Iluminacao e Fotobiologia:

Transcrição

Iluminacao e Fotobiologia:
Implicações e design
Mariana G. Figueiro, Ph.D.
Abril 7, 2006
1
© 2006 Rensselaer Polytechnic Institute. All rights reserved.
Agradecimentos
•
•
•
•
•
•
•
•
Isaac Roizenblatt
ABILUX
John Bullough, PhD
Mark Rea, PhD
Andrew Bierman, MSc
Dennis Guyon
Keith Toomey
Jean Paul Freyssinier-Nova, MSc
2
© 2006 Rensselaer Polytechnic Institute. All rights reserved. (Todos
(Todos os direitos reservados.)
Photometry: A medida da luz
O que é luz?
› Luz é formalmente definida como radiacao
ótica que entra na retina e fornece sensacao
visual
› Durante mais de 75 anos a fotometria tem
sido útil em caracterizar lampadas e
aplicações para visao
Minolta
3
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A luz não é so unicamente
Mas…… para a visão!
Getty-creative
4
Luz e Fotobiologia
Luz na retina tem dois efeitos na saúde e no
comportament humano
› Efeitos visuais - permite-nos ver
› Efeitos nao-visuais - sincroniza os nossos ritmos
circadiano com o dia de 24 horas
5
Ritmos Circadianos
Os ritmos circadian são ritmos químicos,
biológicos, ou mudanças no comportamento que
se repetem a cada aproximadamente 24 horas
(Circa = aproximadamente; dies = dia)
Os ritmos circadianos são influenciados por
fatores internos e externos (zeitgebers)
Os ritmos circadianos, na ausência de
informacao sobre a hora, tornam-se
desincronisados com o dia solar de 24 horas
o ciclo de luz e escuridao é o principal
sincronizador dos ritmos circadian com o dia solar
6
Ritmos Circadianos
Melatonina
Adapted from Buxton et al., 1997
› É considerado um marcador
da fase e da amplitude dos
ritmos circadianos
› É um hormonio que aje como
um mensageiro circadiano
para outros sistemas
regulatorios no corpo
› É produzido a noite e sob
circunstâncias da escuridão
› E proporcionalmente inverso
com temperatura do corpo
› Limita o crescimento de
certos tipos de cancer
Clock Time
7
Características da luz que afetam o
ritmos circadianos
Luz (de certa intensidade, cor, aplicada no hora correta,
e por cereta duracao) suprimirá a produção da
melatonina e alterara a fase do ritmo circadiano
Fatores que determinam a eficiencia da luz para os
ritmos circadianos
›
›
›
›
›
›
Quantidade de luz na retina
Cor (spectrum)
Distribuição spacial
Hora da exposicao
Duração
Quantidade de luz a pessoa e exposta durante o dia
8
Iluminacao na retina (quantidade)
Papel branco iluminado sob a
lua
Papel branco sob o 500 lx
(horizontal)
Caixa clara com
lâmpadas
fluorescentes
Resposta relativa
1.0
0.8
RVP
0.6
0.4
0.2
0
0.01
0.1
1
10
100
1,000
10,000
Illuminance fotopica na cornea (lx)
Desempenho visual relativo (RVP) e supressão estimada da melatonina após 1 hora
de exposição à iluminação fluorescente (baseada em McIntyre et em al., 1989)
9
Cor (Spectrum)
Modelo matematico representando a sensitividade de cor
da retina para converter a luz branca e a luz
monocromática em sinais para os ritmos circadianos
Rea et al., 2005; Figueiro et al., 2004
Modeled Spectral Sensitivity for Equal Energy Spectrum
(to give 35% melatonin suppression)
relative value (arb. units)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
400
500
600
700
wavelength (nm)
LRC desenvolveu e publicou (Brain Research Reviews) um modelo
matematico para o calcular o efeito da luz nos ritmos circadianos
10
Cor (Spectrum)
Papel branco sob o
luar
