KR100940004B1 - 발광 시스템 및 광 소스 또는 광 소스들의 조합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인간 피검체의 주의력을 제어하는 방법 및 이 방법에서 사용되는 광 소스 및 이 방법에서의 광 소스의 사용에 관한 것이다. 본 발명은 멜라토닌 사이클의 단계에 거의 영향을 주지 않으면서 노출 기간 동안 인간 피검체를 적절한 광 방사에 노출시키는 단계를 포함한다. 멜라토닌은 인간 피검체의 주의력을 제어하는데 사용될 수 있는 수면 호르몬이다. 적절한 광 방사는 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율(멜라토닌 와트/와트) 및 광 출력(루멘/와트)으로 명시되며, 이 출력 비율 및 광 출력은 상기 사이클의 단계에 원하는 효과를 미치도록 조절된다.

Description

발광 시스템 및 광 소스 또는 광 소스들의 조합체{METHOD FOR CONTROLLING THE ALERTNESS OF A HUMAN SUBJECT AND A LIGHT SOURCE FOR USE IN THIS METHOD}

본 발명은 적절한 광 방사를 통해 인간 피검체의 주의력(alertness)을 제어하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 24 시간 주기 페이스메이커(circadian pacemaker)의 조절 방법 및 이러한 방법에서 사용되는 광 소스에 관한 것이다.

지난 10년 동안, 인간 광생물학(photobiology)에 대한 지식은 크게 증가하였으며, 눈을 통해 인간 피검체에 가해지는 광 방사는 다양한 생리적 리듬을 제어하는데 매우 중요하다는 것을 나타내고 있다. 따라서, 광 방사는 수많은 신체적 기능뿐만 아니라 정신적 상태와 기능에도 영향을 준다. 모든 과학적 증거의 대부분은 다양한 강도의 "백색 광 방사"를 눈에 가하는 것을 기초로 하고 있으며, 이는 일반적으로 알려져 있으며 가령 US-5,545,192에서 개시된다. 이러한 보고들은 눈을 통해 가해진 광 방사로 인한 멜라토닌 억제의 민감도를 나타내며, 여기서 멜라토닌 억제는 광 방사의 선량(dose) 및 스펙트럼 합성(spectral composition)에 의 존한다(Annals New York Academy of Sciences 453(1985), p.376-378 참조). 멜라토닌은 24시간 주기를 보이며 생리적 리듬의 단계의 척도로서 간주되는 호르몬이다. 멜라토닌은 인간 피검체의 긴장에 영향을 주는 수면 호르몬으로 일반적으로 알려져 있다. 그러므로, 멜라토닌 사이클이 제어될 때, 긴장이 이완됨으로 인해 실수를 하게 될 위험이 감소된다. 비교적 낮은 멜라토닌 레벨은 긴장을 일으키며, 비교적 높은 멜라토닌 레벨은 좀 더 졸음이 오게 한다. Annals New York Academy of Sciences 453(1985), p.376-378에 의하면, 멜라토닌의 억제는 약 509 nm의 파장에서 최고 민감도를 보인다고 기술되어 있다. 멜라토닌을 억제하는 것은 자연적 24 시간 주기에서는 "어두운(dark)" 시간에 가능하여서, 여기서는 오직 이용 가능한 인공 조명이 존재할 뿐이다. 낮 동안에는, 멜라토닌 레벨이 상대적으로 낮으며, 저녁에 멜라토닌 레벨이 증가하여 한 밤 중에 최대치에 이르며 기상 시간이 될 쯤에 레벨이 점진적으로 감소한다. 24시간 사회에서, 많은 사람들이 밤에 일해야하고 운전해야 하며 안전하게 잘 일을 수행하기 위해 긴장해야 하고 비정규 시간에 잠을 잘 자야 한다. 이러한 상황 하에서, 많은 사람들은 가령 자동차 사고와 같은 실수를 할 수 있는 더 큰 위험을 가지게 되고 비정상적 수면 행동을 겪기 쉽다.

본 발명의 목적은 하루 중 통상 이외의 시간에 일해야 하는 사람들이 실수를 할 수 있는 위험을 줄이는 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 적절한 광 방사를 통해 인간 피검체의 주의력을 제어하는 방법에 의해 성취되며, 인간 피검체는 적어도 멜라토닌 생성 및 멜라토닌 저하의 단계를 포함하는 멜라토닌 변화의 사이클을 가지며, 상기 멜라토닌 생성을 억제 또는 허용함으로써, 또는 상기 멜라토닌 저하를 유발함으로써 상기 사이클의 소정 단계 내에 존재하며, 상기 방법은 상기 사이클의 단계에 대한 원하는 효과에 따라 노출 기간 동안 인간 피검체를 적절한 광 방사에 노출시키는 단계를 포함하며, 상기 원하는 효과는 상기 멜라토닌 생성을 억제하는 것, 또는 상기 멜라토닌 저하를 유발하는 것, 또는 선택 사양적으로 주변 광의 방사를 차단하거나 선택 사양적으로 두 노출 기간 사이에서는 상기 적절한 광 방사를 하지 않는 비노출 기간으로 함으로써, 상기 사이클의 단계에 거의 영향을 주지 않으면서 인간 피검체를 조명하는 것이며, 상기 적절한 광 방사는 멜라토닌 억제 방사(멜라토닌 와트/와트)의 출력 비율(output fraction) 및 광 출력(루멘/와트)에 의해 명시되며, 상기 출력 비율 및 광 출력은 상기 사이클의 단계에 원하는 효과를 미치도록 조절된다.

본 발명에 따르면 적절한 광 방사를 통해 인간 피검체의 주의력을 효과적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.

최근 보고는, 암순응 시각(scotopic vision)에 대한 최대 민감도가 약 509nm의 파장에서 존재하기 때문에 멜라토닌 억제의 민감도가 암순응 시각 민감성과 유사할 것이라는 이전의 진술과 맞지 않다. 놀랍게도, 암순응 시각 민감성과 비교하여 멜라토닌 억제 민감성은 보다 짧은 파장 영역으로 이동된다. 특히 놀라운 것은, 망막 내의 대다수의 인지된 광 수용체는 500nm 또는 이보다 큰 활성 파장을 가지기 때문에 단파장이 멜라토닌 억제에 실질적인 영향을 준다는 것이다. 500nm 이하의 파장에서, 오직 인지된 수용체(receptor)는 청색 코운(blue cones) 만이며, 이는 420nm의 λ_max를 가지며, 이는 망막 내의 광 수용체의 임의의 다른 족(family)의 1% 미만에 대응하는 양으로 존재한다.

효율의 증가 문제로 인해, 매우 적은 양의 광이 요구되기 때문에 그러한 단파장 광이 멜라토닌 생성을 억제할 수 있는 것이 특히 유리하다. 또한, 멜라토닌을 억제하는데 필요한 광의 양은, 최적 파장 또는 파장 밴드가 선택되면, 실질적으로 감소될 수 있는데, 이로써 과도한 섬광 또는 강한 조명에 의해 유발되는 시야에서의 어떠한 문제도 피할 수 있다.

