Правильное освещение от источника хирургического света уменьшает усталость и повышает концентрацию внимания врача

Фолькер Докхорн[1], Манфред Шольц[1], Корнелиа Вандал[2], Дитрих Галл[2]
[1]BERCHTOLD GmbH & Co. KG, Туттлинген, Германия; [2 ]Факультет светотехники в Технологическом университете Ильменау, Германия

Некоторые интересные и важные результаты были получены в результате исследования, предпринятого совместно Технологическим университетом Ильменау и компанией BERCHTOLD GmbH & Co. KG, являющейся мировым лидером по производству и продажам систем хирургического освещения. 

Целью исследования являлось изучение эффектов хирургического света, обычно имеющего высокую интенсивность, на физиологию хирурга. Результаты показали, что хирургический свет с высокой цветовой температурой (4300K) уменьшает усталость врачей и повышает их концентрацию. Напротив, использование хирургического света с низкой цветовой температурой (3400K) может увеличить количество ошибок, связанных с недостатком концентрации, на значение, достигающее 5%. 

Физиологическое действие света на человеческий организм
В прошлом освещение в операционных всегда рассматривалось только с точки зрения его непосредственного предназначения, т.е. для освещения операционного поля. В настоящем исследовании мы рассматриваем свет и как форму излучения, воздействующего на врача. В этом аспекте свет характеризуется не только по своей интенсивности, но и по дозе облучения, а следовательно по своему физиологическому действию на организм человека.

Уже на протяжении многих лет известно, что свет оказывает физиологический эффект. Во многих отношениях, однако, точная природа этого эффекта оставалась невыясненной. Стимулирующее действие света — это наиболее исследованный к настоящему времени эффект. Его возникновение обусловливается стимуляцией рецепторов сетчатки, которые в отличие от фоторецепторов не участвуют в процессе зрения, но при стимуляции ингибируют выделение гормона мелатонина в шишковидной железе. Мелатонин — это гормон, управляющий циркадным ритмом. Он выделяется в темноте и приводит к уменьшению сердечно-сосудистой активности и появлению усталости.  Ингибирование выделения мелатонина дневным светом по утрам увеличивает сердечно-сосудистую активность. Мелатонин успешно используется  в течение нескольких лет для противодействия расстройству биоритмов у путешественников, пересекающих несколько часовых поясов за относительно короткое время. Несколько исследований показали, что мелатонин может существенно уменьшить симптомы таких расстройств.

Однако настоящий прорыв в исследованиях произошел только в 2001 году. Это было связано с установлением кривой спектрального эффекта на клетки сетчатки, ингибирующие выделение мелатонина [1]. Сегодня известно, что ингибирование мелатонина достигает пика при длине волны света 450 нм в постоянном видимом спектре, т.е. в синем диапазоне спектра. Таким образом, свет, содержащий большую долю синих волн, ингибирует выделение мелатонина в шишковидной железе. Если же эти синие волны отсутствуют (свет идет в красной части спектра), то выделение мелатонина не подавляется и вызывается усталость. Как параллель можно указать на тот известный факт, что вечернее солнце, излучающее красноватый свет, создает у людей спокойное, сонное настроение. Эффект света зависит от его спектрального состава.

В 2002 проф. Галл успешно описал циркадный эффект света в математических терминах, основанных на опредлении коэффициента циркадного эффекта  (коэффициент acv ) [2]. Благодаря этому стало возможно измерять циркадный эффект света.  

Цели исследования

Целью настоящего исследования являлось выяснение того, разное ли физиологическое действие на хирурга оказывают источники света, излучающие свет разного спектрального состава, т.е. с разной цветовой температурой. Сопоставление различных хирургических источников света с различной цветовой температурой служит для изучения возможности использования хирургического освещения с таким спектральным составом, который позволял бы уменьшить усталость и повысить концентрацию внимания у хирургов, работающих ночью. 

