СПОСОБ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА ЧЕЛОВЕКА СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD FOR ASSESSING LIGHT EXPOSURE ON FUNCTIONAL STATUS OF HUMAN BRAIN

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для оценки воздействия на функциональное состояние человека световым излучением от светодиодного источника.
В настоящее время отмечается широкое распространение новых источников освещения на основе полупроводниковых светодиодов. Такие полупроводниковые источники света обладают не только чрезвычайно высокой эффективностью, но (если они построены по принципу RGB смешения) и способностью варьировать качественные (цвет, спектр), количественные (интенсивность) и модуляционные (частота вспышек) параметры света по заданному алгоритму. Это качество получило название «интеллектуальный свет».
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ оценки воздействия на функциональное состояние человека светового излучения (Мартиросова В.Г. и др. «Физиолого-гигиеническая оценка излучения светодиодных источников света». Укр. Журн.з пробл. Медицина працi. 2011, 26, 2, стр.27-34).
Недостатками известного способа является недостаточные информативность и надежность оценки воздействия на функциональное состояние головного мозга человека световым излучением.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в повышении информативности, точности и надежности оценки воздействия на функциональное состояние человека светового излучения от светодиодного источника.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки воздействия на функциональное состояние головного мозга человека светового излучения, включающий воздействие белым светом от светодиодного источника, согласно изобретению, воздействие осуществляют на открытые глаза человека белым светом с цветовой температурой 1700-10000 K, освещенностью на уровне глаз 80-300 лк, регистрируют электроэнцефалограмму, проводят ее спектральный анализ и при повышении или снижении спектральной мощности альфа- или тета-ритма более чем на 25% от фоновых значений по большинству отведений световое воздействие оценивают как физиологически активное, а менее чем на 25% - физиологически нейтральное.
Проводили исследование особенностей воздействия на функциональное состояние головного мозга человека динамически управляемого («интеллектуального») света от полупроводникового источника с цветовой температурой, варьируемой в диапазоне от теплого 1700 К до холодного 10000 K оттенков белого света.
Спектральный анализ ЭЭГ позволил объективно оцепить изменения основных ритмов электрической активности головного мозга при воздействии освещенности с варьируемой цветовой температурой.
В ходе проведения исследования апробировался опытный образец светодиодного источника интеллектуального света, управляемого с помощью специального программного обеспечения. Световой поток источника света в зависимости от цветовой температуры составлял 1000-4000 лм. Цветовая температура белого света изменялась и устанавливалась температурой в диапазоне 1700-10000 K. Индекс цветопередачи для этих цветовых температур лежал в диапазоне 80-90.
Во время экспозиции белого света с различными цветовыми температурами регистрировалась электрическая активность головного мозга обследуемых. В исследовании принимали участие 20 человек в возрасте от 17 до 47 лет (9 женщин, 11 мужчин). Запись ЭЭГ проводилась с помощью электроэнцефалографа «Телепат-104Д» (г. Санкт-Петербург) монополярным методом по международной системе «10-20» в точках Fp1, Fp2, F3, F4, С3, С4, Р3, Р4, O1, O2, F7, F8, Т3, Т4, Т5 и Т6 с индифферентными электродами, расположенными на мочках ушей. Частота оцифровки сигналов составляла 250 Гц, полоса пропускания по высоким частотам - 35 Гц, постоянная времени - 0.3 с.
В качестве контрольного состояния использовалась ЭЭГ при открытых глазах в условиях затемненного помещения. Далее обследуемые, оставаясь с открытыми глазами, подвергались последовательному воздействию 5-ти вариантов освещения, различающихся предустановленной цветовой температурой светодиодного источника. Длительность фоновой записи и проб с различной освещенностью соответствовала 2 мин в каждом случае, интервалы между экспозициями света также имели продолжительность в 2 мин.