멜라토닌은 송과선(pineal gland)에 의해 생성되며, 적절한 구심성 광학 신경이 송과선에 의한 멜라토닌의 생성에 영향을 주는 것으로 믿어진다. 특히, 단파장 광 소스를 직접 바라보는 대상은 멜라토닌 생성에서의 급격한 감소를 겪는다. 그러나, 광을 신체에서 눈이 아닌 다른 부분에 가하는 것도 그 대상의 멜라토닌 억제에 영향을 준다. 따라서, 본 발명의 광은 시야에 가해지는 것이 바람직하지만, 신체의 다른 부분에 가하는 것도 또한 고려된다. 또한, 파장의 함수로서 멜라토닌을 억제하기 위한 선량은 완전 확대된 동공(pupil)에 대해서는 알려져 있다.

실험은 단파장 광에 대한 최대 민감도는 자외선 바로 위의 영역 내에 존재함을 보인다. 자외선은 일반적으로 약 380nm 이하의 광 방사로 간주된다. 특히, 420 내지 460nm 영역에서 광에 대한 높은 민감도가 나타나며, 이러한 민감도는 파장이 보다 높아짐에 따라 줄어들다가(tail off), 560nm에서 거의 제로가 된다. 상술한 바처럼, 광의 파장은 자외선보다 크지만, 본 발명은 자외선을 포함하는 보다 넓은 영역의 파장을 고려한다. 일반적으로, 그렇지만, 자외선 광은 대상이 받을 위험을 고려할 때 피해져야 한다. 멜라토닌 억제 방사를 가하는 것은 시각(vision)를 위한 광 소스, 또는 별도의 추가 광 소스, 가령 모니터, TV, 독서 또는 식사 테이블, 고글(goggle), 바이저(visors), 인공 창문 내에 내장된 다른 광 발생 장치 내에 통합될 수 있다. 효과적인 멜라토닌 억제 또는 멜라토닌 유지를 위한 수많은 광 방사 애플리케이션이 가정 환경 및 작업장 및 교통 환경에서 발견된다. 현 데이터를 기초로 하여, 광 방사의 스펙트럼 분포에 대한 다음과 같은 몇몇 기본적인 선택 사양이 제시된다.

1. 멜라토닌 억제 방사 및 적절한 업무 성능을 위한 충분한 가시광(가령, 허용된 표준 광 레벨은 적어도 200 lux(lux는 루멘/m²을 의미함)의 광 레벨임). 이 애플리케이션은 가령 옥내 및 옥외에서의 아침, 저녁, 야간 교대를 포함하는 교대 근무 활동에서 발견된다.

2. 멜라토닌 억제 방사 및 약 10 lux 이하의 흐릿한 가시광 레벨. 비교하자면, 보름달 광은 1 lux 이하의 가시광 레벨을 의미한다. 이에 대한 사양은 가령 운전자, 경비원, 간호사, 감시자에게 밤 및 저녁에 존재한다.

3. 멜라토닌 유지 방사 및 적절한 업무 성능을 위한 충분한 가시광. 대부분의 애플리케이션은 가령 저녁 활동에서 기대되며 가정에서 노년층에게 양호한 질의 수면을 위한 조건을 제공한다.

멜라토닌 억제 및 광속(luminous flux)에 대한 방사의 스펙트럼 전력 분포의 효율성의 평가는 계산을 통해 이루어진다. 계산에서, 오직 스펙트럼 전력만이 파장 380-740 nm 범위에 있다고 간주된다. 모든 스펙트럼은 380 내지 740nm에서의 스펙트럼 전력의 총합이 1 와트가 되도록 정규화된다.

와트이며, 여기서 λ는 380 내지 740nm이다.

광속 및 멜라토닌 실효 와트(멜라토닌 와트)를 계산하기 위해, 다음과 같은 공식이 사용된다.

광속

,

멜라토닌 와트

,

여기서 V(λ) 는 시각 민감도 플럭스(eye sensitivity flux)이며,

M(λ)는 멜라토닌 민감도이며, 683의 상수 값은 555nm 의 파장을 갖는 1 와트의 광에 의해 획득된 광속이며, 시각 민감도의 최대치이다.

도 4는 실험으로부터 얻어진, 20 내지 40 살의 사람들에 대한 전형적인 멜라 토닌 민감도 커브를 도시한다. 멜라토닌 민감도가, 실험 대상의 나이에 따르는 눈의 수정체의 투과율에 의존하는 a.u. 이기 때문에, 광 방사를 통한 멜라토닌 억제의 효율은 일반적으로 실험 대상의 나이가 증가함에 따라 감소된다. 멜라토닌 실효 와트는 공식:

멜라토닌 와트

에 따라 계산되는데, 여기서 T(λ)는 수정체 투과의 비율이다.

도 4는 수정체 투과율이 보정된 노년층(60세 이상)에 대한 멜라토닌 민감도 커브의 전형적인 실례를 도시한다.

일 실시예의 방법은, 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율은 0.45 멜라토닌 와트/와트보다 크거나 같으며, 광 출력은 60 루멘/와트보다 작거나 같다는 특징을 갖는다. 이러한 방법을 통해, 멜라토닌은 충분하게 억제되며, 가시광 방사의 출력은 비교적 낮다. 이러한 방법은 특히 간호 활동에서 적합하다. 그러나, 광에 대한 시각 민감도는 인간의 나이에 의존하기 때문에, 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율은 0.45 멜라토닌 와트/와트보다 크거나 같으며, 광 출력은 20 루멘/와트보다 작거나 같은 방법의 실시예가 바람직하다. 이러한 방법은 특히 광에 대한 높은 민감도를 갖는 비교적 젊은 층에서 사용되는 것이 적합하며, 멜라토닌은 충분하게 억제되며 가시광 방사의 출력은 매우 낮다. 멜라토닌 억제가 매우 낮은 양의 가시광/루멘, 즉 깊은 청색을 내는 광 방사에 의해 이루어질 때, 멜라토닌 억제 방사는 시각적 목적(vision purpose)을 위해 광에 의해 생성된 시각적 조건에 거의 영향을 주지 않는다. 이러한 방법의 애플리케이션은 가령 비행장의 관제탑과 같이 흐릿 한 가시광 레벨이 필요하지만 깨어서 긴장할 필요가 있는 활동에서 발견된다. 그러나, 밤에 운전하는 트럭 운전자에 대해서는 광 레벨에 대해 보다 많은 것이 요구되는데, 이들 운전자는 운전 동안 계속 깨어 있어야 하며 도로에 대해 양호한 시야를 가져야 한다. 그러므로, 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율은 0.45 멜라토닌 와트/와트보다 크거나 같으며, 광 출력은 10 루멘/와트보다 작거나 같은 방법이 바람직하다. 10 루멘/와트보다 작거나 같은 낮은 광 출력은 트럭 운전사를 방해하지 않도록 충분하게 낮은 트럭의 운전실 내부의 광 레벨을 쉽게 획득하게 한다. 이로써, 트럭 운전사는 계속 깨어있을 수 있으며 도로에 대해 양호한 시야를 가질 수 있다.

계속 깨어 있어야 하며 시각적 조건이 오직 비교적 간단한 업무에 의해 결정되는 환경에서는, 충분한 양의 가시광을 구비한 멜라토닌 억제 방사가 가해질 수 있다. 이러한 환경의 실례는 물체가 그들의 형상 및/또는 텍스트(text)에 의해 구별될 수 있어야 하는, 조선소의 옥외 컨테이너 작업 활동이다. 이러한 환경에 대한 방법은 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율은 0.45 멜라토닌 와트/와트보다 크거나 같으며, 광 출력은 60 루멘/와트보다 크거나 같다.

