Риски влияния света светодиодных панелей на состояние здоровья оператора

В современных информационных системах управления сложными энергетическими и транспортными системами особое место принадлежит человеку-оператору. Проблеме эффективности его работы посвящен ряд научных публикаций [3, 7, 9], в которых, однако, не рассматривается влияние спектра света, излучаемого устройствами отображения информации и осветительными приборами, на состояние здоровья и зрительного анализатора операторов. Известно, что от состояния оператора воспринимать информацию, его психофизического статуса и здоровья в значительной степени зависят скорость и адекватность принятия решения в экстремальных ситуациях.

По данным корпорации по исследованиям в области планирования на случай возникновения чрезвычайной ситуации в банках международного валютного фонда до 10 % угроз отказов информационных систем исходит от операторов. По другим данным американских источников, в целом степень влияния человеческого фактора на информационные системы еще выше и составляет до 30 %, причем до 18 % из них приходится на небрежное и халатное отношение к обработке или вводу информации. Согласно одному из проводимых опросов, осуществленных в 2005 г., в России самой серьезной угрозой названа непреднамеренная ошибка операторов [1].

В настоящее время рабочие места операторов информационных систем укомплектованы экранами со светодиодной подсветкой, которые освещаются светодиодными панелями. Учитывая агрессивное внедрение высокоинтенсивных светодиодов в устройства отображения информации и осветительные приборы, становится все более ак-

туальной проблема влияния спектра их света на глаза и здоровье оператора [2, 12, 13].

К особенностям влияния спектра света белых светодиодов на здоровье человека, который работает по сменам (день – ночь), относится тот факт, что глаза оператора (особенно в ночное время) подвергаются воздействию как света от плоского экрана, который имеет светодиодную RGB-подсветку, так и света от плоских светодиодных светильников (панелей).

В основе белых светодиодов лежит синий светодиод с длиной волны максимума излучения 455–465 нм и преобразующий его желтый люминофор.

Базовая длина волны для белого светодиода (460 нм) оказывает на глаза и здоровье человека специфическое воздействие и является для него одной из основных частот. На этой длине электромагнитного излучения биоритмы человека синхронизированы с солнцем (с циклами «день – ночь»). Свет, попадающий в глаза человека, вызывает целый ряд биологических и поведенческих эффектов: секрецию мелатонина и кортизола, циркадные изменения. Исследования ученых Института неврологии университета им. Томаса Джефферсона (США) показали, что в глазах человека, кроме колбочек и палочек, имеется третий тип фоторецепторов, который не влияет на зрительный процесс. Эти клетки располагаются в нижней части сетчатки и содержат светочувствительный пигмент меланопсин, который преобразует световое излучение 460 нм в электрические сигналы, передающиеся в эпифиз, синтезирующий определенную дозу мелатонина. Сегодня известны основные физиологические функции мелатонина, такие как:

• •    биоритмологическая функция;

• •    терморегуляция и индукция сна;

• •    антиоксидантный эффект;

• •    иммуномодулирующее действие;

• •    антистрессорное действие;

• •    регуляция полового развития.

Установлено, что именно ночью вырабатывается 70 % суточного количества ме- латонина – гормона, который защищает нас от стрессов и преждевременного старения, от простудных и даже онкологических заболеваний. У каждого человека в соответствии с его возрастом кривая накопления мелатонина своя, специфичная как отпечатки пальцев, и она показывает дозу накопленного за ночь мелатонина, препятствующую образованию свободных радикалов. В настоящее время свободные радикалы рассматриваются как неполноценные молекулы, которые лишены одного электрона и всячески пытаются его вернуть, отнимая у других, «нормальных», молекул. Механизм антиоксидантного действия проявляется в том, что мелатонин обладает выраженной способностью связывать свободные радикалы. Дефицит мелатонина в этом процессе приводит к отложенным рискам возникновения тяжелых клинических последствий для здоровья человека. Было показано, что освещенность в 1,3–4,0 лк монохромного синего света или в 100 лк белого света подавляет продукцию мелатонина. Это подавление мелатонина в вечернее время, когда включено освещение, может привести к сдвигу биологических часов человека.