Изучение полученных данных проводилось визуально и с помощью спектрального анализа. Определялись значения спектральной мощности альфа-, тета-, дельта- и бета-ритмов во всех регистрируемых областях коры головного мозга на всех упомянутых этапах регистрации мозговой активности. Спектральный анализ осуществлялся с помощью электроэнцефалографической программы «WinEEG Версия 1.3». Эпоха анализа при расчете спектров составляла 4 с. Усредненные спектральные показатели вычислялись по всей продолжительности фоновой записи и ЭЭГ во время воздействия световых проб.
При статистической обработке полученных результатов рассчитывались средние значения анализируемых характеристик, их стандартные отклонения, стандартные ошибки среднего значения. Определение степени достоверности различий усредненных показателей проводилось в статистическом пакете программ «Statistica 6» по уровню p<0.05 с использованием критерия Вилкоксона.
Визуальный анализ динамики ЭЭГ во время экспозиций белого света с варьируемой цветовой температурой показал наличие неоднозначных реакций в группе обследуемых на освещение от светодиодного источника. В одних случаях наблюдалось видимое увеличение представленности α-ритма и усиление его регулярности, что соответствует возрастанию устойчивости общего функционального состояния головного мозга, а в других, наоборот, снижение выраженности альфа-ритма с тенденцией к переходу от постоянной активности к эпизодическим вспышкам и нерегулярным волнам.
Спектральный анализ ЭЭГ позволил объективно оценить изменения основных ритмов электрической активности головного мозга при воздействии освещенности с варьируемой цветовой температурой. Наиболее заметны два типа изменений ЭЭГ. Отмечалось либо возрастание спектральной мощности альфа-ритма и небольшое, но достоверное возрастание мощности тета-, дельта-ритмов по ряду отведений, либо снижение мощности альфа-ритма и умеренное уменьшение мощности тета-ритма. Следует подчеркнуть, что оба типа реакции на световое воздействие определялись по динамике альфа- и тета-ритмов, изменения по спектрам дельта-ритма присоединились лишь в одном типе реакции. Какого-либо существенного влияния предъявляемого света на мощность бета-ритмов не прослеживалось. Таким образом, основными критериями воздействия света можно считать повышение или снижение спектральной мощности именно альфа- и тета-ритмов.
Способ оценки воздействия на функциональное состояние головного мозга человека светового излучения поясняется примерами.
Пример 1.
В группе из 10 человек со средним возрастом 30.80±3.21 лет (3 женщины и 7 мужчин) осуществлялось воздействие белым светом с цветовой температурой 10000 K на протяжении 120 с, при этом проводилась регистрация ЭЭГ. Рассчитывалась спектральная мощность альфа- и тета-ритмов.
Уровень изменений усредненной спектральной мощности альфа- и тета-ритмов при воздействии света относительно фоновых значений показателей в состоянии спокойного бодрствования приведен в табл.1. Средняя спектральная мощность ЭЭГ увеличилась более чем на 25% в диапазоне альфа-ритма по всем отведениям и в диапазоне тета-ритма - по большинству отведений. В части этих отведений отмечается достоверные повышения показателей (p<0.05, с использованием критерия Вилкоксона), а в части - соответствующие тенденции. В целом, выявленный уровень изменений спектральной мощности альфа- и тета-ритмов, превышающий фоновые значения более чем на 25%, подтверждает влияние света с 10000 K на функциональное состояние головного мозга человека, и, следовательно, данное световое воздействие является физиологически активным.
