Licht und Gesundheit

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Licht und Gesundheit Der Einfluss des Lichts auf Körper und Psyche ‐ Prof. Dr. Thomas Jüstel Münster University of Applied Sciences 1 Münster University of Applied Sciences Münster, 11. Juni 2013

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Licht und Gesundheit

‐ Der Einfluss des Lichts auf Körper und Psyche ‐

Prof. Dr. Thomas Jüstel

Münster University of Applied Sciences

1

Münster University of Applied Sciences

Münster, 11. Juni 2013

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Licht Beleuchtung

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Licht   Bildwiedergabe

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Licht Umweltproblem

Etwa 20% der erzeugten elektrischen Energiewird für Beleuchtung eingesetzt (Quelle: NASA)

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Licht und Gesundheit• Licht verlängert den Tag!

• Licht beeinflusst das Wohlbefinden, z.B. wirkt gegen „Winterdepression“

• Licht steuert hormonelle Aktivität, z.B. die des Schlafhormons Melatonin

• Licht heilt Hautkrankheiten, wie z.B. Akne oder Psoriasis 

• Licht wirkt therapeutisch bei Vitamin D Mangel und Gelbsucht

• Licht hat eine schmerzstillende Wirkung

• Licht desinfiziert und reinigt Luft, Oberflächen und Wasser

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Licht als Teil des elektromagnetischen Spektrums

UV‐C UV‐B UV‐A Blau Grün Rot IRHaut Haut Haut Auge/Haut Auge Auge/Gefäße GefäßeDesinfektion Bräunung Bräunung ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ Visuelle Wahrnehmung  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ WärmeReinigung Vitamin D‐ Melatoninsup.

Bildung NO‐BildungBilirubinabbau

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Die spektrale Augenempfindlichkeit Der Farbraum 

Licht als Teil des elektromagnetischen Spektrums0 9

ndlichkeit V

()

UV IRVIS

0 50.60.70.8

Spektralfarben PlanckkurveMischfarbenWeißpunkte

0.9

opische Em

pfin

0.20.30.40.5y

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Wellenlänge [nm]

Phot

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.700.1

0.8x

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Natürliche und künstliche Lichtquellen

Natürliche KünstlicheNatürliche  Künstliche‐ Sonne ‐ Feuer/Fackeln/Kerzen‐ Sterne ‐ Gasleuchten‐ Glut  ‐ (Halogen)Glühlampen ‐ Blitze        ‐ Entladungslampen‐ Biolumineszenz ‐ (O)LEDs

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Direktes Sonnenlicht Gestreutes Sonnenlicht „Der blaue Himmel“

Natürliche und künstliche Lichtquellen

~ 1000 W/m2

Das Leben auf der Erde ist an das Lichtspektrum der Sonne angepasst und alle Erkenntnisse legen nahe, dass jede Abweichung von den speziellen Eigenschaften des Sonnenlichtes direkte Auswirkungen auf die Gesundheit haben!

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Natürliche und künstliche LichtquellenLichtausbeute

555 nm460 nm 610 nm

e [lm

/W]

• Sonnenlicht– 1000 W/m2

– ca. 100 lm/W– 100.000 lm/m2 = 100.000 lux

umen

ausbeu

te100.000 lm/m  100.000 lux• Künstliche Beleuchtung

– 8 W/m2

– ca. 250 lm/W

Wellenlänge [nm]

L– 2.000 lm/m2 = 2.000 lux• Optimal für monochrom grünes Licht bei 555 nm

– 683 lm/W

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Natürliche und künstliche Lichtquellen

Page 12: Licht und Gesundheit

Natürliche und künstliche Lichtquellen

Page 13: Licht und Gesundheit

FarbwiedergabeWeiße Lichtquellen Farbige Lichtquellen

z.B. Na-DampflampenSonnenlicht undHalogenlampen

Beleuchtung mit Beleuchtung mit e euc tu g tweißemLicht

e euc tu g tgelben Licht

Page 14: Licht und Gesundheit

Lichtquelle mit niedriger Farbwiedergabe Lichtquelle mit hoher Farbwiedergabe

Farbwiedergabe

Page 15: Licht und Gesundheit

Künstliche Lichtquellen19. Jhdt. 20. Jhdt.  21. Jhdt.

