Beleuchtung in Innenräumen - Human Centric Integrative Lighting. Tran Quoc Khanh

die das Schlafverhalten der letzten vier Wochen umfassen. Das gesamte Ergebnis kategorisiert die Testperson gemäß einer PSQI-Punktzahl in einem Bereich von null bis 21. Eine höhe Punktzahl bedeutet ein schlechteres Schlafverhalten. Wenn die PSQI-Punktzahl größer als fünf beträgt, kann das Schlafverhalten als schlecht betrachtet werden.

Abb. 3.19 KSS-Fragebogen (Karolinska Sleepiness Scale) in deutscher Sprache. Quelle: TU Darmstadt, nach [37, 44].

      Die 19 Fragen, die zur Beurteilung des eigenen Schlafes dienen, werden dabei in sieben Komponenten unterteilt, die die Aspekte wie subjektive Schlafqualität, Schlaflatenz, Schlafdauer, gewöhnliche Schlafeffizienz, Schlafstörungen, Schlafmittelkonsum und Tagesschläfrigkeit berücksichtigen. Solche Aspekte sind in klinischen Interviews bei Patienten mit Schlafdefiziten oft zurate gezogen.

      3.7.3 Objektive Methoden und Werkzeuge

      Objektive Messparameter für die Ermittlung der nicht visuellen Lichtwirkungen sind der Pupillendurchmesser, der unter dem Einfluss des Lichts mit einem bestimmten Spektrum und mit einer bestimmten Leuchtdichte eine bestimmte zeitabhängige Größe (Durchmesser) einnimmt. Am Anfang der Lichtexposition kontrollieren die L- und die M-Zapfensignale den Pupillendurchmesser und erst nach etwa 300 s wird die Kontrolle von den ipRGC-Signalen übernommen [41].

      Ein wichtiger Vertreter für die physiologische Bewertung der Wachheit ist die Analyse der Elektroenzephalografie (EEG)-Signale, die die Aktivität des zentralen Nervensystems repräsentiert. Dabei werden Schwankungen elektrischer Spannungen in der Größenordnung von Mikrovolt auf der Kopfhautoberfläche gemessen. Nach [49] trägt die Testperson dabei eine EEG-Haube mit 16 Elektroden auf dem Kopf. Die 16 Elektroden werden an bestimmten definierten Stellen auf der Schädeloberfläche platziert. Für eine gute elektrische Leitfähigkeit zwischen Kopfhaut und Elektroden wird ein sog. Elektrodenleitgel an jeder Elektrode eingespritzt. Die Elektrodensignale sind bei der Aufzeichnung auf eine Referenzelektrode (sog. Cz-Elektrode) bezogen und in der Regel mit einer Abtastrate von 250–500 Hz mit einem hochauflösenden AD-Umsetzer (14 oder 16 bit) digitalisiert. Die EEG-Signale werden mit Fast-Fourier-Transformationen ausgewertet und die gewonnenen Theta-, Alpha- und Betawellen werden analysiert, deren Leistungsdichte eine Aussage für den Wachheitszustand liefern [42]. Theta- und Alphawellen sind Signale im Frequenzbereich zwischen 4–8 bzw. 8–13 Hz. In Abschn. 9.4.2 werden Lichtwirkungen in nächtlichen Stunden mit polychromatischem weißem Licht beschrieben, wobei die EEG-Aktivitäten in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke am Auge dargestellt sind.

      In einer grundlegenden Studie über die Wachheit führten Kaida et al. [43] an 16 gesunden Testpersonen (Alter 33–43 Jahre, 38,1 ± 2,68 Jahre) Tests mit den Parametern wie KSS und EEG-Signalen durch. Die KSS-Werte korrelierten mit den Alpha- und Thetawellen im Zustand der geöffneten Augen gut. Eine Wachheit im Kontext der subjektiven Bewertung nach KSS bedeutet eine geringere Leistung in den zwei genannten Frequenzbändern.