항상 깨어야 있어야 하며 작업을 수행하기 위해 양호한 색 시각 조건이 필요한 환경에서는, 비교적 높은 양의 가시광을 구비한 멜라토닌 억제 방사가 가해질 수 있다. 이러한 환경에 대한 실례는 교대 근무, 병원의 응급 의료 센타이다. 이러한 환경에 대한 방법의 실시예는 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율은 0.45 멜라토닌 와트/와트보다 크거나 같으며, 광 출력은 100 루멘/와트보다 크거나 같으며, 광 소스는 65보다 크거나 같은 색 랜더링 지수(CRI)를 갖는 것이 바람직하다. 멜라토닌 억제 발광 방법에 대한 다른 실례는 학교, 대학, 교실 내의 도서관, 강의실, 회의실에서이다. 바람직하게는, 이 방법의 실시예는 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율은 0.6 멜라토닌 와트/와트보다 크거나 같으며, 광 출력은 100 루멘/와트보다 크거나 같으며, 광 소스는 65보다 크거나 같은 색 랜더링 지수(CRI) 및 6500 K 이상의 색 온도를 갖는 것이 바람직하다. 이 방법은 가령 겨울 동안 충분한 태양광을 받을 수 없는 사람, 안정되지 않는 리듬을 갖는 노년층, 월요일 아침에 숙취가 남아 있는 사람에게 적합하다. 색 온도는 비교적 높은데, 이로써 멜라토닌 억제에 의한 주의력을 증가시킨 다음 이 주의력에 대해 심리적으로 안정되게 하는 효과를 갖는다. 멜라토닌 와트/와트가 0.45 보다 크거나 같으며 루멘/와트가 100 보다 크거나 같은 특성을 갖는 광은 단일 광 소스에 의해 획득될 수 있지만, 이와 달리 광 소스들의 조합에 의해 획득될 수 있다. 이러한 조합에서, 루멘/와트가 200 보다 크거나 같으며 색 랜더링 지수(CRI)가 80보다 크거나 같은 가령 /80 저압 수은 방전 형광 램프와 같은, 비교적 높은 루멘 출력을 갖는 제 1 광 소스가, 멜라토닌 와트/와트가 0.7 보다 크거나 같은 /03 저압 수은 방전 형광 램프와 같은, 비교적 높은 멜라토닌 억제 방사 출력을 갖는 제 2 광 소스와 결합된다. 이러한 조합은, 적절한 광 방사율을 얻기 위해, 제 2 광 소스를, 오직 제 1 광 소스만을 구비한 기존의 발광 시스템에 추가하는 것을 가능하게 한다. 이로써, 획득된 발광 시스템은 적절한 광 방사를 내는 광 소스를 가지며, 비교적 저렴하다는 장점을 갖는다.

시각적 조건이 가령 저녁에 몇 시간 동안 작업을 요하며 수면의 질이 감소되지 않아 낮에 실수를 할 위험을 줄일 필요가 있는 경우, 멜라토닌 사이클에 비교적 작은 정도로 영향을 주는 광이 제공되어야 한다. 이러한 애플리케이션의 경우, 본 발명의 방법은, 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율은 0.2 멜라토닌 와트/와트보다 작거나 같으며 광 출력은 100 루멘/와트보다 크거나 같으며, 광 소스는 65보다 크거나 같은 색 랜더링 지수(Ra)를 가지며, 바람직하게는 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율은 0.1 멜라토닌 와트/와트보다 작거나 같다. 이러한 애플리케이션은 가령 노년층의 가정, 어린 아이들을 키우는 가정, 병원, 보육원 등과 같이, 밤에 즉시 깨어나거나 밤 동안 점검을 받을 필요가 있는 사람들에게서 발견될 수 있다. 이 경우에, "수면자(sleepers)"를 위한 멜라토닌 비억제 광은, 작업/관찰실의 "깨어있는 사람(watchers)"을 위한 긴장성 광(alerting light)과 결합될 수 있다. 이러한 타입의 광은 특수한 철야등(nightlights)이 될 수 있으며, 선택 사양적으로 침대 헤드 장치, 홀, 출입구, 계단의 방향등 내에 내장될 수 있다.

일 실시예의 방법은 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율이 0.45 멜라토닌 와트/와트 이상에서 0.2 멜라토닌 와트/와트 이하로 이동하거나 이와 반대가 되기도 하며, 출력 광은 100 루멘/와트 이상이며, 광 소스는 65이상의 색 랜더링 지수(Ra)를 갖는다. 이 방법을 통해, 멜라토닌 억제 방사에서 비억제 방사로의 제어된 점진적 변화가 달성될 수 있으며, 이로써 연속적으로 충분한 광이 제공되어, 사람들이 올바르게 작업을 할 수 있게 한다. 이 방법은 가령 신속한 회전식 교대 근무를 하기 때문에, 결국 단기간 동안에는 억제 광으로 시작하며 일정 기간은 비억제 광 으로 종료하여서, 밤교대 근무 후에 잠을 쉽게 청할 수 있으며 생리적 시계(biological clock)의 임의의 상태 이동을 방지하는 것이 필요한 사람들을 위한 광에서 사용 가능하다. 그 날의 시간에 따라, 멜라토닌 비억제 방사에서 억제 방사로의 이동을 포함하는 방법은 다양한 시간대를 걸쳐 이동하는 경우, 즉 제트 레그(zet-lag)의 경우에 생리적 시계를 재동기화하는 애플리케이션에서 사용 가능하다.

100 루멘/와트 이상의 광 출력을 가지며, 65 이상의 색 랜더링 지수(CRI)를 가지며, 0.45 멜라토닌 와트/와트 이상의 멜라토닌 억제 방사 출력으로부터 0.2 멜라토닌 와트/와트 이하로 이동하는 가능성을 갖는 발광 시스템은 단일 광 소스를 포함할 수 있지만, 이와 달리 제 1 및 제 2 광 소스를 포함할 수 있다. 단일 광 소스를 포함하는 발광 시스템의 실시예에서, 단일 광 소스의 출력은 가령 램프 전압을 조절함으로써 조절 가능하다. 이러한 광 소스의 실례는 무전극(electrodeless) 저압 수은 방전 형광 램프(QL)이다. 제 1 및 제 2 광 소스를 포함하는 발광 시스템의 실시예에서, 발광 시스템은 제 1 광 소스의 사용으로부터 제 2 광 소스의 사용으로 이동하거나 이와 반대로 이동한다. 이러한 발광 시스템에서는, 제 1 광 소스는 가령, 0.45 멜라토닌 와트/와트 이상을 갖는 고압 수은 방전 램프와 같은 비교적 높은 멜라토닌 억제 방사 출력을 가지며, 제 2 광 소스는 가령 0.15 멜라토닌 와트/와트 이하를 갖는 백색 고압 나트륨 방전 램프와 같은 비교적 낮은 멜라토닌 억제 방사 출력을 갖는다. 이 두 광 소스 모두는 공칭 동작 동안 200 루멘/와트 이상인 광 출력 및 65 이상의 색 랜더링 지수(CRI)를 갖는다. 이와 달리, 본 발명의 일 실시예의 방법에서, 필터링 수단이 인간 피검체가 받을 적절한 광 방사 정도를 조절하기 위해 사용된다. 이 방법을 통해, 멜라토닌 억제 방사가, 이러한 방사의 눈으로의 허용이 원하는 대로 선택될 수 있으면서, 인간 피검체에 가해질 수 있다. 이로써, 동일한 환경에서, 어떤 사람은 그의 멜라토닌 생성을 차단함으로써 계속 깨어있고, 다른 사람은 그의 멜라토닌 생성을 차단하지 않도록, 조절하는 것이 가능하다.