Таблица 1
Изменения средних значений спектральной мощности альфа- и тета-ритмов при воздействии света с цветовой температурой 10000 К
Отведения
α-ритм
θ-ритм
% изменений
Фон
Свет
Фон
Свет
α-ритм
θ-ритм
Fp1
6.22±1.72<sup>1</sup>
8.39±2.23
3,11±0,67
4,69±0,93
34,90
50,87
Fp2
5.51±1.62
8.39±2.01*
3,00±0,65
3,97±0,74
52,32
32,68
F3
7.29±2.25
9.99±2.78
3,26±0,68
4,63±0,74*
37,12
42,23
F4
6.14±1.79
9.40±2.00*
3,31±0,63
3,71±0,41
53,02
12,17
С3
7.74±2.27
12.02±3.86
2,91±0,46
3,98±0,54*
55.26
37,01
С4
7.19±2.03
http://10.96i2.76±
2,96±0,59
3,22±0,31
52,35
8,88
Р3
9.4±3.41
18.55±6.67*
2,71±0,44
3,66±0,59
97,23
34,86
Р4
7.87±2.30
http://14.29ib3.73*±
2,83±0,52
3,03±0,31
81,46
7,15
O1
12.84±5.35
25.52±9.44*
2,24±0,41
2,98±0,50
98,74
33,32
O2
18.09±11.07
28.90±10.43*
2,69±0,57
3,01±0,49
59,78
12,04
F7
3.72±1.07
5.01±1.18
1,84±0,36
2,97±0,63*
34,66
61,72
F8
3.20±0.75
4.48±1.11
2,27±0,49
3,12±0,77
40,15
37,53
Т3
4.16±1.11
7.39±2.70
1,69±0,30
2,09±0,21
77,44
24,04
Т4
2.89±0.61
4.72±1.04*
1,35±0,21
1,71±0,17
63,71
26,92
Т5
5.2±1.49
9.77±3.28
1,66±0,30
2,23±0,28*
87,55
33,92
Т6
4.32±1.28
7.83±1.89*
1,44±0,25
1,70±0,12
81,07
18,27
Примечание: <sup>1</sup> - средние значения спектральной мощности ритма и их стандартные ошибки; * - p<0.05 по сравнению с фоновыми значениями.
Пример 2.
В группе из тех же 10 человек со средним возрастом 30.8±03.21 лет (3 женщины и 7 мужчин) проводилась экспозиция белым светом с цветовой температурой 7000 K в течение 120 с, при этом осуществлялась запись ЭЭГ. Определялась спектральная мощность альфа- и тета-ритмов.
Уровень изменений средних значений спектральной мощности ритмов ЭЭГ при воздействии света, рассчитанных относительно их исходного уровня, приведен в табл.2. Из таблицы видно, что спектральная мощность как альфа-, так и тета-ритма ни по одному из отведений не изменилась более чем на 25% ни в сторону уменьшения, ни в сторону увеличения. Действительно, во всех отведениях динамика показателей недостоверна (p>0.05). Низкий уровень изменений, не превышающий 25%, не позволяет говорить о значимом влиянии света с 7000 K на функциональное состояние головного мозга человека, и, следовательно, данное световое воздействие является физиологически нейтральным.
Таблица 2
Изменения средних значений спектральной мощности альфа- и тета-ритмов при воздействии света с цветовой температурой 7000 K
Отведения
α-ритм
θ-ритм
% изменений
Фон
Свет
Фон
Свет
α-ритм
θ-ритм
Fp1
8,47±1,92
7,28±1,71
4,29±0,77
4,47±0,62
-14,03
4,02
Fp2
6,92±1,91
6,13±1,22
3,50±0,62
3,69±0,44
-11,45
5,33
F3
9,05±2,00
7,63±1,51
4,26±0,85
3,90±0,50
-15,66
-8,48
F4
7,70±1,69
7,07±1,23
3,38±0,43
3,93±0,44
-8,14
16,16
С3
9,20±2,20
8,55±1,97
3,58±0,81
3,27±0,29
-7,06
-8,52
С4
7,85±1,73
8,13±1,58
3,32±0,59
3,39±0,39
3,51
2,14
Р3
13,27±3,02
14,56±4,99
3,86±0,96
3,00±0,34
9,75
-22,31
Р4
9,73±2,24
10,48±2,02
3,17±0,62
3,17±034
7,64
-1,68
O1
22,07±6,94
22,33±8,73
3,26±0,76
2,65±0,45
1,16
-18,81
O2
24,10±10,84
22,80±9,08
3,30±0,77
2,76±0,42
-5,40
-16,24
F7
4,99±0,86
4,36±0,87
2,64±0,53
2,92±0,49
-12,74
10,27
F8
4,63±1,09
3,93±0,86
2,67±0,62
2,46±0,33
-15,23
-7,91
Т3
5,21±1,11
4,42±1,14
1,92±0,37
1,66±0,20
-15,06
-13,82
T4
3,46±0,75
1,08±0,80
1,79±0,26
1,50±0,14
17,93
-16,02
T5
7,32±1,74
7,19±2,01
2,06±0,44
1,91±0,35
-1,70
-7,22
T6
4,68±1,17
5,43±0,93
1,70±0,30
1,53±0,17
15,93
-10,12
Примечание: обозначения такие же, как в табл.1.