Glüh- undHalogenglühlampen

Gasentladungs-lampen + bildschirme

Anorganische und organische Leuchtdioden

Exotisches: Chemische

Lichtquellen + Laser

Zeit bzw. Grad der Kontrolle

Leuchtdioden Lichtquellen Laser

Page 16: Licht und Gesundheit

Künstliche Lichtquellen

Halogenlampen FluoreszenzlampenHalogenlampen

0 6

0,8

1,0

tens

ität

80

90

100

110

120

krom

eter

]

Fluoreszenzlampen

Zum Vergleich:Halogenlampe

0,2

0,4

0,6

Nor

mie

rte

In

10

20

30

40

50

60

70

Leis

tung

[W/M

ik Halogenlampe

400 500 600 700 8000,0

Wellenlänge [nm]500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

0

10

Wellenlänge [nm]

Niedrige Lichtausbeute + hohe Farbwiedergabe Hohe Lichtausbeute + mäßige Farbwiedergabe

Page 17: Licht und Gesundheit

1.2Blaue LED + Gelber + Roter Leuchtstoff

Künstliche Lichtquellen

0.2

0.4

0.6

0.8

1 JAZZ 3300K

BB 3300K

Anorganische Leuchtdioden (LED)• 1 – 5 W pro LED

400 450 500 550 600 650 700 750 800nm

b la c k b o d y 3 6 0 0 K

f lu o r e s c e n t C C T = 3 6 0 0 K

400 450 500 550 600 650 700 750nm

• 100 ‐ 250 lm/W• Warm‐weißes Licht • Hohe Farbwiedergabe ähnlich zu Halogenlampen 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0

n m

f lu o r e s c e n t , C C T = 3 6 0 0 K

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Anorganische LED ‐ Status 2013

Künstliche Lichtquellen

Lichtaubeute: Kalt‐weiß > 200 lm/WWarm‐weiß > 100 lm/W

Farbwiedergabe: 70 – 95Lebensdauer: > 10000 hDesign: Retrofits für Leuchtstoffröhren und (Halogen)Glühlampen

Vorteile anorganischer LED gegenüber Glüh‐ und Halogenlampen FluoreszenzlampenHöh L b d Ei f h A t /Di b k itHöhere Lebensdauer Einfachere Ansteuerung/DimmbarkeitHöhere Effizienz Bessere FarbwiedergabeGrößere Robustheit Größere RobustheitKeine IR‐Strahlung Keine UV‐Strahlung Alles optimal?

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Photopische und circadiane Lichtausbeute

Sichtbares (blaues) Licht beeinflusst die

Rezeptoren im Auge• Stäbchen S/W-Kontrast• Zäpfchen Farbwahrnehmung• Blaulicht (pRGC) Hormonsteuerung

Sichtbares (blaues) Licht beeinflusst die MelatoninkonzentrationCortisolkonzentration Aufmerksamkeit, Körpertemperatur etc.

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Lichtquelle Lichtausbeute  Verhältnis Lichtausbeute(photopisch) circadian/photopisch

Photopische und circadiane Lichtausbeute100 Phototopische Wirkung

Jüngere Leute

Melatoninsuppresion

(photopisch) circadian/photopischTageslicht 6500 K 100 lm/W 2,78FL 3000 K 90 lm/W 1,00FL 4100 K 90 lm/W 1,85

20

40

60

80

Ältere L t

Rel

ativ

e W

irkun

g [%

]

430 nm

460 nm

555 nm

LED 5500 K 90 lm/W 2,91

Melatonin (Schlaf)

Körpertemperatur

400 450 500 550 600 650 7000

20 Leute(linsen-korrigiert)

Wellenlänge [nm]

Cortisol (Stress)

Melatonin (Schlaf)

AufmerksamkeitUhrzeit

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Aktivitätssteuerung mit dynamischer Beleuchtung

Arbeitsbeginn 08:15 UhrPrime time 11:45 Uhr

Feierabend 17:45 Uhr

Neutrale Atmosphäre...