본 발명은 또한 광을 대상에 가함으로써 24 시간 주기 페이스메이커를 조절하는 방법에 관한 것이다.

모든 척추 동물은 그들의 활동에서 시간 유기체를 보인다. 이러한 방법이 사용되는 것이 바람직한 척추 동물은 포유류이며, 일반적으로, 특히 인간에게 바람직하다. 가령, 인간은 일반적으로 밤에 자고 낮에 활동하는 주행성이다. 그러나, 이러한 활동 패턴은 고정적이지 않으며, 이러한 24 시간 주기 리듬을 조절할 수 있다. 이러한 24 시간 주기 리듬의 조절이 문제가 없는 것은 아니며, 24 시간 주기 축의 변위의 크기 및 관련 개인에 따라 조절하는데 몇 일이 걸릴 수 있다. 이러한 조절 동안, 개인은 전형적으로는 자야 할 때는 깨어 있는 상태를 보이며, 이와 함께, 깨어 있어야 할 때는 졸음이 오는 상태를 보인다. 심지어 완전히 깨어 있는 상태에 있을 때에도, 그 개인이 여전히 조절중이라면, 일을 처리하는 능력 및 효율이 떨어지는 것이 보통이다.

인간에게, 각 개인의 24 시간 주기 리듬을 결정하는, 24 시간 주기 페이스메이커의 조절 또는 재정렬은 흔한 것이다. 가령, 교대 근무자, 시차 이동 여행 자(trans-meridian travellers), 정서 장애를 겪고 있는 사람 또는 노년층은 24 시간 주기 페이스메이커 재정렬로부터 효과를 볼 수 있다. 동물에게 행해진 연구가 광의 스펙트럼 합성의 방출이 24 시간 주기 시스템에 영향을 주기 위해 필요했음을 언급하였지만, 소수의 연구만이 인간에게 행하여졌다. 단색광의 단일 방사를 사용하여, Brainard 및 그의 동료들은 509nm의 광이 448, 474, 542, 576, 604 nm 광보다 보다 효과적이었다고 결론을 내렸다(Ann. N.Y. Acad. Sci., 453 (1985) 376-378).

WO98/51372(Campbell)은 선택 사양적으로 수면 시간 동안, 인간 피검체에서 눈을 제외한 부분에 비태양광을 가하는 것을 포함하는, 인간의 24 시간 주기 시계를 재설정하는 방법을 개시한다.

US-A-5176133 및 US-A-5167288 및 US-A-5163426(Czeisler) 모두는, 일반적으로 몇 시간 동안 밝은 빛에 노출하는 것을 포함하는, 적어도 36 시간에 걸친 내인성 24 시간 주기 페이스메이커(endogenous circadian pacemaker)의 단계 및 진폭을 정확하게 평가하고 신속하게 수정하는 방법을 개시한다. 약 509nm의 파장이 멜라토닌 생성을 억제하는데 있어서 가장 효과적인 파장이라고 종래 기술이 말한 이유는 인간 피검체에 대해 실험을 한다는 문제 때문이라고 믿어진다. 통상적으로는, 광의 단일 도즈(single dose)가 기준선 판독(baseline reading)을 획득하지 않고 적용되었고, 멜라토닌 생성의 감소에 대한 효과가 측정되었다.

대상에 가해진 광이 바람직한 파장으로 제한될 필요가 없다. 그러나, 멜라토닌을 억제하기 위해 대상에 가해진 광에 필요한 파장이 충분할 필요가 있다.

일반적으로, 실질적으로 단색광이 사용되는, 광 소스의 lux 레벨은 480nm 이하의 파장에 대해 40 lux 이거나 이보다 큰 영역에서 존재해야 한다. 100,000에 달하는 일반적인 lux 레벨(밝은 태양광과 등가임)은 실현 가능하지만, 보다 높은 lux 레벨은 인간 피검체에 불편할 뿐만 아니라 생성하기에 비싸고 전력 소비량이 크다. 따라서, 약 60 내지 500 lux의 lux 레벨이 바람직하며, 70 내지 300 lux이 보다 바람직하다. 적절한 레벨은 80 내지 150 lux 간에서 존재할 수 있다.

광을 가하는 기간은 개인의 상태, 24 시간 주기 페이스메이커 및 바람직한 결과에 대한 조절의 정도를 포함하는 많은 요인에 의해 결정될 것이다. 일반적으로, 광을 가하는 것은 대상이 밝은 태양광에 노출되지 않을 때 그리고 때때로는 멜라토닌 생성이 진행중이거나, 막 생성되려고 하거나 막 종결되려고 할 때 발생해야한다. 피크 생성은 01.00 내지 05.00 시 사이에서 일반적으로 발생한다. 이 정도에 달하는 기간 및 이 피크 기간 동안에서의 광을 가하는 것은 24 시간 주기 리듬을 실질적으로 앞으로 이동시킬 수, 즉 그것을 지연시킬 수 있다. 이와 유사하게, 이러한 피크 후에 광을 가하는 것은 리듬을 뒤로 이동시킬 수 있어, 이들 중 어느 하나가 시차 이동 여행 및 교대 근무 이후의 적응을 돕기 위해 선택될 수 있다.

상술한 바 이외에, 다른 조건이 시차 이동 여행자 또는 교대 근무자의 24 시간 주기 리듬을 보다 잘 보상할 수 있다. 다른 조건은 대상 또는 책임 맡은 치료자에 의해 적당하게 생각되는 것으로 다루어질 수 있다. 가령, 계절적 정서 장애(SAD)을 겨울 동안 많은 사람이 겪는다. 본 발명은 이론에만 제한되는 것이 아 니며, 사람들은 이 기간 동안 충분한 직접적인 태양광을 받을 수 없거나 그러한 기간 동안에 존재하는 다량의 태양광에 충분하게 민감해지지 않으며 그들의 24 시간 주기 리듬은 충분하게 강건하지 못하여, 이 겨울 동안에는, 리듬이 분명하지 않거나 비정상적으로 길어지거나 지연되는 현상이 발생하기 쉽다. 이유가 무엇이든 간에, 주간 동안, 특히 아침 및 저녁에 본 발명의 보충적인 광은 인간 피검체의 24 시간 주기 리듬을 재조정하는 역할을 하여 장애를 경감한다.

놀랍게도, 본 발명은 노년층에 대해 특히 유리하다. 보통, 노년층의 24 시간 주기 리듬이 보다 덜 강건하여, 밤에는 깨어 있는 상태가 되며 낮에는 졸리는 상태가 된다.

단파장에 대한 수용력(receptiveness)은 각막 및 수정체의 노화 현상으로 인해 노년층에서 크게 감소된다. 이로써, 본 발명에 따른, 단파장 방사의 강화된 레벨로 처치하는 것은 노년층의 24 시간 주기 리듬을 재조정하고 강화하여, 이들에게 보다 정상적인 라이프스타일을 가능하게 한다. 노년층의 환자에 대한 처치는 SAD을 겪고 있는 사람들과 유사하지만, 강도가 통상적으로 보다 높아, 200 내지 1000 간의 lux 레벨, 보다 전형적으로는 200 내지 600 lux, 유용하게는 약 400 lux 에 달하는 lux 레벨이 사용될 수 있다. 바람직한 범위의 하한에서의 lux 레벨이 사용될 수 있는데, 여기서는 이 단파장 광이 통상의 낮 시간들의 상당 부분 동안 노년층에게 사용된다. 적절한 레벨이 가령 보호자에 의해 쉽게 결정될 수 있다.