Особенно опасно спать перед экраном светодиодного монитора при включенном общем светодиодным освещении, которое даже через закрытые веки подавляет выработку мелатонина. Исследователи из Гарвардской медицинской школы в городе Бостон (Harvard Medical School in Boston) доказали это, проведя специальное исследование. Они пригласили для участия в эксперименте 116 добровольцев в возрасте от 18 до 30 лет, которые на протяжении пяти вечеров по 8 часов в день подвергались воздействию света разной яркости в период, предшествовавший ночному сну, и во время него. С помощью введенного внутривенного катетера у испытуемых каждые 30–60 минут проводился забор крови для определения уровней мелатонина. Было установлено, что чем ярче свет, тем ниже были уровни гормона, хотя наивысшее содержание мелатонина в крови должно было быть в период от полуночи до 4 часов утра.

Кроме того, наличие света во время сна еще сильнее снижало его содержание в крови. «Невинная привычка спать при включенном свете легко может обернуться стойкой гипертонией и появлением диабета 2-го типа», – предупреждал профессор Джошуа Гули (Joshua Gooley), руководитель эксперимента.

Необходимо отметить, что многие устройства отображения информации имеют светодиодную подсветку («холодные» белые светодиоды или RGB), которые также подавляют выработку мелатонина. Об этом свидетельствуют результаты опроса Sleep in America (2011), проведенного в США организацией National Sleep Foundation (NSF). Согласно пресс-релизу, более 95 % опрошенных американцев признались, что перед сном они около часа пользуются каким-либо коммуникационным устройством (смартфоном, ноутбуком, ПК или планшетом). Общение в социальных сетях, просмотр фильмов на планшете в условиях искусственного освещения, поиск информации в Интернете и другая сходная деятельность, не дающая мозгу расслабиться (влияние синего света от подсветки экрана), предотвращает выделение мелатонина – гормона, который посылает сигнал телу о том, что пора отдохнуть (спать). Это приводит к сбою в работе внутренних часов организма и, следовательно, к бессоннице.

Светодиодное освещение влияет не только на глаза и гормональную систему человека, но и на его психофизиологическое состояние, работоспособность и утомляемость.

После утверждения СанПиНа по пассажирским перевозкам, разрешившего использование светодиодов на железнодорожном транспорте, специалисты лаборатории «Профессионального отбора и психофизиологии и реабилитации» ФГУП ВНИИЖГ Роспотребнадзора провели исследования возможности применения светодиодного освещения во время работы в профессиях, связанных с безопасностью движения, и прежде всего машинистов водителей и диспетчеров-операторов. В эксперименте участвовали волонтеры среднего возраста (у них меньший за- пас мелатонина, чем у молодежи). К 45 годам в крови человека содержится лишь половина того количества гормона, которое вырабатывается в юношестве. Одновременно у пожилых людей меняются амплитуда и динамика суточной секреции мелатонина. Метрологическую оценку светильников и рабочего места проводили ведущие специалисты по охране труда ОАО «ВНИИЖТ», которые реализуют программу по внедрению светодиодного освещения на объектах ОАО «РЖД».

Было выполнено четыре серии исследований с использованием традиционных (лампы накаливания, люминесцентные) и новых (светодиоды) источников света.

На первом этапе у исследуемых регистрировали показатели общего функционального состояния и отдельно зрительного анализатора. На втором этапе моделировалась умственная нагрузка, имитирующая операторскую деятельность.

И на третьем этапе повторялись исследования первого этапа.

Для моделирования операторской деятельности была использована методика готовности к экстренному действию (ГЭД), которая широко используется для решения аналогичных задач и утверждена для применения на железнодорожном транспорте.

Результаты эксперимента показали снижение функциональной устойчивости к цве-торазличению зеленого и красного сигналов, увеличение времени выполнения сложной зрительно-моторной реакции и значимое снижение готовности к экстренному действию обследуемых лиц.

Интегральные оценки психофизиологического состояния, полученные в ходе эксперимента (плюс – позитивные изменения или тенденции, минус – негативные изменения или тенденции), были таковы:

• –    лампа накаливания с белым плафоном – плюс 5;

• –    люминесцентный светильник – минус 2;

• – светодиодный фонарь с микролинзо-вым рассеивателем – минус 5;

  – светодиодная панель с микролинзовым рассеивателем – минус 9.

