Влияние спектрального состава искусственного освещения на остроту зрения лиц молодого возраста
В последние годы в светотехнической и медико-биологической литературе широко обсуждаются вопросы светогигиеничности светодиодного (СД) освещения. Наибольшие сомнениями в этом плане вызывают светодиоды холодного белого света (СДХ) с высоким уровнем излучения в синей области спектра с цветовой температурой (Тц) свыше 6000 К. Основные замечания к таким СД связаны с повышенной фотобиологической опасностью синего света для сетчатки глаза, а также с нарушениями суточных ритмов выработки мелатонина, приводящих к сбоям работы всех обменных процессов организма [1, 3, 5]. В дополнение к этому за последние два года появились работы о том, что нормальное постнатальное формирование оптики глаза экспериментальных животных зависит от спектрального состава освещения [6–8].
В целом несформировавшееся детское зрение имеет повышенную чувствительность к негативным свойствам синей области спектра. Предполагается, что повседневное СД освещение с избыточным синим компонентом может иметь непредсказуемые отдаленные последствия на формирование зрительной системы и общее состояние организма. В связи с тем, что в настоящее время в школах России допускается использование щадящего СД освещения нейтрального белого света с Тц не более 4000 К, на повестку дня выходят менее изученные вопросы по зрительной работоспособности детского зрения при разных видах СД освещения [2].
Цель
Изучить в сравнительном аспекте способность глаз у лиц молодого возраста по количеству ошибок в распознавании колец Ландольта на таблицах Головина – Сивцева со стандартной 60-ваттной лампой накаливания с Тц 2500 К, светодиодной лампой теплого белого света с Тц 2500 К и светодиодной лампой холодного белого света с Тц 6500 К при единой освещенности 450±3 лк, чтобы оценить существенность спектрального состава освещения в обеспечении различительной способности глаза.
Материал и методы
Настоящее исследование проведено в 2 группах молодых людей: у школьников 12–14 лет (n=42) и студентов 22–24 лет (n=29). В целом, среднестатистическая острота зрения школьников была равна 1,0 (но не выше), в то время как острота зрения в студенческой группе была не менее 2,0. Измеренные величины отражали преимущественно центральную остроту зрения, так как были одинаковы для лиц со здоровым зрением и нарушениями рефракции, полностью компенсированными очковой коррекцией.
Детская группа 12–14 лет состояла из 21 пациента (42 глаза), мальчиков было 18 (36 глаз), девочек – 3 (6 глаз). Зафиксировано 37 здоровых глаз, 2 случая миопии высокой степени без изменений на глазном дне и 3 – миопии слабой степени. Группу молодых людей 20–24 лет составили 15 пациентов (29 глаз), из них мужчин – 6 (11 глаз), женщин – 9 (18 глаз). В 20 случаях диагностированы здоровые глаза; гиперметропия слабой степени была в 4 случаях, миопия высокой степени – в 1 случае, средней – в 1 и слабой степени – 3 случаях.
В работе использованы бумажные таблицы Головина – Сивцева для измерения остроты зрения. В качестве основного оптотипа предъявлялось кольцо Ландольта согласно утвержденному в 1994 году международному стандарту по измерению остроты зрения [9]. Измеряемым параметром было количество ошибок в распознавании колец Ландольта.
В качестве источников освещения были использованы три аппарата Рота, каждый со своим видом осветительной лампы. Осветительные СД-лампы были с крайними значениями Тц: от самой низкой 2500К до предельно высокой в 6500К. Использовался аппарат со стандартной 60-ваттной лампой накаливания (ЛН), а также два аппарата, снабженные филаментными 3-ваттными СД лампами компании Madix (Китай), модель MD-NEO-A60, с заявленными номинальными величинами Тц 3000 К для СД-лампы теплого белого света (СДТ) и с Тц 6400 К для СДХ-лампы, с условным эквивалентом в 60 ватт ЛН. Реальные Тц использованных ламп, согласно измерениям на 2 независимых спектрометрах (Avantes 1020, Голландия и UPRtec 350, Тайвань), имели значения: для ЛН и СДТ-лампы Тц около 2500 К и для СДХ-лампы чуть больше 6500 К. Освещенность таблиц составляла 345±3 лк, измеренным по отражению от поверхности таблицы. При этом суммарная энергия излучения всех трех видов ламп в пределах видимого диапазона (400–650 нм) оказалась практически одинаковой с разбросами ± 5%.
На рисунке 1 приведены данные по характеру освещения использованных аппаратов Рота. Как следует из рисунка, каждая из использованных ламп имеет свою спектральную специфику. Так, ЛН имеет превалирующее излучение в красной области спектра, приходящееся на длинноволновое плечо Vλ.
Спектр СДТ-лампы занимает центральное положение по оси длин волн близкую к Vλ. У СДХ-лампы значительная часть излучения смещена в коротковолновую синюю область по отношению к Vλ.