광을 눈 또는 신체의 다른 부분에 직접 가함으로써, 시각을 상실한 사람도 본 발명으로부터 이점을 얻을 수 있다. 처치는 당사자의 시각 상실의 상태에 크 게 의존한다.

상술한 바처럼, 광의 파장은 자외선보다 크지만, 본 발명은 자외선을 포함하는 보다 넓은 영역의 파장을 고려한다. 일반적으로, 인간 피검체에 대한 위험을 최소화하기 위해 자외선을 피해져야 한다.

본 발명은 다음의 비한정적인 실시예에 의해 설명될 것이다.

실시예

각 대상의 개별, 단색 파장에 대한 플루언스 응답 커브(fluence response curve)가 확립된다. 이는 먼저 각 광 처치에 대한 기준선을 측정하고 나서 연구 중인 각 파장에 대한 선량 응답 커브를 확립할 수 있기 위해 특정한 시간에 대상에 소정 파장의 광을 상이한 양으로 가함으로써 얻어진다. 이는 ED₅₀ 판독이 각 선량 플루언스 응답 커브로부터 얻어지는 것이 가능하게 한다. 이로부터, 멜라토닌 생성을 억제하는데 효과적인 파장은 예상치 보다 상당히 낮은 400 내지 460nm 범위 내에 있음을 확립하게 되었다.

A) 방법

파장은 세 연속하는 밤으로 구성된 연구 레그(study legs)에서 수행된다. 제 1 밤은 기준선이 되는 야간 기간이며, 이어서 두 광 노출 밤이 따른다. 총 20 개의 연구 레그가 수행되었으며, 각 대상은 1 내지 16 개의 레그 사이에서 완료되 었다. 3 또는 4 개의 연구 레그가, 연속적으로 수행될 때, 연구 세션(study session)이 된다.

22개의 대상(4F; 18M)이 연령 18-45 범위(평균±SD = 27±7 년)에 걸쳐 선택되었다. 실험 대상은 강하지 않은 진통제 또는 먹는 피임약을 제외하고 어떤 약물도 복용하지 않은 건강한 성인이었다.

테스트 3 일 전에, 실험 대상은 규칙적인 취침 기상 사이클을 유지하도록 요구되었으며, 23 시에 잠을 자러 가며 7 시에 기상하도록 요구되었다.

연구 밤(study nights)

테스트 프로토콜은 19 시에 시작했다. 내주형 캐뉼러(indwelling cannula)는 실험 대상의 팔에 배치되었다. 21시부터 23시까지, 실험 대상은 흐릿한 광(10 lux 이하)에 배치되었다. 광 처치 90 분전에, 동공 확장액 Mimins Tropicamide 0.5%(Chauvin 제약, Romford, UK) 한 방울을 각 눈에 떨어뜨린다. 동공 확장액의 삽입 후에 즉시 실험 대상은 아이 마스크(eye mask)를 쓰고 반쯤 누워 있는 상태로 눕도록 요청되었다. 23 시에, 실험실의 빛이 꺼지며 모든 실험 대상자들은 아이 마스크를 쓴 완전 암흑 상태로 반쯤 누워 있는 자세로 눕는다.

피검자들은 23 시 30 분 내지 02 시 30 분간의 정해진 시간에 30 분의 광 처 치를 받았다. 광 처치의 시간은, 멜라토닌 피크 생성 이전에, 내인성 (자연적) 멜라토닌 리듬의 상승 기울기 상에서 발생하도록 개인에게 맞추어졌다. 혈액 샘플은 동공 확대 90 분 바로 전에 채취되며 다음에 15 분 간격으로, 광 노출 15 분전부터 빛이 꺼진 한 시간 후까지에서 채취되며, 마지막 샘플은 30 분 간격으로 채취되었다. 혈액 샘플은 리튬 헤라핀 관에 수집되었으며 10 분 동안 3000rpm으로 원심 분리되었다. 플라즈마가 분석될 때까지 -20℃에서 분리되어 보관되었다.

각 상이한 광 처치가 3 내지 7 명의 대상에게 23시 30분 내지 02 시 30분 사이에서 여러 시간대에서 30 분 동안 수행되었다. 대상은 자신의 머리를 광구(light sphere) 쪽으로(아래쪽으로: infra) 배치하며 턱을 턱 받침대 상에 위치시키며 그들의 머리는 머리밴드에 댐으로써 자세를 올바르게 하도록 요청되었다. 그들은 그들의 눈을 뜬 상태로 유지했으며 상기 광구의 후방 중심에 표시된 지점을 응시하였다.

광 처치의 요약 사항은 아래의 표 1에 주어진다.

이러한 광 처리의 경우, 피검자는 그들의 머리를 45 cm 직경 구(Apollo Lighting, Leeds, UK) 내에 배치했다. 이 구는 피검자의 머리를 수용하기 위한 개방부(opening cut)를 갖는다. 구의 내부는 96% 반사율 표면을 제공하는 백색 반사성 도료(Kodak White Reflective Coating, Integra Bioscience Ltd., Letchworth, Hertfordshire, UK)의 8 번의 코팅에 의해 코팅되었다(Macam Photometrics Ltd., Livingstone, Scotland, UK). 조절가능한 턱 받침대는 하우스로(in house) 구성되며 반사성 코팅제로 칠해진다. 이 턱 받침대는 머리밴드와 함께 구에 맞도록 배치된다.

이 광구는 공동이 확대된 개인의 전체 망막을 균일하게 조명한다. 이 구는 돔의 상부에 20의 각으로 부착된 섬유 광학 케이블을 통해 조명되었다. 이 케이블은 금속 할로겐화물 아크 램프(Enlightened Technologies Associates Inc., Fairfax, VA. USA)에 의해 제공되는 광 소스에 접속되었다.

네 개의 상이한 광 박스가 실험에서 사용된다. 광 박스 A 및 B는 Welch-Allyn에 의해 개발된 21 와트(W) 소형 금속 할로겐화물 아크 램프를 사용한다. 광 박스 C 및 D는 Welch-Allyn에 의해 개발된 50 와트 소형 금속 할로겐화물 아크 램프를 사용한다. 각 광 박스는 광 소스 및 섬유 광학 케이블 간에 열 미러(heat mirror)를 포함하여, 자외선(UV) 및 적외선(IR) 방사가 필터링되게 한다(Enlightened Technologies Associates Inc., Fairfax. VA, USA).

보다 높은 광 방사를 요하는 후반부 실험(연구 기간 17-20)에서, 두 광 박스로부터의 두 광 섬유 케이블은 입력 포트를 맞춤으로써 한 구 내로 공급되었다.

모든 광 소스는 UV 라디오미터(UV radiometer)(UVP Inc., San Gabriel, CA, USA)로 테스트될 때 어떤 UV 방출도 보이지 않았다. 광 소스는 또한 전자계(EMF) 생성에 대해서도 테스트되었다. 모든 광 처치 조건은 0.1 μT의 백그라운드 레벨보다 큰 어떠한 EMF도 보이지 않았다.

430, 460, 480, 500, 560 nm의 6 개의 상이한 최대 투과 파장(λ_max)(최대 밴드폭의 절반 λ_0.5 가 10nm임)의 단색 필터(monochromatic filters)(Coherent Ealing, Watford, Herts. UK)가 구의 입력 포트 내에 배치되었다. 단색광의 강도는, 광 프로브(light probe)와 구 사이의 구의 입력 포트 내에 배치된 Kodak Wratten 중성 밀도 필터들(Richard Frankfurt, Croydon, Surrey, UK)의 조합을 사용하여 조절되었다.