Kühle Atmosphäre...Warme Atmosphäre...

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LichttherapieAnwendung im Zusammenhang mitBeleuchtungsstärke > 5000 lux g g• Jet‐lag• Schichtarbeit• Essstörungen• Übergewicht

Tageslicht Sommer ~ 100000 lux

• Schlafstörungen• Lichtwecker    250 lux• Winterdepression 10.000 lux

Page 23: Licht und Gesundheit

Melatoninsuppression und Lichtausbeute: Optimal mit weißen LEDs (460 nm + 555 nm)Lichttherapie

Bl LED G lb L ht t ffEnergie [eV]

40

50

60

70

inte

nsitä

t

Tc = 5270 K CRI = 82Tc = 4490 K CRI = 79Tc = 4110 K CRI = 76

Tc = 3860 K CRI = 73

Blaue LED Gelber Leuchtstoff

1,2x107

1,4x107

1,6x107

1,8x107

2,0x107

Teelicht

tät

3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6

0

10

20

30

Emis

sion

s Tc = 3540 K CRI = 70

0,0

2,0x106

4,0x106

6,0x106

8,0x106

1,0x107

Inte

nsit

Empfehlung• Allgemeinbeleuchtung: Variabler Blauanteil kaltweiße LEDs• Ruhezonen: Kein Blauanteil warmweiße/gelbe LEDs oder Kerzen/Teelicht

400 500 600 700 800Wellenlänge [nm]

400 450 500 550 600 650 700 750 800

Wellenlänge [nm]

Page 24: Licht und Gesundheit

Eindringtiefe von Licht (UV‐C bis IR‐C)

Wirkung von Licht über die Körperoberfläche

UV‐C → ErbgutschädenUV‐B → Vitamin D Bildung

UV‐A → MelaninoxidationBlau → Bilirubinabbau, NO‐BildungBlau →  Bilirubinabbau, NO Bildung

Rot → Gefäßerweiternde Wirkung

Optisches Fenster“

IR‐C  0.1 mm

IR‐B  0.5 mm

Oberhaut

Lederhaut

„Optisches  Fenster  von 650 bis 1300 nmEindringtiefe vonIR‐A etwa 5 mm

IR‐A  4 ‐ 5 mm

Unterhaut‐gewebe

Page 25: Licht und Gesundheit

UV‐Licht TherapieBehandlung von• Tuberkulose seit ca. 1895• Rachitis seit etwa 1920

Sanatorien in Davos, Braunwald, etc. A d S li ht 10% Anwendung von Sonnenlicht

Effekt: Bildung von Vitamin D3– Produktion in der Haut– Mit UV‐B Licht (290 ‐ 315 nm)

90%

10%

Mit UV B Licht (290  315 nm)– Optimal: > 60 ng/ml Serum

Page 26: Licht und Gesundheit

Wirkung von UV‐Strahlung

UV‐Licht Therapie0,8

1,0 UV-AUV-B

UV‐A (320 ‐ 400 nm):  95% vom Tageslicht‐UV• Bräunung schnell Kurzzeiteffekt

0,2

0,4

0,6

Inte

nsitä

t

UV-Tageslichtspektrum60° Sonnenhöhenwinkel Kurzzeiteffekt

UV‐B (280 – 320 nm): 5% vom Tageslicht‐UV• Vitamin D Bildung• Bräunung

280 300 320 340 360 380 4000,0

Wellenlänge [nm]