Анализ вышеприведенных и ранее полученных [2] данных позволяет сделать следующие выводы:

– от спектра света белого светодиода и применяемой оптики (на уровне светодиода и осветительного прибора) зависит степень воздействия этого света на психофизиологическое состояние человека. Прямое воздействие света от светодиодов (растровый светодиодный светильник, изготовленный по рекомендации НИИ СФ (открытые линзы белых светодиодов)) снижает работоспособность более чем в 2 раза и повышает утомляемость испытуемых более чем в 2 раза. Неравномерное свечение светодиодного светильника вызывает дискомфорт и при этом его оценка по общепризнанным формулам является некорректной и недопустимой;

– по «мелатониновому» признаку особо опасно использовать для освещения в вечернее и ночное время светодиоды холодного (6000–10000 К) и даже нейтрального (4000–5000 К) белого света. Биологическая доза (подавление мелатонина) по сравнению с лампой накаливания возрастает в 2–3 раза;

– проведенные организацией ООО «Полупроводниковая техника» исследования доказали, что нельзя бездумно заменять привычные источники света в традиционных светильниках. Поскольку обладающие большей, по сравнению со стандартными люминесцентными лампами, светимостью светодиоды имеют большее слепящее действие, то у человека, длительное время находящегося в офисе с открытыми светильниками, снижается работоспособность и увеличивается утомляемость;

– светодиодное освещение вызывает неадекватное управление диаметром зрачка глаза, и на сетчатку попадает большая доля синего света, чем при солнечном свете при равной освещенности. Авторы определили это как «эффект меланопсинового креста» для современного энергосберегающего освещения [5].

Особенности влияния света на человека-оператора были представлены в исследованиях специалистов США, которые из- ложены в статье «Воздействие в вечернее время на человека света LED-подсветки экрана компьютера на его циркадный ритм и когнитивные функции» [10]. Показано, что население в вечернее и ночное время проводит все больше времени перед экранами компьютеров со светодиодной подсветкой. Учитывая это, были исследованы уровни мелатонина (маркера циркадных часов), бдительности и когнитивных уровней производительности у 13 молодых мужчин-добровольцев в контролируемых лабораторных условиях. Качество экранов персональных компьютеров (с подсветкой люминесцентной лампой и светодиодами) и визуальный комфорт были оценены одинаково, но было отмечено, что экран без светодиодной подсветки с люминесцентной лампой, как правило, считался более ярким. Экран с LED-подсветкой излучал в 3,32 раза больше света в синем диапазоне между 440 и 470 нм, чем дисплей с люминесцентной лампой.

Обобщенные результаты исследований представлены на рис. 1–3.

Данные, приведенные на рисунках, показывают, что спектр света, излучаемого экраном со светодиодной подсветкой, влияет на циркадные ритмы, сонливость и когнитивные уровни производительности. Как видно из представленных фактов, уменьшение сонливости приводит в краткосрочном интервале времени к увеличению работоспособности здорового человека. Авторы проведенных исследований отмечали необходимость разработки программы по управлению спектром светодиодной подсветки экрана с учетом информации об индивидуальных особенностях циркадных ритмов человека. При этом нужно принимать во внимание тот факт, что параметры RGB-света могут влиять на физическое состояние человека.

Но непродолжительные по времени испытания не могли выявить всю гамму последствий воздействия опасности синего света на здоровье человека-оператора. Крупнейшие американские эпидемиологические исследования показывают, что еже-

a

б

Рис. 1. Уменьшение мелатонина в слюне ( а ) и сонливость ( б ) в условиях использования различных видов экранов компьютеров

б

Рис. 2. Время реакции глаз ( а ) и изменение параметров ЭЭГ ( б ) в условиях использования различных видов экранов компьютеров

Рис. 3. Концентрация внимания ( а ), изменение восприятия времени ( б ) и показатель обучаемости ( в ) в условиях использования различных видов экранов компьютеров

дневное дополнительное воздействие синего света на глаза молодого человека в подростковом возрасте к тридцати годам вызывает начало дегенерации сетчатки (AMD), что на 10 лет раньше, чем она возникает от естественного света, а это увеличивает вероятность стать слепым в два раза.

Необходимо отметить, что при модернизации мониторов, как правило, не учиты- вается указанный механизм воздействия синего света на гормональную систему человека. Хотя есть и положительные примеры.