Измерение физиологических эффектов хирургического освещения различного типа

В таблице 1 показаны результаты измерений коэффициента циркадного эффекта (acv) для света трех типов, 1 лампа с газовым разрядом (BERCHTOLD CHROMOPHARE X 65), 1 галогенная лампа с высокой цветовой температурой в 4,300K (BERCHTOLD CHROMOPHARE D 650plus) и 1 галогенная лампа сравнимого размера с меньшей цветовой температурой в  3,400K и большим компонентом красного света. Все типы света измерялись сначала при освещенности в 100000 лк, а затем при освещенности, сниженной на 50%.

	Цветовая температура	acv без снижения освещенности	acv со сниженной освещенностью	примечание
CHROMOPHARE X65	4300 K	0.60	0.60	оптомеханическое снижение освещенности
CHROMOPHARE D650 plus	4300 K	0.59	0.51	электронное снижение освещенности
Эталонный свет	3400 K	0.45	0.38	электронное снижение освещенности

В таблице 1 показаны результаты измерений коэффициента циркадного эффекта для трех типов хирургического света. Все типы света измерялись сначала при освещенности в 100000 лк, а затем при освещенности, сниженной на 50%

В таблице показано, что газоразрядная лампа дает максимальный коэффициент циркадного эффекта(0.60), близкий эффект дает и галогенная лампа с высокой цветовой температурой (0.59). Напротив, хирургический свет с низкой цветовой температурой дает меньший эффект: полученный коэффициент циркадного эффекта составляет 0.45, т.е. примерно на 25% ниже, чем у галогенной лампы с высокой цветовой температурой. При уменьшении освещенности всех трех источников света был получен иной результат. Единственным источником света, который сохранил высокий стимулирующий эффект при работе в условиях пониженной освещенности, стала газоразрядная лампа с оптомеханическим затемнением. Электронное затемнение галогенных ламп привело к изменению цветового спектра и соответствующему ухудшению эффекта этих двух типов света.

Описанные выше результаты позволяют предполагать, что газоразрядная лампа  CHROMOPHARE X 65 и галогенная лампа CHROMOPHARE D 650plus, имеющая высокую цветовую температуру (4,300K), будут вызывать меньшую усталость у врача, тогда как операции проводимые при освещении с помощью галогенной лампы будут, по-видимому, вызывать большую усталость врача, особенно в случае работы ночью. 

Экспериментальное определение физиологического эффекта хирургического света различных типов

Научно обоснованные тесты производительности и концентрации внимания проводились на выборке из 55 человек. Обследуемая группа была разбита на две части. В первой части были 30 человек, которые проходили тесты в зимние месяцы, а в другой 25 человек, проходившие тесты в летние месяцы. Это было сделано с тем, чтобы определить, зависит ли производительность указанных людей от времени года.

Для получения лучшей основы для сравнения эксперименты были ограничены изучением разницы эффектов между двумя галогенными лампами, излучавшими свет изначально в близком спектре. Разница цветовой температуры между этими двумя источниками света возникает из-за специальных фильтров спектра, установленных производителями.

Облучаемая поверхность была плоской и ее отражательная способность была, следовательно, выше (76%), чем обычная отражательная способность человеческих тканей.  По этой причине освещенность обоих типов света была установлена на 40000 лк путем изменения размера светового поля. Диаметр светового поля был одинаков в обоих случаях.

Люди, принимавшие участие в эксперименте, не знали, какой именно свет используется в конкретный момент. Для  того, чтобы вызвать состояние общей усталости, которое возникает в результате умственной работы, от обследуемых требовалось решать арифметические задачи в условиях лимита времени. После этого проводился тест d2 [3] — научно подтвержденный тест для выявления работоспособности и концентрации внимания испытуемого. Последовательность применения света варьировалась от теста к тесту. Половина испытуемых начинали тесты при свете с высокой цветовой температурой (BERCHTOLD), а потом, после соответствующего интервала для адаптации выполняли их при эталонном свете с низкой цветовой температурой.  Другая половина испытуемых начинала тесты с эталонного света.
Все тесты проводились днем или в первые вечерние часы. 