Papel branco sob o lx 500
(horizontal)
Luz de lâmpadas
fluorescentes
Resposta relativa
1.0
0.8
A
RVP
0.6
B
0.4
C
0.2
D
0
0.01
0.1
1
10
100
1,000
10,000
Illuminance photopica na cornea (lx)
Desempenho visual relativo (RVP) e supressão estimada da melatonina após 1 hora de exposicao ao
diodo azul (LED) A 7500 K B 4100 K C 3000 K D iluminação fluorescente. Baseado em
McIntyre et em al., 1989
11
Prática de iluminacao
Lampadas
Lúmens photopico/watt
Estimulo circadiano/watt
Fluorescente 3000K
100 lm/W
74 CS/W
Fluorescente 7500K
100 lm/W
157 CS/W
Incandescente
12 lm/W
12 CS/W
D65
70 lm/W
133 CS/W
Vapor de Mercúrio (Hg)
45 lm/W
18 CS/W
LED Azul
(470 nm)
8 lm/W
15 lm/W
223 CS/W
418 CS/W
12
Distribuição espacial
Arquivos de LRC
www.physiol.cam.ac.uk
Glickman et al., 2003 demonstrou
que a iluminacao atingindo a
retina por cima e mais eficaz do
que atingindo a retina por baixo
Arquivos de LRC
Arquivos de LRC
13
Hora da exposicao
Jewett et al., 1997
Deslocamento de fase (h)
Atrasa
Avanços
Hora Relativa Do Relogio Interno
Avanço da
fase
Luz
Dormir mais
cedo
Atraso
da fase
Luz
Dormir
mais tarde
Fase Inicial
(horas após CBTmin)
pulso 5-hr de 7,000 to 13,000 lux
14
Duração
∞
Tempo (minutos)
60 60
50
40
33
30
28
50%
20
40%
15
12
25%
10
Visão ~0
0
100
(iluminacao típica de
escritório, lx 500
horizontal)
2000
1000
(olhando para uma
janela)
3000
(iluminacao
matinal)
Illuminance photopic no olho (lx)
A quantidade de tempo requerida para medir a supressão da melatonina pela luz, em função da
quantidade de luz fornecido na cornea (baseado em McIntyre et em al, 1989).
15
Sensibilidade a luz
A sensibilidade à luz de noite (para a supressão da
melatonina) mudará dependendo da quantidade de luz a
pessoa e exposta durante o dia (Herbert et al., 2002;
Lynch et al., 1985)
16
Seasonal
affective disorder
(SAD)
Unidades de
cuidado intensive
neonatal
Cancer de
mama
Performance
Doença de
Alzheimer
Insomnia
17
Aplicações da luz para o bem estar
Caveats
› A exposição luz na retina não deve ser usada
para cura, mas pode ser usada para mitigar
os sintomas de determinadas doenças e
melhorar a qualidade de vida das pessoas
doentes
› Diferencas individuais devem ser considerado
(e.g., sensibilidade à luz, fase do ritmo
circadiano)
› A caracterização da luz é fundamental
18
Seasonal Affective Disorder (SAD)
SAD sintomas
(Rosenthal, 1998)
Relacao entre o comprimento
do dia e os sintomas de SAD
(Rosenthal et al.,
al., 1964)
Photo: LRC archives
19
Seasonal Affective Disorder (SAD)
Recomendações para a prática da iluminacao
› Caminhe por meia hora na parte da manha!
› Nao sabemos quais os mecanismos de SAD, mas a
recomendacao prática inclui:
• 2-horas de exposicao a 2.500 lux da luz branca na cornea
• ½-hora de exposição a 10.000 lux da luz branca na cornea
› Outras recomendações incluem:
• 1-hora de exposicao a 30 lux de diodos azuis pela manhã
• Máscara de luz usando diodos azuis antes de acordar
20
Cancer de mama
Mulheres cegas
› EUA
SIR*
0.5
(Hahn, 1991)
Aeromocas
› Finland
(Pukkala et al., 1995)
Trabalhadoras
1.9
(Hansen, 2001)
1.0
1.5
› Diurno
› Noturno
21
Cancer de mama
Melatonin retarda o crescimento de
determinados tipos de cancer. (Blask et al., 1991)
Baixos níveis de luz branca suprimirão a
melatonina nos ratos. (Blask et al., 2001; Reiter, 1985)
› Animais noturnos são geralmente muito mais
sensíveis à luz do que seres humanos (diurnos).