Определение остроты центрального зрения проводилось для каждого глаза последовательно, монокулярно, используя окклюдер на парном глазу. В каждой из 12 строк таблицы, начиная с первой, фиксировали количество непрочитанных оптотипов (колец Ландольта) в абсолютных числах и в % от числа представленных в данной строке оптотипов. Отмечали ряд с наименьшими по размеру знаками, который испытуемый смог правильно узнать, как реальную остроту зрения, которая в ряде случаев была выше 1,0. Таблица с оптотипами фиксировалась с помощью аппарата Рота на высоте глаз сидящего испытуемого. При этом пациент обследовался в условиях привычной для него очковой коррекции.
Результаты и обсуждение
Оценка эффективности источников освещения по количеству ошибок в распознавании оптотипов показала следующее. При исследовании остроты зрения у школьников 12–14 лет было обнаружено, что крупные кольца Ландольта 1–5 строк различаются при всех 3 источниках освещения практически без ошибок, а мельчайшие кольца 11 и 12 строк (острота зрения 1,5–2,0) полностью не различимы. Строки с 6 по 10 (острота зрения 0,6–1,0) распознавались с ошибками, причем их количество систематически возрастало с уменьшением размеров колец Ландольта. В таблице 1 приведены данные по относительному количеству зрительных ошибок детей школьной группы при использованных источниках освещения. Как следует из данных табл. 1, наибольший процент ошибок в распознавании оптотипов наблюдается при освещении таблиц СДХ-лампой, и наименьший – при использовании лампы СДТ. При ЛН результаты были несколько хуже, чем при СДТ-лампе.
Более наглядно эти различия показаны на диаграмме рис. 2.
В целом, данные, представленные в вышеуказанных таблице и диаграммах, указывают на то, что в детском возрасте источники теплого белого освещения позволяют в 1,5–2,0 раза лучше решать зрительные задачи по распознанию черно-белых изображений на бумажных носителях.
Точно такие же исследования, проведенные при участии студенческой группы, не выявили какой-либо заметной зависимости зрительного различения от спектральных характеристик использованных ламп (табл. 2). У лиц молодого возраста 22–24 лет, независимо от размеров колец Ландольта и от спектрального состава источников излучения, ошибки зрительного различения минимальны и носят случайный характер.
Результаты
Основным результатом проведенных исследований является выявление зависимости различения и распознавания черно-белых изображений на бумажных носителях от спектрального состава искусственного освещения у детей школьного возраста. Согласно полученным данным, наибольшее число ошибок в различении оптотипов наблюдалось при использовании СДХ-лампы, примерно в 1,5–2,0 раза больше, чем при источниках теплого белого света. При этом ЛН лампа показывала близкие, но несколько худшие, офтальмоэргоно-мические показатели, чем СДТ-лампа. Вероятной причиной этих различий является разная фокусировка синего, желтого и красного излучений на структурах глазного дна, создаваемая хроматической аберрацией глаза. Так, согласно известным зависимостям [4], синий пик с длиной волны λ450 нм расфокусирован по отношению к желто-оранжевому излучению с длиной волны 580 нм на 1,0–1,5 дптр. Для красной области спектра эта же расфокусировка составляет около 0,3 дптр.
Можно ожидать, что из использованных источников желто-оранжевое излучение СДТ-лампы обеспечивает наилучшую фокусировку изображения на глазном дне. Лампа накаливания с ее превалирующим в красной области спектра излучением должна несколько проигрывать по сравнению с СДТ-источниками. И наконец, СДХ-источники с избыточным синим излучением создают наименее сфокусированное сдвоенное сине-желтое изображение с нечетким обозначением разрыва в кольце Ландольта. Еще одной причиной худших результатов в разрешающей способности глаза при свете СДХ-лампы может быть светорассеяние на оптических средах глаза, смазывающего контуры изображения на сетчатке, наиболее высокое в синей области спектра. В реальных условиях аудиторного освещения порядка 400 лк, т.е. при достаточно расширенных зрачках, эффекты хроматической аберрации и светорассеяния могут иметь ощутимый характер. В случае детского зрения паразитные оптические эффекты синей области спектра оказываются более ощутимыми вследствие повышенной прозрачности детских хрусталиков в синей области спектра, а также более широкого диапазона зрачковой реакции детского глаза.
Найденные нами величины зависимостей различительной способности глаза от спектрального состава источников освещения могут показаться несущественными, однако надо иметь в виду, что при длительной зрительной работе они могут сказаться на ее точности и устойчивости к утомлению. Различия между данными, полученными при освещении ЛН и СДТ-лампой, имеющими одинаковые Тц, но различные спектры излучения, еще раз указывают на то, что Тц источника освещения не может служить показателем зрительных функций. Опыт настоящей работы свидетельствует о том, что анализ спектров излучения источников освещения в сочетании с известными фундаментальными механизмами физиологической оптики позволяет производить предварительную оценку офтальмоэргономичности тех или иных источников освещения.
Методический подход, предложенный в данном исследовании, представляется перспективным для массового обследования состояния зрения в образовательных учреждениях. Следует подчеркнуть, что безошибочная зрительная работа является основой восприятия учебного материала и устойчивости к развитию утомления зрительного анализатора в целом.
Выводы
Из тестированных источников освещения, заметно более эффективными для зрительного различения являются светодиодные лампы теплого белого света. Представляется перспективным дальнейшее развитие сравнительных исследований по действию других видов источников освещения на разрешающую способность детского глаза.