Der beste Marker bzw. der beste Nachweis für einen 24-Stunden-Wach-Schlaf-Zyklus, gekoppelt an die Rotation der Erde und an den damit verbundenen Hell-Dunkel-Rhythmus, ist das Hormon Melatonin. Melatonin wird durch die Zirbeldrüse (Epiphyse) im Gehirn bei dem Anbruch der Dunkelstunden (etwa ca. 20 Uhr abends) generiert und erreicht das Maximum um vier Uhr morgens (s. Abb. 3.12). Melatonin wird auch als Schlafhormon bezeichnet und dessen häufige Entnahme in den nächtlichen Stunden zeigt objektiv den Stand der Bildung von Melatonin und erlaubt eine Beurteilung über mögliche Schlafstörungen zu unterschiedlichen Nachtphasen. Melatonin kann in Serum, Vollblut, Urin und Speichel vorkommen und dort entnommen werden. Von den genannten Möglichkeiten ist eine Speichelprobe am einfachsten in der Handhabung. In der Speichelflüssigkeit sind nur freie, biologisch aktive Hormone enthalten, deren Konzentration der körperaktuellen Hormonaktivität am nächsten entspricht (s. [45]).

      Hauptglucocorticoidhormone, von denen Cortisol das wichtigste Hormon beim Menschen ist, werden in der Nebennierenrinde produziert [46, 47]. Seine Produktion folgt einem zirkadianen Rhythmus (Höhepunkt am Morgen 30–60 min nach dem Aufwachen, Abfall bis zum Tiefpunkt in der Nacht, s. Abb. 3.12). Im Gegensatz zu Melatonin ist der tägliche (zirkadiane) Verlauf von Cortisol komplexer, denn das Cortisolniveau steigt unabhängig vom zirkadianen Rhythmus als Reaktion auf Stress an. Cortisol kann auch relativ bequem mit einer Speichelprobe wie Melatonin entnommen werden. Speichelcortisol korreliert zuverlässig mit dem Serumspiegel [45].

      Der sog. n-back-Test ist ein softwareunterstützter visueller oder auditiver psychologischer Test. Dieser kognitive Dauerbelastungstest wird für die Analyse des Arbeitsgedächtnis (engl. working memory) verwendet. Bei Methoden der Hirntomografie wie positron emission tomography (PET) und functional magnetic resonance imaging (fMRI) werden die Gehirnaktivitäten der Proband/-innen bei der Durchführung von sog. n-back-Aufgaben stimuliert (s. Abschn. 3.3.2). Dieser n-back-Test wurde von Kirchner in [48] eingeführt, wobei den Proband/-innen eine Abfolge von Reizen entweder auditiv oder visuell gezeigt wurde. Die Proband/-innen mussten mit einem Knopfdruck signalisieren, wenn der aktuelle Reiz mit dem Reiz übereinstimmte, der in der Reihe n Schritte vorher vorlag. Die Variation der Anzahl n spricht für den Schwierigkeitsgrad der Aufgabe. In der Regel sind 1-, 2- oder 3-back-Aufgaben am häufigsten verwendet. Die Lichtwirkungen auf die Konzentration, Wachheit und Arbeitsgedächtnis kann man derart untersuchen, indem die jeweilige Testperson in einem Laborraum sitzt und solche Aufgaben durchführt, wobei die Lichtbedingungen (Beleuchtungsstärke auf dem Arbeistisch vor ihr, auf dem Auge oder das Spektrum bzw. die Farbtemperatur des Raumlichts) systematisch und schrittweise verändert werden.

Literatur

      1 Khanh, T.Q. und Söllner, S. (2016). Vorlesungsskripte für Grundlagen der Lichttechnik LT1, Lehrstuhl für Lichttechnik, TU Darmstadt.

      2 Hubel, D.H. (Autor), Ginzler, H. (Technischer Redakteur), O’Neill, J. (Übersetzer), Pulvermüller, F. (Übersetzer) (1989). Auge und Gehirn. Neurobiologie des Sehens. Spektrum der Wissenschaft. ISBN 9783922508922.

      3 Patterson, S. et al. (2020). A color vision circuit for non-image-forming vision in the primate retina. Curr. Biol. 30: 1269–1274.

      4 Spitschan, M., Jain, S., Brainard, D.H. et al. (2014). Opponent melanopsin and S-cone signals in the human pupillary light response. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111: 15568– 15572.

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8 Lennie, P., Pokorny, J. und Smith, V.C. (1993). Luminance. J. Opt. Soc. Am. A 10: 1283–1293.

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      10 Kaiser, P.K. (1971). Luminance and brightness. Appl. Opt. 10: 2768–2770.

      11 Zele, A.J., Adhikari, P., Feigl, B. und Cao, D. (2018). Cone and melanopsin contributions to human brightness estimation. JOSA