광 소스의 셋 업(set up)은 단색광의 스펙트럼 질을 근소하게 변화시켰으며, 스펙트로포토미터(spectrophotometer)(Spectrascan 650 portable, Photoresearch, Chadsworth, CA, USA)로의 측정은 시각 레벨(eye level)에서 실제적 파장을 입증했다. 이들의 λ_max 는 424, 456, 472, 496, 520, 548 nm(λ_0.5 는 5-13 nm임)이었다.

광은 휴대용 라디오미터(Macam Photometrics Ltd., Livingstone, Scotland, UK)를 이용하여 피검자의 시각 레벨에서 측정되었다. 검출기가 직각으로 회전되었을 때에는, 방사율은 변화되지 않았다. μW/cm² 로 측정된 방사율은 이하에 설명될 계산에 의해 포톤의 수로 변환되었다.

단색광의 스펙트럼 특성은 필터를 통해 각 파장에서 광의 퍼센트 투과율을 결정하기 위해 피검자의 시각 레벨에서 측정되었다. 이는, 구 또는 광 섬유 케이블이 필터의 스펙트럼 특성을 변화시키면, 이것이 포톤(photon) 계산에서 고려될 수 있도록, 행해졌다.

단색광의 소정의 방사율(irradiance)에서의 포톤의 수를 계산하기 위해, 측정된 방사율 및 각 나노미터 광에 대한 에너지/포톤이 사용된다. 포톤/cm²/s = 방사율(μW/cm²)/파장에서의 한 개의 포톤의 에너지. 가령 500nm 광의 한 개의 포톤의 에너지는 다음 식에 의해 계산될 수 있다.

E=hV,

h는 플랭크 상수(6,625*10^-34 와트/s²),

V는 파의 주파수 C/λ(빛의 속도(C)는 3.00*10¹⁷ nm/s).

그러므로, 500nm의 광의 3 μW/cm² 가 측정되면, 포톤의 수는 다음과 같이 계산된다.

먼저, 이러한 광의 한 개의 포톤의 에너지가 계산된다.

E=hV(V=C/λ),

E=(6,625*10^-34 와트/s²)*(3.00*10¹⁷ nm/s)/500nm,

E=3.975*10^-13 μW/포톤/s.

그러므로, 3 μW/cm²에서,

포톤의 수/cm²/s = (3 μW/cm²)/(3.975*10^-13 μW/포톤/s) =7.5 *10¹² 포톤/cm²/s이다.

30 분의 광 노출에 대한 포톤의 총 수를 계산하기 위해, 총 초는 30*60 =1800 초로 계산된다.

총 포톤의 수는 (7.5 *10¹² 포톤/cm²/s)*(1800) = 1.35 *10¹⁶ 포톤/cm² 이 된다.

제조자는 각 단색 필터에 대해 % 투과율을 제공하였다. 총 포톤의 수는 각 10 nm 파장에서 투과된 포톤/cm²/s을 가산함으로써 계산되었다. 가령, 500 nm 필터가 500nm에서는 50%를 투과하고 490 nm에서는 1%를 투과하며 510nm에서는 1 %를 투과하면, 96 %의 500 nm 와 각 2 %의 490nm 와 510nm로 구성된 측정된 광의 포톤의 수를 계산하기 위해, 포톤/cm²/s 가 상술된 바에 의해 계산되었고, 실제 퍼센트 투과율이 곱해졌다. 다음에, 각 10 nm 파장에서의 포톤/cm²/s 가 합산되어, 측정된 방사율에 대한 포톤/cm²/s의 총 수가 계산되었다. 이 값은 광 노출의 기간에 대해 보정되었다. 전체 계산에서, 실제 측정된 포톤이 사용되었다.

플라즈마 멜라토닌 레벨은 직접적인 RIA(Radioimmunoassay)에 의해 결정되었다. 각 기간 동안 각 피검자에 대한 모든 플라즈마 샘플은 동일한 성분 분석으로 측정되었다. 샘플은 분석 드리프트(assay drift)가 측정에 주는 영향을 최소화하기 위해 나이트 시퀀스(night sequence)(즉, 23 시 n1, n2, n3 및 모든 세 나이트에 대한 다음 시간점)로 분석되었다. RIAcalc 프로그램은 구속되거나 자유로운 총 카운트의 퍼센트를 결정하며, 그들을 멜라토닌 표준의 알려진 농도의 함수로 도시한다. 완만한 커브가 표준 지점을 통해 맞추어지며, 알려지지 않은 샘플의 농도는 이 커브로부터 결정된다.

데이터 분석

각 개인에 대한 각 광 처치에 대해, 각 시간점은 대응하는 기준선 시간점의 퍼센트로 표현되었다. 연구된 각 방사율에서, 개인 데이터는 각 시간점에 대해 평균되었다. 쌍으로 된 학생들의 테스트는 각 시간점에서 기준선 나이트(baseline night)와 광 처치 나이트(light treatment night) 간의 상당한 차이를 체크했다. 이 데이터는 최대 멜라토닌 억제가 빛이 켜진 30 내지 45 분 경에 발생하였음을 나타냈다. 그러므로, 이 두 시간점은 멜라토닌 억제율의 계산에서 사용되었다.

플라즈마 멜라토닌의 광 유기된 억제(light-induced suppression)는 각 개인에 대해 광 처치 나이트(N2)에 대한 광이 켜진 후 30 분 및 45 분 경의 시점의 평균을 기준선 나이트(N1)에 대한 동일한 값을 다음과 같이 비교함으로써 계산되다.

% 멜라토닌 억제 = (N1_{(평균 30+45분)} -N2_{(평균 30+45분)})/N1_{(평균 30+45분)}

동일한 광 처치를 받는 모든 피검자로부터의 데이터는 평균되었다(산술 평균). 각 개인 데이터는 로그 변형된 다음 평균되었다. 이 값들을 재변형함으로써 기하학적 평균±편차가 생성되었다.

방사율 응답 커브 조절. 각 파장에 대해 방사율 응답 커브가 도시되었다(% 멜라토닌 억제율에 대한 포톤/cm²). 가장 잘 조절된 커브는 아래의 4 변수 로지스틱 방정식(four-parameter logistic equation)을 이용하여 생성되었다.

y = (a-c)/(1+(x/b)^d) + c ,

여기서 y는 % 멜라토닌 억제율,

a는 방사율(I)이 0일 때 응답,

c는 방사율이 최대일 때 응답,

x는 포톤의 총 수,

b는 반 포화 응답(half saturation response),

d는 라인의 기울기.

B) 결과

본 발명의 방법은 첨부 도면을 참조하여 보다 잘 이해될 것이다.

4 변수 로지스틱 방정식에 의한 방사율 응답 커브는 제로 방사율에 대한 응답(a)으로서 제로를 이용하여 각 파장에 대해 구성되었다(도 1). 값의 범위는 최대 응답(c)에 대해 사용되었으며, 기울기(d)는 이들 계산에서는 고정되고 자유롭게 되었다. 데이터에 대한 최적 조절은 최대 응답이 70으로 (r ≥0.99) 고정되었을 때 달성된다. 기울기는 1.5 로 고정되었다. 그러므로, 이 최대치에서 방정식은 다음과 같다.

