СПОСОБ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА ЧЕЛОВЕКА СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК A61B5/476 A61N5/06 

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±1.72¹ 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: ¹ - 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.

Изобретение к области медицины и может быть использовано для оценки воздействия на функциональное состояние коры головного мозга человека светового излучения от светодиодного источника. 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. 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. Способ повышает достоверность оценки функционального состояния головного мозга, что достигается за счет оценки его биоэлектрической активности в диапазоне альфа- или тета-ритма. 4 табл., 4 пр.

Способ оценки воздействия на функциональное состояние головного мозга человека светового излучения, включающий воздействие белым светом от светодиодного источника, отличающийся тем, что 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 световое воздействие оценивают как физиологически активное, а менее чем на 25% - физиологически нейтральное.