22
Cancer de mama
A luz (de certa intensidade e duração) suprime o
melatonin na noite e, hipotèticamente, pode estar
ligado a uma incidência mais elevada do cancer de
mama em trabalhadores do turno da noite (Stevens and Rea,
2001)
› Ha necessidade de caracterizar a exposição a luz durante as 24
horas para trabalhadores do turno da noite e como essa
iluminacao afeta a melatonin
› Ha necessidade de esclarecer outros fatores que podem ser
associados com o risco de cancer (e.g., stress, alimentacao,
cafeína, e deprivacao do sono)
• 100 g de cafeína dado 4 vezes por noite reduziu níveis do melatonin
durante o começo da noite para mulheres na fase luteal. (Wright et al.,
2000)
• A deprivacao do sono tem um impacto prejudicial em funções do
metabolismo e hormonal. (Spiegel et al., 1999)
23
Cancer de mama
Recomendacao para a população em geral
› Dormir regularmente na mesma hora
› Exponha-se a luz do dia
• A sensibilidade à luz noturna é relacionada a uma
quantidade de exposição à luz durante o dia (Lynch et
al., 1985)
› Mantenha o nivel de luz reduzido durante a
noite para a segurança (Figueiro, 2001)
24
• A exposição a altos niveis
de luz durante a noite
aumenta a temperatura de
corpo e mantem a pessoa
mais acordada
Avaliação
Média
Mean Rating
“Como"HOW
acordado
estáARE
você?”
– Deslocamento
De Noite
AWAKE
YOU?"
- NIGHT SHIFT
3.0
y = 1.958x - 190.09
2.5
2
R = 0.7866
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
97.0
97.2
97.4 97.6
Figueiro et al., 1999
Densidade De Poder Do Registro
Performance Durante o Turno da
Noite
Não
Brilhante Não
Brilhante
Não
Brilhante
Ofuscante
Ofuscante
Ofuscante
Tempo-e-Noite (Bloco)
Badia et al., 1991
Luz Normal
t1-Normal
Light
Luz Normal
t2-Normal
Light
Luz Normal
t3-Normal
Light
Luz Brilhante
t1-Bright
Light
Luz Brilhante
t2-Bright
Light
Luz Brilhante
t3-Bright
Light
97.8
98.0
98.2
98.4
Temperatura
De Tympanic
Tympanic Temperature
(°F) (°F)
98.6
• A exposição altos niveis
de luz durante a noite
aumenta atividades do
cérebro
Patrocinadores:
Patrocinadores: Memorial Hospital, South Bend, IN
Swedish National Energy Administration
25
Noite
A exposição a altos niveis de luz durante a noite
melhora performance de certos tipos de tarefas
% da MELHORIA
25
20
15
10
5
alta
baixa
0
Performance
Boyce et al., 1997
after Campbell et al., 1998
26
Noite
Recomendações para a prática
de iluminacao
› Efeitos agudos
• Forneça altos niveis de luz branca (300 a
500 na cornea)
• Forneça a luz azul (lux >30 na cornea)
• Forneça o lux azul da luz >30 na cornea
na noite
• Oculos amarelos pela manhã
• Minimize a exposição da luz durante o dia
27
SCS Limited.com
› Deslocamento de fase (sincronizacao
ao turno da noite)
Performance: Trabalhdores Diurnos
Tarefas em espacos com luz do dia e em espaços sem luz do dia
45%
40%
35%
15%
30%
25%
Luz do dia
Interior
20%
15%
46%
5%
0%
Luz do dia
Interior
Computador*
30%
26%
Papel
1.4%
1.3%
Conversa*
Telefone*
5.8%
7.9%
2.0%
3.7%
Outro
1.2%
1.4%
% do ocupacao
41%
40%
ocupacao/tarefa
28
Patrocinador: NYSERDA
Figueiro et al., 2002
25%
10%