60° Sonnenhöhenwinkel(klarer Himmel)

• Bräunung  nach 2‐3 Tagen Langzeiteffekt

Moderne Solarienemittieren kaumUV‐B Strahlung

Page 27: Licht und Gesundheit

B h dl

Blau‐Licht Therapie

Behandlung von • Akne• Neurodermitis

Wirkungsoptimum bei 415 nm (blauviolett)

Spektral optimierte FluoreszenzlampenFluoreszenzlampenmit α‐Ba3Y(BO3)3:Eu

Page 28: Licht und Gesundheit

1,0 Aktionsspektrum des Bilirubinabbaus

Blau‐Licht TherapieBehandlung der Gelbsucht mit blauem Licht

0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

Relat

ive W

irkun

g

Das gelbe Bilirubin ist ein Abbauprodukt desHämoglobinstoffwechselsGesunde: Abbau in der Leber + AusscheidungLeberkrankte: Einlagerung in der Haut/Gehirn

400 450 500 550 6000,0

Wellenlänge [nm]

0,20

0,25

0,30

nten

sitä

t

Emissionsspektrum einer „Bilirubinlampe“ 

g g /

400 450 500 550 6000,00

0,05

0,10

0,15

Emission

sin

Wellenlänge [nm]

Bilirubin (wasserunlöslich)  → Lumirubin (wasserlöslich)

Page 29: Licht und Gesundheit

Neugeborenen‐Ikterus (Gelbsucht)

Blau‐Licht Therapieg ( )

Direkt nach der Geburt ist die Leber noch „unreif“ Unzureichender Abbau des Bilirubins Bestrahlung mit blauem Licht (460 nm)  Lumirubin wird über die Nieren ausgeschieden

Philips Lampen F20T12/BB bzw. F40/BB

Page 30: Licht und Gesundheit

Schmerztherapie mit blauem Licht 

Blau‐Licht Therapie

→ Bildung des Neurotransmitters Stickstoffmonoxid NO

1 . 4 m m

B l a u e m i t t i e r e n d e L E D s Blaue LEDs

5

3x105

4x105

ensi

tät

4 3,5 3 2,5 2Energie [eV]

2 0 m m

4 m mP h o s p h o r C e r a m i c Flexible Polymerbasis

300 350 400 450 500 550 600 650 7000

1x105

2x105

Inte

n

Wellenlänge [nm]

Page 31: Licht und Gesundheit

Stickstoffmonoxid (NO)‐Radikale

Blau‐Licht Therapie

• In hohen Konzentrationen toxisch• In niedrigen Konzentrationen gefäßerweiternd und muskelentspannend

→ Blutdruckregulation→ Schmerzreduktion→ Schmerzreduktion→ Entzündungshemmende Wirkung

Enzymatische Produktion L‐Arginin (Aminosäure)   L‐Citrullin + NOBildung durch blaues Licht Nitrit NO2

‐ + H2O   OH‐ + OH.  + NOS‐Nitroso‐Serumalbumin   NO

Page 32: Licht und Gesundheit

Behandlung von 

Infrarot‐Therapie

• Rheumatismus• Neurodermitis• Rückenschmerzen• Tumore (mit IR‐A Strahlung) 

Photodynamische Therapie→ Photodynamische Therapie

IR‐Quellen• IR‐A and IR‐B

Halogenlampen mit Farbfilter

IR‐C  0.1 mm

IR‐B  0.5 mmHalogenlampen mit FarbfilterNd:YAG Laser

• IR‐Cgeheizte Keramikstäbe IR‐A  4 ‐ 5 mm

Page 33: Licht und Gesundheit

Wasseraufbereitung (im Wasserwerk oder am „Point‐of‐use“)

Wasser‐/Oberflächen‐/Luftbehandlung mit Lichtg ( „ )