Пример 3.
В группе из 10 человек со средним возрастом 26.30±3.26 лет (6 женщин и 4 мужчин) осуществлялось воздействие белым светом с цветовой температурой 3800 K на протяжении 120 с, при этом проводилась регистрация ЭЭГ. Рассчитывалась спектральная мощность альфа- и тета-ритмов.
Количественная оценка изменений средних значений спектральной мощности ритмов ЭЭГ при воздействии света относительно их исходного уровня продемонстрирована в табл.3. В таблице показано, что в диапазоне тета-ритма не произошло ни увеличения, ни снижения спектральной мощности более чем на 25%. Однако световое излучение оказало воздействие на альфа-активность в правых затылочной, средневисочной и задневисочной областях, где спектральная мощность альфа-ритма понизилась более чем на 26%. При этом в отведениях Т4 и Т6 динамика показателей достигла уровня достоверности (p<0.05). Локальное снижение спектральной мощности альфа-ритма свидетельствует о значимом влиянии света с 3800 К на функциональное состояние правого полушария головного мозга человека, и, следовательно, данное световое воздействие является физиологически активным.
Таблица 3
Изменения средних значений спектральной мощности альфа- и тета-ритмов при воздействии света с цветовой температурой 3800 K
Отведения
α-ритм
θ-ритм
% изменений
Фон
Свет
Фон
Свет
α-ритм
θ-ритм
Fp1
12,65±4,50
11,73±3,96
5,56±0,83
6,11±1,14
-7,26
9,96
Fp2
12,22±4,06
12,46±14,07
6,01±1,05
6,13±1,19
1,91
1,99
F3
14,52±4,36
14,94±5,12
5,79±0,88
7,13±1,63
2,94
22,97
F4
14,52±4,12
14,53±5,37
6,35±1,08
6,88±1,49
0,05
8,39
С3
21,50±6,05
19,52±7,52
5,52±0,95
6,36±1,73
-9,21
15,05
С4
http://21.00i5.63±
18,13±6,87
5,97±0,96
6,13±1,45
-13,68
2,64
Р3
27,38±8,03
25,48±-9,19
6,15±1,04
6,04±1,59
-6,94
-1,80
Р4
25,73±6,91
22,24±7,22
5,76±0,95
6,24±1,54
-13,58
8,41
O1
39,44±12,62
32,53±12,07
5,35±0,84
4,91±1,00
-17,51
-8,26
O2
41,31±13,24
30,35±9,40
6,15±1,15
6,10±1,70
-26,53
-0,74
F7
8,01±2,61
7,58±2,49
3,26±0,49
3,60±0,65
-5,40
10,59
F8
8,21±3,02
8,05±2,94
3,85±0,82
4,01±10,81
-1,88
4,31
T3
9,75±12,14
9,01±2,64
3,15±0,50
3,22±0,57
-7,58
2,04
Т4
8,11±2,39
5,98±1,52*
2,92±0,47
2,79±0,55
-26,25
-4,27
Т5
13,89±13,05
12,89±3,56
3,35±0,52
3,09±0,57
-7,25
-7,68
Т6
15,61±4,82
10,80±3,22*
2,69±0,36
3,06±0,73
-30,80
13,67
Примечание: обозначения такие же, как в табл.1.
Пример 4.