측정되고 계산된 억제율 = (0 - 70)/(1 + (I/σ)^1.5) + 70 이며,

여기서 I는 포톤의 총 수이며,

σ 는 포화된 상수 값의 절반이다.

각 파장에 대해, 조절된 라인으로부터 계산된 50% 최대 민감도(σ)는 424 nm에서는 1.86 *10¹⁶ 포톤/cm² 이며, 456 nm에서는 1.79 *10¹⁶ 포톤/cm² 이고, 472 nm에서는 2.29 *10¹⁶ 포톤/cm² 이며, 496 nm에서는 3.60 *10¹⁶ 포톤/cm² 이고, 520nm에서는 4.23 *10¹⁶ 포톤/cm² 이며, 548nm에서는 1.49 *10¹⁷ 포톤/cm² 이다. 그 다음에, 이들 데이터는 456nm에 대해 도시되었다(도 2).

도 2의 활동 스펙트럼은 4 개의 알려진 포토리셉터(photoreceptors)에 대한 Dartnall's 모노그램을 이용하여 생성된 모노그램을 이용하여 조절되었다. 로드(rod)(500nm) 리셉터, 청색(420nm) 코운(blue cone), 녹색(535nm) 코운, 적색(560nm) 코운에 대한 개별 모노그램이 생성되고, 상이한 비율의 조합이 관찰된 멜라토닌 억제 활동 스펙트럼과 정합하는데 사용되었다. 최적 조절은 65 % 청색 코운 및 35 % 로드 리셉터를 이용하여 획득되었다(도 3).

알려진 포토리셉터 중 청색 코운(λ_max 420nm)은 멜라토닌 억제에서 가장 관계됨을 실험 결과는 보인다. 424 nm 광과 비교하여, 496 nm 광(로드 포토리셉터λ_max)의 포톤의 수의 약 두 배가 동등한 억제율을 생성하는데 필요한다. 2.2 배 이상의 포톤의 수가 동일한 효과를 보기 위해 520 nm에서 요구된다. 548 광에서는 동일한 효과를 나타내기 위해 약 8 배 정도 많은 광이 필요하며, 이는 적색 코운이 이 시스템에서는 최소 영향을 미침을 의미한다.

도 4a는 암순응 야간 시각(그래프 C), 보통의 색 명순응 시각(그래프 D), 청년 층(20 내지 40 세, 그래프 A) 및 노년층(60 세 이상, 그래프 B)의 수정체 투과율에 대해 보정된 전형적인 멜라토닌 억제율의, 상대 스케일(즉, 각 독립적 민감도 그래프에 대해 최대값이 1로 설정됨)로 도시된 민감도 그래프이다. 도 4a는 멜라토닌 억제 민감도가, 명순응 민감도와 비교하여, 심지어 암순응 민감도와 비교하여, 보다 단파장 영역으로 이동됨을 나타낸다. 멜라토닌의 민감도는 400 내지 460 nm에서 피크를 보이며, 560nm에서 약 제로가 감소하며, 560nm의 파장은 555nm에서의 명순응 시각에 대한 최대 민감도에 근방이다. 명순응 시각(시각 민감도 플럭스)은 555nm의 파장을 갖는 1 와트의 광에 의해 획득된 683 루멘 값을 갖는다. 도 4a는 노년층의 눈을 통한 멜라토닌 억제 민감도가 크게 떨어지며, 그의 최대 민감도는 보다 장파장 쪽으로, 즉 약 475 nm의 파장으로 이동됨을 보인다.

도 4b는 30 분의 노출 시간에 대한 멜라토닌 억제의 정도 및 m² 당 와트의 방사 밀도 간의 관계를 도시한다. 500 nm의 파장에 대한 커브가 주어지며, 다른 파장에 대한 의존도는 유사한데, 420 내지 490 nm의 경우, 커브는 보다 낮은 방사 밀도로 이동되며, 510 내지 560 nm의 경우, 커브는 보다 높은 방사 밀도로 이동된다. 약 50 % 멜라토닌 억제율은 완전 확대된 동공의 경우에 약 0.08 W/m²에서 발생한다.

도 5는 멜라토닌 사이클에 대한 다양한 원하는 효과를 내는 적절한 방사의 영역의 도면이다. 세 영역 즉, A, B, C는 구별되어 있다. 영역 A에서, 광은 0.45보다 큰 멜라토닌 와트/와트, 60 보다 작은 심지어 20 보다 작은 루멘/와트인, 낮은 발광 레벨의 높은 멜라토닌 억제율을 갖는다. 영역 B에서, 광은 수용 가능한 높은 발광 레벨의 높은 멜라토닌 억제율을 갖는다. 이 영역 B의 주요한 특성은 멜라토닌 와트/와트가 0.45 이상이며 60 보다 큰 루멘/와트이다. 영역 C에서, 광은 낮은 멜라토닌 억제율 및 높은 발광 레벨을 갖는다. 이 영역 C의 주요한 특성은 멜라토닌 와트/와트가 0.2 보다 작으며(및/또한 각기 0.1 멜라토닌 와트/와트이하임) 루멘/와트가 100 보다 크다는 것이다. 이 영역에서는, 구별은 백색 소스, 약간 백색인 소스 및 유색 소스 간에서 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 방법으로 인간 피검체를 처치하는 경우, 본 발명은

인간 피검체의 사이클의 단계를 결정하는 단계와,

인간 피검체의 사이클에 대한 원하는 효과를 평가하는 단계와,

인간 피검체의 주기적인 멜라토닌 변화에 대한 주위 광 방사 효과를 결정하는 단계와,

각기 멜라토닌 생성을 억제 또는 허용하거나 멜라토닌 저하를 유발하기 위한 원하는 광 방사(스펙트럼, 강도, 노출 기간, 비노출 기간(interval period))를 결정하는 단계와, 영역 A, B, C 중의 하나에 따라 광 방사 출력을 갖는 광 소스를 선택하는 단계와,

상기 사이클의 단계에 거의 영향을 주지 않으면서, 선택 사양적으로 주위 광 방사를 차단하면서, 노출 기간 동안 인간 피검체를 적절한 광 방사에 노출시키는 단계━상기 적절한 광 방사는 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율(멜라토닌 와트/와트) 및 광 출력(루멘/와트)에 의해 명시되며, 상기 출력 비율 및 광 출력은 상기 사이클의 단계에 원하는 효과를 미치도록 조절됨━를 포함한다.