Exposicao a Luz do Dia em Predios
Fraca e irregular
illuminance atno
eyeolho
(lx)
Illuminance
Illuminances típicos durante todo o dia: Ao ar livre e dentro
5000
10000
4000
1000
3000
100
2000
10
1000
1
0
0.1
12:00 AM 6:00 AM 12:00 PM 6:00 PM 12:00 AM
12:00 AM 6:00 AM 12:00 PM 6:00 PM 12:00 AM
time
tempo
outdoors
ao ar livre
dentro/perto da
janela
indoors/close
to window
tempo
time
indoors/no windows
dentro/nenhuma
janela
indoors/far from
dentro/longe
da window
janela
dosimeter
29
Performance: Trabalhadores Diurnos
de iluminacao
› Forneça o acesso à luz do dia para
sincronizar os ritmos circadian com
o dia solar
• Particularmente na manhã
› Forneça altos niveis de iluminação
eletrica de manhã (300 a 500 na
cornea)
– Lampada com CCT de 6500K
› Forneça a luz azul (lux >30 na cornea)
– Camadas de iluminacao
30
Bebes Prematuros
Bebes prematuros
› Luz ciclica (alto nivel durante
o dia e baixo nivel de
iluminacao a noite) aumentou
of peso de bebes prematures
(Brandon et al., 2002), aumentou a
atividade dos bebes durante
o dia e reduziu atividade a
noite (Rivkess et al., 2004)
› Nenhuma vantagen em
manter bebes acima de 28
semanas em baixos niveis de
iluminacao
(Brandon et al.,
al., 2002) Duke School of Nursing
31
Infantes Prematuros
Recomendações para a prática de
iluminacao
› Prematuros acima de 28 semanas, podem
ser colocados em altos niveis de ilumincao
(250 lux no ambiente) durante o dia e
baixos niveis de iluminacao a noite (menos
de 25 lux a noite)
› Combinacao de luz do dia com iluminacao
indireta fornecera níveis elevados de
iluminacao durante o dia e níveis baixos
de iluminacao a noite (Fonte:
Fonte: Dr. Robert White,
Memorial Hospital, South Bend, IN)
› Se usar a iluminacao elétrica
• Filtre a radiação ultravioleta
32
NICU Memorial Hospital
South Bend, IN
Syndrome da fase do sono atrasado
(Delayed Sleep Phase Syndrome)
Disordem do sincronismo de
entre a hora de dormir e o
relogio
› Sono se inicia 3 a 6 horas
mais tarde
› Comum em adolescentes,
com um prevalencia de 7%
(Baker and Zee, 2000)
33
Delayed sleep phase syndrome (DSPS)
Recomendações para a
prática de iluminacao
• Va para uma caminhada na parte da
manha (depois da temperatura minima)
• 30 lux do diodo emissor de luz azul por
1 hora na manhã (depois da
temperature minima)
• Oculos amarelos a noite
34
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Adultos Idosos
Idosos vao dormir muito cedo,
acordam muito cedo, e
cochilam durante o dia
› Mudanças da função no nível
molecular do relogio biologico
› Menos sensitividade a iluminacao
› Menos luz atinge retina
› Vida sedentaria
35
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Adultos Idosos
subjects
found
asleep
A Percentage
percentagemof
dotime
tempo
adults were
estavam
adormecidos
non-AD
subjects
(n
=
3)
Non-AD (n=3)
Percentage
Time Asleep
Porcentagem
dooftempo
adormecida
Percentage
of time adormecida
asleep
Porcentagem
do tempo
Idosos sem Alzheimer’s
1
0.9
0.8
0.7
0.6
Red
light
Luz
vermelha
Blue
Luz
azullight
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Lighting
Conditions
