Influence of led lighting on mental performance

Full Text

Введение Профессиональная деятельность человека неразрывно связана с его способностью воспринимать зрительную информацию и напрямую зависит от параметров световой среды. Комфортная и безопасная светотехническая обстановка особенно важна для космонавтов деятельность которых сопряжена с постоянным стрессом, и длительной изоляцией от естественной среды обитания. Актуальность настоящего исследования определяется необходимостью создания на базе современных источников света надежных, комфортных и безопасных систем освещения для космических летательных аппаратов. Специфические условия эксплуатации предъявляют жесткие технические требования к космическим светильникам. В то же время они должны выполнять свое основное предназначение - обеспечивать полноценное восприятие зрительных сигналов, создавать благоприятные условия для поддержания работоспособного состояния космонавта, повышения качества и надежности его деятельности. Наиболее перспективными источниками света для применения в космонавтике могут стать светодиоды, обладающие рядом технических достоинств (высокая надежность, долговечность, экономичность, низкое энергопотребление, пожарная, ударная, вибрационная и экологическая безопасность и др.) [1]: С появлением светодиодных источников света большое внимание специалистов вновь привлекла концепция динамического освещения (Мельников Л.Н., 1972), изменяемого по спектрально-цветовым и яркостным характеристикам, и направленного на регуляцию функционального состояния человека. Варьируя спектральноэнергетические характеристики источников света можно воспроизвести суточную динамику естественного освещения в условиях длительного космического полета или морского похода. Это один из перспективных методов профилактики и лечения десинхроноза - симптомо-комплекса, включающего расстройства сна (сокращение длительности и ухудшение качества), сонливость в период бодрствования, снижение аппетита, ухудшение настроения и, как следствие, снижение работоспособности. На основании вышеизложенного, можно предпо ложить, что светодиодное освещение является наиболее перспективным в плане применения в гермообъектах. Однако, при всех неоспоримых технических преимуществах светодиодов, неравномерность спектрального состава их света (преобладание синего компонента -«blue light hazard» и малая доля зеленого - феномен «зеленой долины») вызывают опасения у специалистов. [2-4]. В качестве основного механизма негативного действия светодиодного света обсуждается угнетение синтеза мелатонина, который рассматривается как основной регулятор психической активности. В литературе представлены многочисленные исследования, показывающие как негативное [4, 5], так и позитивное влияние светодиодов [6-9] на здоровье и работоспособность человека. Разнообразие и противоречивость результатов может быть обусловлена тем, что действие света на организм человека носит не линейный и не аддитивный характер [10, 11]. В рамках настоящего исследования проведена экспериментальная оценка влияния на психическую работоспособность оператора систем светодиодного освещения с постоянными и варьируемыми во времени (воспроизводящими естественную суточную динамику) спектрально-энергетическими характеристиками, предназначенных для эксплуатации на международной космической станции. Материалы и методы исследования Исследование выполнялось на базе Государственного научного центра Российской Федерации - Института медико-биологических проблем Российской академии наук (ГНЦ РФ-ИМБП РАН) в период 2014-2015 гг Уровень научной обоснованности, достаточность мероприятий по организации медицинского контроля и обеспечению безопасности Программы экспериментальных исследований с участием человека была признана соответствующей нормам биомедицинской этики и одобрена Комиссией по биомедицинской этике ГНЦ РФ-ИМБП РАН (Протокол № 367 от 31.07.2014 г). Риск и дискомфорт при проведении исследования определен как минимальный. Работа проводилась в 2 этапа с перерывом в 5 месяцев. В исследованиях первого этапа приняли участие 10 здоровых добровольцев-мужчин в возрасте от 25 до 42 82 Диссертационная орбита Вестник восстановительной медицины № 5^2016 лет. Участие во втором этапе экспериментальных исследованиях приняли 8 добровольцев из числа участников первого этапа. На каждом этапе регистрировались фоновые значения, оценивались влияние экспериментального освещения и эффекты последействия. В качестве контрольного использовалось искусственное освещение люминесцентными лампами с коррелированной цветовой температурой (КЦТ) 4500±450К («нейтрально-белый» свет). Лампы располагались в камере ограниченного объема таким образом, чтобы создаваемые ими уровни освещенности соответствовали требованиям ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медикотехнические требования.» и были сопоставимы по значению с уровнями освещенности, создаваемыми