도 6은 약 20 %가 방사로 전환되는, 15 와트의 공칭 전력을 갖는 시스템의 일부인 저압 수은 방전 램프(상기 램프는 SPE(Eu²⁺로 활성화된 스트론튬 피로인산(strontium pyrophosphate activated with Eu²⁺))의 내부 코팅을 가짐)의 방출 스펙트럼의 도면이다. 보통, 이 램프는 사진복사를 하는데 사용된다. 그러나, 램프의 방출 스펙트럼이 약 420 nm에서 또는 멜라토닌 억제 민감도의 최대치에서 또는 그 근방에서 피크이기 때문에, 본 발명에 따르는 방법에서 사용하기에 적합하다. 이 램프는 본 발명에 따른 방법에 효과적으로 사용될 수 있는데, 그 이유는 낮은 발광 레벨에서 멜라토닌을 억제하는데 매우 적합하기 때문이다. 30 분의 노출 기간이, (어두운) 비노출 기간, 즉 약 30 분의 램프가 꺼진 기간과 함께, 인간 피검체에 가해지면 본 발명은 효과적으로 사용된다. 이 방법은, 가령 야간의 비행장의 관제탑, 트럭 운전실과 같은, 낮은 발광 레벨이 필요하지만 깨어서 긴장해야 하는 활동에서 그의 애플리케이션에 적용될 수 있다. 트럭의 운전실에 상기 램프를 포함하는 15 와트의 상기 시스템이 제공될 때, 이 운전실에서 약 3 lux의 발광 레벨 및 약 0.08 W/m² 의 멜라토닌 억제 방사 강도가 획득된다. 3 lux의 발광 레벨은 흐릿한 발광 레벨에 대응한다. 약 0.08 W/m² 의 멜라토닌 억제 방사 강도는 약 50%의 멜라토닌 억제에 적합한 값이다. 램프의 방출 스펙트럼은 얼마의 원하지 않는 방사를 갖는다(도 6). 몇몇 부분에서, 자외선 영역, 즉 380nm 보다 짧은 파장에서, 그리고 청색-녹색 영역 너머에서, 즉 540nm 보다 긴 파장에서, 원하지 않는 방사를 갖는다. 이 원하지 않는 방사는 적절한 필터를 사용함으로써 비교적 간단하게 제거될 수 있다. 가령, 청색-녹색 영역 너머의 영역에서의 방출에 의해 생성된 발광 레벨은 가령 약 510nm에서 밴드 에지를 갖는 흡수 필터에 의해 매우 간단하게 감소될 수 있다. 이 필터를 사용함으로써, 발광 레벨은 약 1 lux 까지 아래로 감소하게 되며, 이러한 lux는 트럭 운전실에 대한 적절한 발광 레벨이다. 이 필터는 멜라토닌 와트/와트에서는 비교적 작은 감소를 일으킨다.

도 7은 각기 필터를 구비하지 않은 백색 고압 나트륨 방전 램프(A)(그래프 A) 및 필터를 구비한 백색 고압 나트륨 방전 램프(B)(그래프 B)의 방출 스펙트럼의 도면이다. 이 필터는 460nm에서의 흡수 에지를 갖는 일반적으로 이용가능한 흡수 필터이다. 이러한 필터를 구비한 램프(B)는 약 0.09 멜라토닌 와트/와트의 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율을 갖는 적절한 광 방사를 갖는다. 필터를 구비하지 않은 램프(A)는, 특히 400 내지 475 nm의 파장 영역 즉, 대략 멜라토닌 억제 민감도의 최대 영역에서, 그의 매우 높은 방출로부터 분명하다시피, 멜라토닌 억제 방사의 매우 높은 출력 비율을 갖는다. 램프 A 및 램프 B 모두는 우수한 색 랜더링 지수 CRI ≥80 과, 약 220 이상의 루멘/와트의 효율을 갖는다. 특히, 램프 B는 시각적으로 좋은 상태가 필요하며 수면 질이 감소되지 말아야 하는 경우에 적당하다. 이러한 애플리케이션은 밤에 즉시 일어나거나 혹은 밤에 점검 받아야 할 사람들, 가령 노인을 둔 가정, 어린 아이들을 둔 부모, 노인 가정, 병원, 보육원 등등에서 응용될 수 있다.

도 1은 4 변수 로지스틱 방정식을 이용하는 방사율 응답 커브의 도면이며,

도 2는 각 파장에 대해, 50% 계산된 최대 민감도(σ)가 456nm에 대해 도시된, 활동 스펙트럼의 도면,

도 3은 도 2의 활동 스펙트럼의 최적 조절(best fitting)의 도면,

도 4a는 청년 층(그래프 A) 및 노년층(그래프 B)에 대해 수정체 보정에 대한 멜라토닌 억제 및 암순응 시각(그래프 C) 및 명순응(phothpic) 시각(그래프 D)에 대한 커브의 상대 스케일로 된 파장 의존도 I를 도시한 도면,

도 4b는 500*10^-6 m(=500nm)의 파장과 m² 당 와트의 방사 밀도에 의존하는 멜라토닌 억제의 정도 S를 상대 스케일로 도시한 도면,

도 5는 인간 피검체의 깨어있는 정도를 제어하는 적절한 방사의 세 주 영역 A, B, C을 도시한 도면(여기서 x 축은 와트 당 멜라토닌 와트의 비율 F을 나타내며, Y 축은 와트 당 광속을 나타내며, 이 트라이앵글은 /03 저압 수은 방전 형광 램프를 나타냄).

도 6은 낮은 발광 레벨에서 멜라토닌 억제에 적합한 저압 수은 방전 램프의 방출 스펙트럼의 도면(여기서, x축은 파장 λ을 나타내며, y 축은 상대 방출 강도 E를 나타냄),

도 7은 필터가 없는(그래프 A) 및 필터를 구비한(그래프 B) 백색 고압 나트륨 방전 램프의 방출 스펙트럼의 도면(여기서, x축은 파장 λ을 나타내며, y 축은 상대 방출 강도 E를 나타냄).

Claims (5)

1. 적어도 하나의 광 소스를 포함하되, 적절한 광 방사를 통해 멜라토닌 생성을 억제 또는 허용하거나 멜라토닌 저하를 유발함으로써, 적어도 상기 멜라토닌 생성(built-up) 및 멜러토닌 저하 단계를 포함하는 멜라토닌 변화의 사이클을 가지며 상기 사이클의 한 단계에 있는 인간 피검체의 주의력을 제어할 수 있는 발광 장치에 있어서, 상기 발광 장치는

   상기 사이클의 단계에 대한 원하는 효과에 따라 노출 기간 동안 상기 인간 피검체를 상기 적절한 광 방사에 노출시키되, 선택 사양적으로 주위의 광 방사를 차단하면서 또한 선택 사양적으로 두 노출 기간 사이에 상기 적절한 광 방사를 하지 않는 휴지 기간을 두고, 상기 원하는 효과는 상기 멜라토닌 생성을 억제하거나, 또는 상기 멜라토닌 저하를 유발하거나, 또는 상기 사이클의 단계에 거의 영향을 주지 않으면서 인간 피검체를 조명하는 것이며,

   상기 적절한 광 방사는 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율(멜라토닌 와트/와트) 및 광 출력(루멘/와트)에 의해 명시되며, 상기 출력 비율 및 광 출력은 상기 사이클의 단계에 대한 상기 원하는 효과를 달성하도록 조절되며,

   상기 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율은 0.45 멜라토닌 와트/와트 이상이며,

   상기 광 출력은 60 루멘/와트 이상인

   발광 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율은 0.45 멜라토닌 와트/와트 이상이고,

   상기 광 출력은 100 루멘/와트 이상이며,

   광 소스의 색 랜더링 지수(CRI)가 65 이상인

   발광 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 멜라토닌 억제 방사의 출력 비율은 0.6 멜라토닌 와트/와트 이상이며,

   상기 광 출력은 100 루멘/와트 이상이며,

   광 소스의 색 랜더링 지수(CRI)가 65 이상이며 색 온도가 6500 K 이상인

   발광 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   인간 피검체가 받은 상기 적절한 광 방사를 조절하는 수단은 필터링 수단, 이동가능한 광 소스, 조절가능한 제 1 및 제 2 광 소스를 포함하는 발광 장치로 이루어진 그룹으로부터 선택되는

   발광 장치.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에서 청구된 발광 장치에서 정의된 모든 광 소스 특성을 포함하며, 상기 발광 장치에서 사용되는 광 소스 또는 광 소스들의 조합체.

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