retina is illuminated. J Biol Rhythms;14(2): Öhman, A., Burell, G., Ramund, B. & Fleischman, N Decomposing coronary-prone behaviour: Dimensions of Type A behaviour in the videotaped structured interview. Journal of Psychopathology and Behavioral Assessment, 14,