экспериментальными светодиодными светильниками. На первом этапе эксперимента оценивалось влияние постоянного (по спектрально-энергетическим характеристикам) освещения бортовых светодиодных светильников ССД301, ССД305 и ССД307. КЦТ системы освещения составляла 4000±100К. На втором этапе экспериментального исследования использовалась динамическая система освещения на базе светодиодных светильников ССД311 с варьируемыми во времени спектрально-энергетическими характеристиками. Данные светильники позволяют воспроизводить динамику освещения близкую к естественному суточному циклу. Алгоритм динамического освещения представлен в табл. 1. Переключение между режимами освещения осуществлялось плавно в течение 20-30 минут. Общая продолжительность светлого времени суток (включая гражданские сумерки) составила 18 часов, что близко соответствует дню 15 мая для Московской области. В соответствии с принятыми на РС МКС нормативами продолжительности дневного периода в цикле «сна -бодрствования» космонавтов («Требования к планированию режима труда и отдыха космонавтов во время полетов на МКС», 2000 г) циклограмма экспериментальных исследований была разработана таким образом, чтобы продолжительность периода бодрствования составила 15,5 ч и приходилась на светлое время суток. Гражданские сумерки начинались за полтора часа до подъема и завершались через 1 час после отбоя. Оценка психической работоспособности операторов проводилось с помощью корректурной пробы и Адаптивной Модели Операторской Деятельности (АМОД). Корректурная проба применялась для оценки свойств внимания оператора. Использовался буквенный компьютеризированный вариант методики. Перед обследуемым стояла задача находить в тестовом материале две разные буквы и выделять их кликом мыши: один вид букв - правым кликом, другой вид - левым. Через каждые 60 секунд соотношение букв и кликов мыши менялось на противоположное. Продолжительность рабочей сессии составляла 10 минут. Подсчитывалось общее число просмотренных знаков, число правильно выделенных букв, число пропущенных или ошибочно выделенных букв. Тестирование качества операторской деятельности испытуемых выполнялось по методике АМОД, разработанной на кафедре «Эргономики и информационноизмерительных систем» «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского и предназначенной для диагностики уровня психической работоспособности. Процедура методики АМОД заключается в одновременном выполнении двух заданий. Первое задание состоит в том, чтобы следить за перемещением объекта в виде квадрата на экране компьютера и постоянно удерживать в его центре крест, который управляется курсором компьютерной «мыши». Второе задание предполагает работу с числами: над квадратом высвечиваются на короткое время три цифры, нужно сложить две крайние цифры и полученную сумму сравнить с центральной в предъявленном ряду. Если сумма окажется больше центральной цифры, следует дать ответ путем нажатия на правую клавишу «мыши», если же сумма окажется меньше, то нужно нажать левую клавишу «мыши». В случае успешной деятельности слежения за объектом повышается скорость и амплитуда перемещения квадрата по экрану компьютера. Если же исполнитель не справляется с предъявленной сложностью задачи слежения, то движение объекта замедляется и упрощается. Адаптивность задач счета (сравнения чисел) заключается в том, что задачи выдаются не на фиксированное время, а в режиме автотемпа, т.е. подстраиваются под скорость работы конкретного исполнителя. В процессе тестирования регистрировались: частота и амплитуда колебаний виртуальной цели по осям координат, количество правильных, не правильных и пропущенных ответов, средняя длительность ответов. На основе данных параметров рассчитывались показатели качества деятельности: Осх=Лс*еох - качество слежения по горизонтальной оси; Qcr = Ay*mt - качество слежения по вертикальной оси; Таблица 1. Алгоритм имитации светлого времени суток. Моделируемое время суток Длительность светового воздействия, мин Коррелированная цветовая температура (КЦТ), Кельвины рассветные сумерки 60 минут 2200±200К утро при ясной погоде 120 минут 4000±400К ясная погода 300 минут 5000±500К облачный покров 120 минут 8000±800К ясная погода 180 минут 5000±500К вечер при ясной погоде 120 минут 4000±400К вечерние сумерки 60 минут 2200±200К Диссертационная орбита 83 Вестник восстановительной медицины № 5^2016 0== x/ÖL+qT - комплексный показатель качества слежения; Q - W2_„ (n+n)*t - комплексный показатель качества счета; Q = Qc*Qj - показатель качества совмещенной деятельности, где юх - частота колебаний виртуальной цели на экране монитора по оси х; юу - частота колебаний виртуальной цели по оси y; Ах - амплитуда колебаний виртуальной цели по оси х; Ау - амплитуда колебаний виртуальной цели по оси y; N+ - количество правильных ответов; N- - количество неправильных ответов; Tycp - период усреднения результатов тестирования. По результатам выполнения корректурной пробы и методики АМОД оценивались также точность и производительность деятельности. Коэффициент точности вычислялся по формуле Уиппла: V + p где К - коэффициент точности, V - общее количество обнаруженных стимулов, r - количество неправильно обнаруженных стимулов, p - количество пропущенных стимулов. Данный показатель принимает значения от 0 до 1,0 и отражает устойчивость внимания, то есть способность выполнять определенную работу с требуемой точностью в течение заданного интервала времени. Производительности работы оценивалась по показателю «Продуктивность», который вычислялся с учетом точности выполнения задания по модифицированной формуле Е.