• UV‐C Licht (265 nm) desinfiziert→ Vermehrung von Mikroorganismen wird gestoppt

0,8

1,0 nach DIN 5031-10

mke

it

UV‐Quellen 200 250 300 3500,0

0,2

0,4

0,6

,

Rel

ativ

e W

irksa

m

Wellenlänge [nm]

• Quecksilberdampflampen• UV LED• Xe Excimerlampen

Wellenlänge [nm]

Page 34: Licht und Gesundheit

Wasseraufbereitung (im Wasserwerk oder am „Point‐of‐use“)

Wasser‐/Oberflächen‐/Luftbehandlung mit Licht4,0

4,5c = 0,001MT = 293 Kp = 1 bar, airSolvent: demi H O

5-fluorouracil with 500mg/l H2O2

g ( „ )• UV‐C Licht (< 280 nm) oxidiert• UV‐Licht (< 400 nm) und Katalysator oxidiert

→ Entfernung von Pestiziden, Herbiziden, Tensiden,Medikamentenrückständen (Krebsmarker Antibiotika etc ) 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5Solvent: demi H2OLamp: NIQEm.spectrum: 254nm

Abs

orba

nce

0min 5min 10min 15min 20min 30min

Medikamentenrückständen (Krebsmarker, Antibiotika, etc.)

UV‐Quellen

200 225 250 275 300 325 3500,0

Wavelength [nm]

0 6

0,8

1,0

1,2c = 0,00005 MT = 293 Kp = 1 bar, airSolvent: demi H2OLamp: NIQEm.spectrum: 254,185nm

ance

0min 10min 20min 30min 40min 50min 60min 0min without H2O2

Tetracycline with 50mg/l H2O2

• Quecksilberdampflampen• UV LED• Xe Excimerlampen 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450

0,0

0,2

0,4

0,6

Abs

orba

Wavelength [nm]

Page 35: Licht und Gesundheit

Phototherapie• Vitamin D Aufbau 310 nm• Akne‐, Ekzem‐, Psoriasis‐, Vitiligobehandlung 415 nm

Licht und Gesundheit, , , g g

• Melatoninsuppression 430 nm• Bilirubinabbau 450 nm• Schmerztherapie 453 nm• Photodynamische Therapie Rot/NIR• Rheumabehandlung NIRKosmetik• Bräunung UV‐A + UV‐B• Epilation 755 nmEpilation 755 nm• Faltenreduktion NIR• Hautflecken‐ und Tattooentfernung 694, 1064 nmDiagnostik• Endoskopie VIS• In‐vitro und in‐vivo Fluoreszenzmarkierung VIS• Optische Bildgebung NIR• Photoplethysmographie NIRChirurgieChirurgie• Laserskalpell 1.06, 10.6 µm• Augenkorrekturen 193, 800 nm• Kariesentfernung 2.94, 10.6 µmWasser‐/Oberflächen‐/Luftbehandlung• Entkeimung 200 – 280 nm• Reinigung < 190 ‐ 400 nm

Page 36: Licht und Gesundheit

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!Literatur

• R. Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung – von der Glühlampe bis zum LASER, Highlight‐Verlag, 2004• M. Born, T. Jüstel, Elektrische Lichtquellen, Chemie in unserer Zeit 40 (2006) 294• T. Jüstel, S. Möller, H. Winkler, W. Adam, Luminescent Materials in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. 

A1‐28, Wiley‐VCH (2012)

Internet‐LinksInternet Links

• Homepage T. Jüstel www.fh‐muenster.de/juestel• CREE http://www.cree.com/• GELcore http://www.gelcore.com/• Global Light Industries http://www.globallight.de/index.html• Nichia http://www nichia co jp/about nichia/index html• Nichia http://www.nichia.co.jp/about_nichia/index.html• Osram Opto http://www.osram.de/• Philips Lumileds http://www.luxeon.com/• Seoul Semiconductor http://www.seoulsemicon.com/en/prCenter/• Sylvania http://www.sli‐sylvania.com/content/view/65/77/