Так, известный производитель дисплеев компания AOC представила новую технологию, которая защищает зрение пользователей от негативного влияния синего излучения экраном со светодиодной подсветкой. Разработчики уже подали заявку на патент- ное оформление своего изобретения, которое получило незамысловатое имя Anti-Blue Light (ABL). Благодаря новой технологии пиковое значение длины волн, излучаемых подсветкой, увеличено с 450 до 460 нм. По утверждению AOC, даже такое незначительное изменение позволяет вывести синюю составляющую из опасного диапазона. Опасным диапазоном считаются длины волн от 380 до 450 нм. При длительной работе за монитором именно они оказывают пагубное воздействие на зрение. Несмотря на снижение интенсивности подсветки, в целом качество изображения при использовании данной технологии не страдает. В технологии не применяются никакие дополнительные фильтры и программное обеспечение, а подавление опасных волн не приводит к нарушению цветового баланса. AOC планирует внедрить свою новинку в мониторы 76V Series. Осталось дождаться подробностей разработки, чтобы понять, чем она лучше других решений. Например, представленные на IFA 2014 мониторы Philips SoftBlue также оберегают зрителей от вредного излучения и, как и в AOC ABL, здесь всё выполнено на уровне контроллера светодиодной подсветки.

Осветительные светодиодные панели с торцевой подсветкой своим светом создают дополнительную нагрузку на оператора, усиливая подавление синтеза мелатонина, так как в общем спектре света увеличивается доза синего света с длиной волны 460 нм. Повышение производительности труда оператора в ночное время хорошо для его руководства (работодателя), но в отдаленной перспективе это увеличивает накопленный дефицит мелатонина у работника. При достижении критической дозы дефицита мелатонина наступает спад в показателях работоспособности оператора, особенно выраженный у лиц старших возрастных групп (рис. 4).

Неполадки в циркадном ритме ускоряют дегенеративные процессы в мозгу, лежащие в основе старческого слабоумия, синдромов Альцгеймера и Паркинсона. Нейробиологи из Орегонского университета США сообщают, что, по их данным, расстроенные биологические часы увеличива- ют риск развития нейродегенеративных болезней. Чем хуже «настроены» биологические часы, тем сильнее разрушается нервная ткань, и чем сильнее она разрушается, тем больше нарушений в часах. Учёные не исключают, что можно затормозить старение мозга, если суметь как-то поддержать правильное функционирование биологических часов и работу эпифиза [6].

Уровень мелатонина

Уровень заболеваемости

Высокий

Средний

Низкий

Высокий

Средний

Низкий

20 30 40 50 60 70 80 Возраст, лет

■ Уровень мелатонина Уровень заболеваемости

Рис. 4. Возрастная динамика содержания мелатонина в организме человека и уровня заболеваемости1

Современные тенденции развития светодиодов и их внедрение в устройства отображения информации и освещения несут определенные риски негативного воздействия на здоровье и состояние человека – оператора информационных систем управления. Все это вызывает озабоченность в первую очередь у врачей, которые должны стоять на охране здоровья человека, а также у разработчиков новых источников света [3].

В последнее время на рынке появились новые световые продукты. Например, учитывая рекомендации врачей, фирма ELECTROSPELL разработала инновационные «вольфрамовые» и RGB-светодиоды с расширенным спектром [8]. По спектру белого света они имитируют свет обычной вольфрамовой нити лампы накаливания, что делает их идеальными для замены ламп накаливания и подсветки экранов. Спектры излучения RGB-светодиодов

¹ График составлен на основе зарубежных научных материалов, посвящённых анализу возрастной подверженности хроническим заболеваниям и изменениям содержания мелатонина в крови.

с расширенным спектром полностью гармонизированы со спектром поглощения RGB-палочкам глаза человека. Применение таких светодиодов позволит снизить долю синего в спектре света при соблюдении критерия «эффекта меланопсинового креста» [5] и уменьшить негативное влияние светодиодных панелей устройств отображения информации и осветительных приборов.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что:

– в устройствах отображения информации и осветительных приборах рабочего места оператора все шире применяются светодиодные панели с торцевой светодиодной подсветкой, существенно влияющие на синтез и накопленный дефицит мелатонина;

– накопленный дефицит мелатонина формирует риски нарушения психофизиологических функций и сокращения времени возникновения и скорости развития болезней у операторов информационных систем управления;

– необходимо разработать программу по управлению спектром RGB-светодиодной подсветки экрана c учетом информации об индивидуальной собенности циркадного ритма человека-оператора, надежно защищенную от взлома;

– следует пересмотреть нормативные документы по охране и гигиене труда с учетом негативного влияния синего света в спектре осветительных приборов и устройств отображения информации.