Д. Хомской и В.А. Терехова [12]. Модифицированная формула содержит вместо «Точности» «Коэффициент точности», что позволяет учитывать при расчетах не только пропуски, но и ошибки: Р - К *N где Р - продуктивность, К - коэффициент точности, N - количество всех просмотренных знаков. Продуктив ность характеризует концентрацию и устойчивость внимания. Обобщение полученных результатов и их оценка, были произведены с помощью методов непараметрической статистики. Вычислялись показатели: медиана, квартили, межквартильный размах. Для проверки статистической значимости различий между множественными (более двух) повторными измерениями был применен L критерий тенденций Пейджа. Для выявления статистически значимых различий между парами измерений в связных выборках был применен парный критерий Т. Вилкоксона. Различия считались значимыми при вероятности ошибки первого рода р<0,05. Результаты исследования и их обсуждение В условиях как постоянного, так и динамического светодиодного освещения точность выполнения тестовой деятельности, сохранялась на высоком уровне (0,90 0,95). Статистически значимых различий между значениями коэффициента точности до, после и на протяжении всех экспериментальных исследований не выявлено. Продуктивность выполнения корректурной пробы при постоянном светодиодном освещении возросла от фона к последействию на 6,5% при динамическом и на 12% при постоянном режимах светодиодного освещения (р<0,01, L критерий тенденций Пейджа). Параметры, характеризующие качество выполнения разных типов тестовой деятельности представлены в таблице 2. Показатели качества выполнения задач слежения, счета и совмещенной деятельности в условиях постоянного и динамического светодиодного освещения значимо не изменились по сравнению с фоновыми значениями. При освещении с постоянными спектральноэнергетическими характеристиками качество слежения было в целом выше (на 8-15%; р 0,05, парный критерий Т Вилкоксона), чем при освещении, моделирующем естественную суточную динамику (рис. 1), а показатель качества счета незначимо ниже (на 5%; р<0,05, парный критерий Т Вилкоксона). При этом, результирующий показатель качества совмещенной деятельности в условиях постоянного светодиодного освещения оказался выше (на 8%; р<0,05, Таблица 2. Результаты выполнения тестовой операторской деятельности (методика АМОД, n=8). 84 Диссертационная орбита Вестник восстановительной медицины № 5^2016 Показатель совмещенной деятельности Фон 0,695 0,522 0,849 0,327 Постоянное освещение 0,846 0,578 1,032 0,453 Последействие 0,771 0,604 1,044 0,441 Фон 2 0,791 0,671 1,029 0,358 Динамическое освещение 0,779 0,512 0,915 0,402 Последействие 2 0,686 0,498 0,900 0,402 парный критерий Т Вилкоксона), чем при динамическом светодиодном освещении (рис. 2). Отчасти это может быть обусловлено тем, что при моделировании суточной динамики изменяется не только КЦТ, но и уровни освещенности. Выводы 1. Установлено, что рассмотренные типы светодиодного освещения (при непрерывном воздействии до 12 суток) не оказали значимого негативного влияния на психическую работоспособность. 2. Светодиодное освещение обеспечило стабильно высокую точность выполнения тестовой деятельности (0,90-0,95) на протяжении всего периода иссле дований. Продуктивность деятельности возросла на 6,5% при динамическом и на 12% при постоянном режимах светодиодного освещения (р<0,01, L критерий тенденций Пейджа). 3. При освещении с постоянными спектрально-энергетическими характеристиками качество слежения было на 8-15% выше, а показатель качества совмещенной деятельности на 8% выше, чем при освещении, моделирующем естественную суточную динамику (р<0,05, парный критерий Т Вилкоксона). Можно предположить, что позитивный эффект динамического освещения реализуется на более продолжительном временном интервале. Median; Box; 25-75%; Whisker: Min-Max Рисунок 1. Качество слежения в условиях постоянного и динамического светодиодного освещения. Median; Box; 25-75%; Whisker: Min-Max Рисунок 2. Качество совмещенной деятельности в условиях постоянного и динамического светодиодного освещения.

About the authors

A. E Smoleevskiy

GNC RF «Institut mediko-biologicheskih problem» RAN

Email: smoll13@mail.ru

References

Supplementary files