Sirkadiyen Işık metriği (Circadian Light Metric) – 3000K ila 3500K renk sıcaklığında (CCT) oluşan doğrusalsızlık sorununu gidermeye ve modeli daha işler hale getirmeye yönelik bir öneri

Metin: Bill Chan

Sirkadiyen metrik, insanın sirkadiyen sistemi ya da bilinen diğer ismiyle biyolojik saati için bir uyaran işlevi gören, ışığı tanımlayan bir araç.

Bu faydalı araç, bastırılan melatonin düzeyini ölçmek için günün belli bir zamanına özel tasarım-performans standardı sağlayabiliyor. Ne yazık ki şimdiye kadar aydınlatma profesyonelleri, pek çok araştırmacının son yıllarda gösterdiği muazzam çabaya rağmen kullanabilecekleri kabul gören ve geçerli bir metriği hâlâ bekliyor durumda.

“Işığın insanlar üzerindeki göz-aracılı, görsel olmayan etkileri için parlaklık ölçümü” başlıklı CEN/TR 16791, Avrupa Standardizasyon Komitesi tarafından 2017’de yayımlandı. Ardından Temmuz 2018’de “Işığa ipRGC-Etkili Tepkilere yönelik Optik Işınım Metroloji için CIE Sistemi” başlıklı CIE taslak standart DIS 026 yayımlandı. Bu iki belge de ışığın retina üzerindeki görsel olmayan etkilerine katkıda bulunan beş fotoreseptör girişinin her birinin nasıl belirleneceğini belirtiyor. Bu beş fotoreseptör; S-koni (kısa dalga boyuna duyarlı koni), M-koni (orta dalga boyuna duyarlı koni) ve L-koni (uzun dalga boyuna duyarlı koni), ipRGC (ışığa duyarlı retina ganglion hücreleri) ve Çubuktur (Rod). Ancak her iki belge de, bu beş fotoreseptörün sirkadiyen tepkiler üzerindeki ortak etkisini hesaplayacak bir model sağlamıyor.

Günümüzde aydınlatma profesyonellerinin çalışmalarında yaygın olarak kullandığı iki sirkadiyen metrik bulunuyor. Biri, ABD’deki Lighting Research Center tarafından geliştirilen Sirkadiyen Işık (Circadian Light, CL), diğeri ise WELL Building Standard tarafından geliştirilen Eşit Melanopik Lüks (Equivalent Melanopic Lux, EML).

CL modeli, CEN/TR 16791 ve CIE DIS 026’da belirtildiği şekilde tüm beş fotoreseptörün görsel olmayan ortak etkisini tahmin ediyor. EML modeli ise yalnızca tek bir fotoreseptörün (Melanopsin olarak da bilinen) ipRGC’nin spektral emilimine dayanır. Bu yüzden EML modelini bu makalede ele almayacağım.

CL modelinin çalışma teorisi, bir saatlik maruz kalmanın ardından noktürnal melatonin baskılanmasıyla tayin edilen insanın sirkadiyen sisteminin spektral duyarlılığını yansıtmak üzere ölçülen korneadaki parlaklığa dayanır. Dolayısıyla bu beş fotoreseptörün (S-koni, M-koni, L-koni, ipRGC ve Çubuk) görsel olmayan ortak etkisi buna göre hesaplanabilir. CL modelinin ölçü birimi, 1000 lükste 2856K kara cisim ışımasına standartlaştırılmış 1000 değeri olan Sirkadiyen Lüks’tür (veya kısaltılmış olarak CLA). CLA, SPD (Spectral Power Distribution) (Spektral Güç Dağılımı) ile kornea üzerine dikey olarak düşen aydınlatma şiddetine bağlıdır. Genel olarak daha yüksek CLA, ışık tarafından bastırılan daha yüksek melatonin yüzdesi anlamına gelirken düşük CLA, ışık tarafından bastırılan daha düşük melatonin yüzdesini temsil eder.

Ancak CL modeli, CFL (kompakt flüoresan lamba) ve LED gibi çoğu beyaz ışık kaynağı için 3000K – 3500K renk sıcaklığında (CCT) doğrusalsızlık sergiler. Lütfen aşağıda yer alan Şekil 1’deki grafiğe bakın.