Cor da Iluminacao
ofdo
time
subjects
found
asleep
APercentage
percentagem
tempo
adultswere
estavam
adormecidos
non-AD
subjects
(n =3)
Non-AD
(n=3)
100%
90%
80%
70%
Red
light
Luz
vermelha
Blue light
Luz azul
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
12 AM
2 AM
4 AM
Time
Hora
Azul = 89.5% dormindo
Vermelho = 67.0% dormindo
p = 0.0003
36
6 AM
Adultos Idosos
Recomendações para a prática de
iluminacao
› A exposição a altos nives de
iluminacao a noite atrasa a
fase do relogio biologico
azuis por a hora 1+
• Evite a exposição altos niveis de
iluminacao de manha muito cedo
• Vá ao ar livre ou sente-se perto de uma janela
depois de 10:00 am
37
SCS Limited.com
• 30 lux de diodos emissores de luz
Doença de Alzheimer
Os pacientes de
Alzheimer expostos
1136 ±89 lux na
cornea durante o dia
inteiro melhorou os
distúrbios dos ritmos
circadianos e dos
ritmos de descansoatividade
(Van Someren et al., 1997)
38
30 lux na cornea da luz azul a noite consolidou o ritmo
circadiano e aumentou a quantidade de tempo os
pacientes foram encontrados dormindo
Percentage of
foundadormecida
asleep
Porcentagem
dotimes
tempo
Sleep do
Quantity
in Alzheimer's
Disease
Patients
Quantidades
sono em
pacientes da
doença
de Alzheimer
100
90
80
70
60
Red
Blue
50
40
30
20
10
0
10pm
12mid
2am
4am
6am
Tempo
Time
(Figueiro et al., 2002)
39
Segundo estudo
subjects
were found
asleep
APercentage
percentagemofdotime
tempo
adults estavam
adormecidos
Percentage
Time Asleep
Porcentagem
do of
tempo
adormecida
Percentage
of time adormecida
asleep
Porcentagem
do tempo
Percentage of
subjects
found
asleep
A percentagem
dotime
tempo
adults were
estavam
adormecidos
AD subjects
(n = 3)
AD (n=3)
1
0.9
0.8
0.7
0.6
Red
light
Luz
vermelha
Blue
Luz
azullight
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Lighting Conditions
Condições
Do Lighting
AD subjects
AD (n=3)(n =3)
100%
90%
80%
70%
60%
light
LuzRed
vermelha
Blue light
Luz azul
50%
40%
30%
20%
10%
0%
12 AM
2 AM
Time
Tempo
Azul = 67% adormecida
Vermelho = 54% adormecida
p = 0.03
40
4 AM
6 AM
de iluminacao
› Exponha pacientes de Alzheimers a 30
lux de luz azul na cornea por 2 horas
• Durante o jantar
• Assistindo TV
• Em cadeiras de rodas
› Traga pacientes ao ar livre durante o
dia
› Baixo nivel de iluminacao a noite
41
Seasonal
Affective Disorder
unidades de
tratamento
intensive
(prematuros)
E a populacao
em geral?
cancer de
mama
Performance
a noite
doença de
Alzheimer
Problemas
para
dormir
42
Sumário
A luz não é so para a visão – oportunidade de
desenvolvimento em uma nova area
› Oportunidade para os fabricantes desenvolverem novos produtos
› Oportunidade para os designers adicionarem "uma nova camada
de luz" no projeto
Iluminacao para a visão e diferente da iluminacao para os
ritmos circadianos
Considerar:
›
›
›
›
›
›
Quantidade
Spectrum (cor)
Distribuição espacial
Hora da exposicao
Duração da exposicao
Historia da exposicao
43
Muito Obrigado !
www.lrc.rpi.edu
44
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Iluminacao e Fotobiologia:

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