Результаты

Результаты для той группы, которая проводила тесты в зимние месяцы, приведены в таблице 2.  Испытуемые работавшие при освещении лампами BERCHTOLD ответили в среднем на 502 вопроса, а работавшие при освещении эталонным светом в среднем ответили только на  485 вопросов. Это соответствует улучшению работоспособности на  3,5% для тех, кто работал при свете BERCHTOLD. Статистическая погрешность в этом случае составила 0.069, т.е. чуть меньше порога значимых значений (0.05), а следовательно здесь можно говорить о тренде.

Если в качестве средства определения концентрации внимания брать количество верно отвеченных вопросов, то разница становится еще более выраженной. При освещении светом BERCHTOLD испытуемые в среднем верно ответили на 205 вопросов, тогда как при освещении эталонным светом правильный ответ был получен только на 195 вопросов. Это значит, что количество ошибок при освещении светом BERCHTOLD в среднем было на  5.1% ниже, чем в случае работы при эталонном свете. Этот результат имеет статистическую погрешность в 0.041, т.е. в пределах порога значимости 0.05. Таким образом, в зимние месяцы наблюдается значительное увеличение концентрации внимания и уменьшение частоты ошибок при работе, совершаемой при освещении источником света BERCHTOLD с высокой цветовой температурой в 4300K.

	Эталонный свет (3,400K)	CHROMOPHARE D 650plus (4,300K)	Относительная разница	Статистическая погрешность
Работоспособность (среднее общее число отвеченных вопросов)	485	502	3.5%	0.069 (тренд)
Концентрация внимания  (среднее общее число правильно отвеченных вопросов )	195	205	5.1%	0.041 (значимая)

       
  Таблица 2: Результаты тестов на работоспособность и концентрацию внимания в зимние месяцы

Напротив, когда тесты проводились в летние месяцы, работоспособность испытуемых была практически одинакова при любом из двух типов освещения, так что  разницы в физиологических эффектах света в данном случае обнаружить не удалось.
Очевидным образом, испытуемые в летние месяцы испытывали большое воздействие солнечного света, тогда как в зимние месяцы света было недостаточно, что делает правильный выбор освещения еще более важным.

В ходе теста были отмечены эффекты обучения, однако они были элиминированы в результатах благодаря изменению порядка используемого освещения.

Обсуждение результатов

В данном исследовании было показано, что высокая цветовая температура в 4300К, как в источнике света CHROMOPHARE D 650plus, оказывает эффект значительного улучшения работоспособности хирургов в зимние месяцы  (+3.5%), а также что таким образом могут быть сокращены признаки усталости. Напротив, работа, проводимая при освещении с помощью источников света с низкой цветовой температурой (3400 K), связана с увеличением частоты ошибок, соотносимых с недостатком концентрации внимания, до величины в 5%. Наблюдаемый эффект был более выражен при проведении операций в ночной период, когда уровень мелатонина в крови врача высок.  Этот факт делает еще более важным правильный подбор освещения для ночных операций.

Это исследование выполнено в рамках совершенно нового подхода, учитывающего как технические, так и физиологические аспекты современных источников хирургического освещения в их взаимной связи. В конечном счете, от повышенной работоспособности и внимательности хирурга более всего выиграет пациент.

В будущем выбор оборудования для освещения в операционной должен производиться с обязательным учетом не только технических параметров, но и его физиологического эффекта на организм хирурга.

Планируются дальнейшие исследования. 

Литература
[1] BRAINHARD, G.C. u.a.: Action Spectrum for Melatonin Regulation in Humans: Evidence for a Novel Circadian Photoreceptor. J. of Neuroscience, 21 (2001) 16, S. 6405 – 6412

[2] GALL, D,: Circadiane Lichtgrößen und deren messtechnische Ermittlung. Licht 54 (2002) 11/12, S. 1292-1297

[3] BRICKENKAMP, R.: Aufmerksamkeits-Belastungstest d2-Test. Hogrefe Verlag, 9. Auflage