Doğrusalsızlık 3200K ve 3490K’de en yüksek ve en düşük CLA değerleriyle fark edilebilir. Test edilen aydınlatma armatürü, Simon 720 Biodinamico paneldir. Bu grafik, 1,2 m seviyesindeki 300 lükslük dikey aydınlatma şiddeti koşulunda ölçülen ve çeşitli renk sıcaklıklarına (2700K – 5700K CCT) ayarlanan 10 SPD veri grubuyla hazırlandı. Bu SPD ölçümleri, 3.9W/m2 +/- %10 benzer toplam parlaklık altında alınıyor. Her renk sıcaklığındaki mavi ışık parlaklığı ise 2700K ila 5700K CCT’de sırasıyla 0.337W/m2 ile 1.051W/m2 aralığında. Mavi ışık içeriğinin analizi, daha hassas karşılaştırmalar gerçekleştirmek amacıyla CCT (Kelvin) değerleri yerine, ölçülen parlaklık (W/m2) değerlerine dayalıdır. Doğrusalsızlık nedeniyle 3200K’de CLA=143 Sirkadiyen Lüks, 3490K’de CLA=143 Sirkadiyen Lüks’ten %15 daha az mavi ışık parlaklığı içerir. Bu en yüksek ve en düşük CLA olgusu, pek çok araştırma ve çalışmanın ortaya koyduğu gibi daha fazla mavi ışık içeriğinin melatoninin daha fazla salgılanmasını bastırdığına dair genel kanıyla aslında çatışan bir görüş yaratır. Bu farklılık nedeniyle ardından CL modeli, bu anormal olgunun niye oluştuğunu anlamak için incelendi.

CL modeli iki ana bileşen içeriyor: Örneğin, Melanopik Bileşen ve karşıt Koni-Çubuk Bileşen. Koni-Çubuk Bileşenin karşıt etki gösterip göstermediğinin belirlenmesi b-y faktörüne bağlıdır. b-y faktörü pozitif değerse karşıt Koni-Çubuk Bileşen etkisi %100 AÇILIR. Aksi halde b-y faktörü sıfır veya negatif değerse karşıt Koni-Çubuk Bileşen etkisi tamamen KAPANIR. Karşıt Koni-Çubuk Bileşen, “mavi-sarı (b-y) kanaldan ipRGC’ye doğru alt-toplamsal, spektral karşı veri gibi çalışır. Modelin bu boyutu; kısa dalga boyu, S-koni bipolardan ipRGC’lere sadece depolarize girdinin mümkün olduğu, tek yönlü, diyot benzeri sinyal yolunu ve geçişli engellemeyi kapsar. [1]. Ayrıca b-y faktörünün fonksiyonu şu şekilde açıklanır: “b-y kanalı bir pozitif değer için ‘mavi’, depolarizasyon sinyali verdiğinde hesaplanan tepki, hesaplanan ipRGC depolarizasyon tepkiye eklenir (Denklem A1a); ancak b-y kanalı bir negatif değer için ‘sarı’, hiperpolarizasyon sinyali verdiğinde sadece hesaplanan ipRGC depolarizasyon tepki Sirkadiyen Işığa katkı sunar (Denklem A1b).” [2] Lütfen aşağıdaki Şekil 2’ye bakın.

b-y faktörünün rolü, Koni-Çubuk Bileşenin farklı renk sıcaklıklarında Melanopik Bileşen üzerinde karşıt etki oluşturup oluşturmadığını belirlemek olduğu için b-y faktörü ile Renk Sıcaklığı ilişkisinin grafiği hazırlanarak aşağıdaki Şekil 3’te gösterilmiştir. Bu grafik, b-y faktörünün yaklaşık 3380K’de negatif değerlerden pozitiflere çapraz geçişli bir noktası olduğunu gösteriyor.

b-y faktörü değerini, 3000K – 3500K bölgesinde negatiften pozitife değiştirdiğinde ilgili CLA değerleri, renk sıcaklıkları 3200K’den 3490K’e biraz değişse bile, keskin bir şekilde 312’den 143’e düşüyor. Bu düşüş, karşıt Koni-Çubuk Bileşen değerlerinin aniden -203’ten 0’a değişmesinden kaynaklanıyor ve sonucunda CLA değerlerini %54 düşürürken mavi ışık parlaklıkları %18 artıyor. Lütfen aşağıdaki Şekil 4’e bakın.

Ayrıca 4875K panel, 0,940W/m2’lik mavi ışık parlaklığı yayıyor ve ürettiği CLA=279’dur. 3200K ile kıyaslandığında panel 0,528W/m2’lik mavi ışık parlaklığı yayıyor ve ürettiği CLA=312’dir. Bu kıyas grubu, %78 daha fazla mavi ışık parlaklığının %11 daha düşük CLA ürettiğini gösteriyor. 3490K ve 4875K’e karşı 3200K’deki bu gözlemlerin, daha fazla mavi ışık içeriğinin melatoninin daha fazla salgılanmasını bastırdığına (veya bu durumda daha yüksek CLA) dair genel kanıyla aslında çelişiyor.