В группе из 10 человек со средним возрастом 30.80±3.21 лет (3 женщины и 7 мужчин) производилась экспозиция белым светом с цветовой температурой 1700 K длительностью 120 с, при этом регистрировалась ЭЭГ. Далее осуществлялся расчет спектральной мощности альфа- и тета-ритмов.
Количественные изменения усредненных значений спектральной мощности ритмов ЭЭГ при воздействии света относительно их исходного уровня в состоянии спокойного бодрствования представлены в табл.4. Из таблицы видно, что средняя спектральная мощность альфа-ритма в Fp1, Fp2, F4, Р3, O1, O2, F7, F8, Т3, Т5 и средняя спектральная мощность тета-ритма в Fp1, F3, Р3, O1, F7, Т4 увеличились более чем на 25%. В части этих областей повышение показателей достигло достоверных значений (p<0.05). Таким образом, экспозиция света оказала воздействие на церебральную электрическую активность по подавляющему большинству отведений ЭЭГ, не коснувшись только P4 и Т6. В целом, выявленный уровень изменений спектральной мощности альфа- и тета-ритмов, превышающий фоновые значения более чем на 25%, подтверждает влияние света с 1700 K на функциональное состояние головного мозга человека, и, следовательно, данное световое воздействие является физиологически активным.
Таблица 4
Изменения средних значений спектральной мощности альфа- и тета-ритмов при воздействии света с цветовой температурой 1700 K
Отведения
α-ритм
θ-ритм
% изменений
Фон
Свет
Фон
Свет
α-ритм
θ-ритм
Fp1
6,22±1,72
8,47±1,92
3,11±0,67
4,29±0,77
36,05
37,95
Fp2
5,51±1,62
6,92±1,91
3,00±0,65
3,50±0,62
25,71
16,99
F3
7,29±2,25
9,05±2,00
3,26±0,68
4,26±0,85
24,14
30,65
F4
6,14±1,79
7,70±1,69
3,31±0,63
3,38+0,43
25,31
2,31
С3
7,74±2,27
9,20±2,20
2,91±0,46
3,58+0,81
18,87
23,11
С4
7,19±2,03
7,85±1,73
2,96±0,59
3,32±0,59
9,20
12,14
Р3
9,41±3,41
13,27±3,92
2,71±0,44
3,86±0,96
41,07
42,16
Р4
7,87±2,30
9,73±2,24
2,83±0,52
3,17±0,62
23,60
11,75
O1
12,84±5,35
22,07±6,94*
2,24±0,41
3,26±0,76
71,92
45,76
O2
18,09±11,07
24,10±10,84
2,69±0,57
3,30±0,77
33,24
22,62
F7
3,72±1,07
4,99±0,86
1,84±0,36
2,64±0,53*
34,32
43,78
F8
3,20±0,75
4,63±1,09
2,27±0,49
2,67±0,62
44,80
17,57
Т3
4,16±1,11
5,21±1,11
1,69±0,30
1,92±0,37
25,09
14,00
Т4
2,89±0,61
3,46±0,75
1,35±0,21
1,79±0,26*
19,94
32,67
Т5
5,21±1,49
7,32±1,74
1.66±0,30
2,06±0,44
40,42
23,90
Т6
4,32±1,28
4,68±1,17
1,44±0,25
1,70±0,30
8,26
18,31
Примечание: обозначения такие же, как в табл.1.
Спектральный анализ ЭЭГ позволил объективно оценить изменения основных ритмов электрической активности головного мозга при воздействии освещенности с варьируемой цветовой температурой.
Исходя из полученных данных, можно сделать заключение, что при воздействии на открытые глаза человека белым светом с цветовой температурой 1700-10000 K, освещенностью на уровне глаз 80-300 лк, спектральный анализ электроэнцефалограммы показал, что при повышении или снижении спектральной мощности альфа- или тета-ритма более чем на 25% от фоновых значений световое воздействие оценивают как физиологически активное, а менее чем на 25% - физиологически нейтральное.
Предложенный способ позволяет осуществить подбор цветовой температуры, оказывающей воздействие на функциональное состояние человека, при воздействии на него светового излучения от светодиодного источника.