CL modeli, b-y faktörü sıfır noktasını geçene kadar, çapraz geçişli 3380K noktasından hem daha yüksek hem daha düşük renk sıcaklığı aralığında ayrı ayrı işe yarıyor. Dolayısıyla CL modelinin önerdiği “tek yönlü, diyot benzeri sinyal mekanizması, bu yüzden açıklama arayışıyla incelendi. Elektronikte ve LED’de diyot, tümüyle kapatılabilir mükemmel düzenek değildir ve uygulanan voltaj pozitiften negatife çevrildiğinde kaçak akım deneyimlenir. Bu diyot kaçak akım olgusu, bu “tek yönlü, diyot benzeri sinyal mekanizması”nın mükemmel bir düzenek olarak hareket etmeyeceği hipotezini oluşturmaya da yardım edebilir. Ya da diğer bir deyişle b-y faktörü sıfır noktasını geçip pozitif değerlerden negatiflere değiştiğinde Koni-Çubuk Bileşen, Melanopik Bileşen üzerinde yine de bir derece karşıt etki oluşturabilir. Bu yüzden “tek yönlü, diyot benzeri sinyal mekanizması”nı ve onunla ilgili geçişli engellemeyi inceleyecek daha fazla araştırma gerekiyor. Bu hipotez oluşturulsaydı buna uygun olarak doğrusalsızlık sonlandırılabilirdi. Bu nedenle CL modelinin matematiksel formülü, daha kolay anlaşılabilmesi için Şekil 5’te yeniden düzenlendi.

L, kaçağı temsil ediyor. L=1 durumunda “tek yönlü, diyot benzeri sinyal mekanizması” %100 açık, L=0 durumunda ise tümüyle kapalı oluyor.
2700K, 2930K ve 3200K renk sıcaklıklarında b-y <= 0 gerçekleştiğinde “tek yönlü, diyot benzeri sinyal mekanizması” mevcut CL modeline göre tamamen kapanmalıdır. Bu durumda L= 0 kaçak olmadığı anlamına gelir ve böylece Koni-Çubuk Bileşen, Melanopik Bileşen üzerinde karşıt etki oluşturmaz. Ardından nihai CLA sonuçlarını etkileyen kaçak derecesini test etmek üzere hipoteze dayanan formüle farklı L değerleri (0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 0.9 ve 1.0) yerleştirildi. Lütfen aşağıdaki Şekil 6 ve 7’ye bakın.

3000K – 3500K bölgesindeki en yüksek ve en düşük olgu, L < 0.8 durumunda ortadan kalkıyor. L=0.8 eğrisi, CLA’in 3200K ve 3490K’de düzleşmeye başladığını, ardından CLA’in 3200K’den daha sıcak renk sıcaklıklarında düşmeyi sürdürdüğünü gösteriyor. Bu hipoteze göre L < 0.8 değerleri, daha yüksek mavi ışık parlaklığının daha yüksek CLA’e yol açtığı ve en yüksek ile en düşük olgu doğrusalsızlığını ortadan kaldırdığı genel kanısını destekler. Bununla birlikte kaçağın gerçekten oluşup oluşmadığını inceleyecek ek araştırmalar gerekiyor. Eğer kaçak oluşuyorsa hangi L değerinin insan üzerindeki gerçek sirkadiyen tepkileri belirleyebileceğinin, gelecekte gerçekleştirilecek araştırmalar ve elde edilecek deneysel kanıtlarla saptanması gerekiyor.

Healthful Lighting Society, CLA ve CS (Sirkadiyen Uyarıcı)’yı hesaplayan, “HLS Circadian Light” [3] isimli bir Android telefon uygulaması geliştirdi. Uygulama şu linkten indirilebilir: https://play.google.com/store/apps/details?id=org.healthfullighting.csnblue. Bu uygulama, aydınlatama profesyonellerinin alan denetimi ve mekânda aydınlatma ortamı değerlendirmesi yapmasını hedefliyor. Aşağıdaki Şekil 8’de, 3200K, 3490K ve 4875K değerlerinde CLA, CS ve Mavi Işık Parlaklığı yüzdesine ilişkin ekran görüntüleri bulunuyor. Her bir senaryodaki mavi ışık parlaklığı, görünür spektrumun (380 – 730 nm) toplam parlaklık yüzdesi olarak gösteriliyor.

Kaynaklar:
1. Rea ve diğerleri, Modeling the spectral sensitivity of the human circadian system, Lighting Res Tech. 2012; 44:386-396.
2. Rea ve diğerleri, Circadian Light, Journal of Circadian Rhythms 2010, 8:2
3. Bill Chan, Circadian Lighting and “Blue Light Hazard”, Innovations in Light 2018

Haber kaynağı: https://www.linkedin.com/pulse/circadian-light-metric-proposal-tackle-non-linearity-occurred-chan/