Éclairage centré sur l'humain (HCL) et paramètres circadiens
Pendant des centaines de milliers d'années, les humains ont grandi sous une lumière naturelle dont l'intensité et la température variaient selon l'heure du jour et de la nuit (lumière du soleil, de la lune, des étoiles). Le rythme circadien humain s'est adapté à cette lumière variable et a engendré des sensations de vigilance, de sommeil, de détente et d'activité. La figure 1 illustre la variabilité de la température de couleur et de l'intensité de la lumière solaire tout au long de la journée.
Figure 1 : Variation de l'ensoleillement au cours de la journée
Avec l'avènement de l'éclairage électrique par Edison en 1879, puis l'émergence de l'éclairage fluorescent et de l'éclairage LED aux XXe et XXIe siècles, les humains sont contraints de vivre sous une lumière constante à l'intérieur. Dans notre société technologique actuelle, dans certains pays, les humains passent environ 90 % de leur temps de lumière naturelle à l'intérieur (réf. 1,2). L'absence de réglage de l'intensité et de la température de couleur des sources lumineuses artificielles de base pourrait avoir un impact sur la santé humaine. Cet impact pourrait se traduire par une perturbation des rythmes biologiques (réf. 3) (sensation de fatigue au travail et d'insomnie au sommeil). D'autres études ont montré que cet impact pourrait être plus grave et entraîner un cancer du sein et des troubles du sommeil (réf. 4,5).
Les rythmes circadiens sont déterminés par le noyau suprachiasmatique (NSC) du cerveau, qui agit comme une horloge. Les cellules ganglionnaires rétiniennes intrinsèquement photosensibles (ipRGC) sont des photorécepteurs qui reçoivent la lumière pour des applications non visuelles et résident dans la rétine. Les ipRGC font partie des cinq photorécepteurs, les autres étant les trois photorécepteurs à cônes et le photorécepteur à rhodopie. Les ipRGC contiennent de la mélanopsine, qui absorbe la lumière et envoie des signaux au NSC pour régler l'horloge circadienne. La sensibilité de la mélanopsine à la lumière est décrite par le spectre d'action C(l), dont le pic est à 490 nm et qui est fortement biaisé vers la zone bleue du spectre. La figure 2 représente la sensibilité de la mélanopsine C(l) ainsi que la sensibilité photonique V(l), dont le maximum est à 555 nm.
Figure 2 : Comparaison des fonctions de sensibilité des spectres d'action mélanotique et photonique (réf. 3)
L'éclairage centré sur l'humain (HCL) nécessite la conception de systèmes d'éclairage prenant en compte un ensemble spécifique de réponses biologiques, visuelles et comportementales. Les systèmes HCL sont généralement réglables en température de couleur et en intensité pour s'adapter à un environnement spécifique et provoquer une réponse spécifique, comme la vigilance, la concentration, la relaxation, le sommeil, la communication, etc.
Afin de quantifier l'interaction entre la sensibilité mélanique C(l) et la distribution spectrale de puissance S(l), la CIE a établi de nouvelles normes dans son document CIE S026 (réf. 6). Bien que la CIE ait normalisé le flux radiant mélanique, défini comme le flux radiant pondéré par le spectre d'action mélanique, d'autres mesures sont nécessaires pour quantifier le rapport entre le flux radiant mélanique et le flux radiant photonique. L'efficacité mélanique du rayonnement lumineux (MELR) est le nouveau paramètre défini par la norme CIE-026. Elle est définie par l'équation 1, réf. 3.
Le numérateur est le flux radiant mélanotique et le dénominateur est le produit du flux radiant photonique par l'efficacité lumineuse maximale (LER). La valeur de Km est de 683 lumens/watt, ce qui donne l'unité de MELR en Watt/Lumen. En pratique, la MELR s'exprime en mWatt/Lumen en multipliant le numérateur de l'équation 1 par 1 000. La MELR quantifie la puissance mélanotique par rapport à la lumière visible ; des valeurs de MELR élevées représentent une plus grande proportion de bleu dans le spectre.
Un autre facteur défini par la norme CIE S026 est le rapport entre le MELR de la source lumineuse et le MELR d'une source lumineuse standard, la norme CIE D65 (source de lumière du jour 6 500 K). Ce nouveau paramètre est appelé rapport d'efficacité mélanotique de la lumière du jour (MDER) et est représenté par l'équation 2 ci-dessous (réf. 3).
Étant donné que le MELR du D65 est constant et est égal à 1,326 mWatt/lumen, le MDER et le MLER sont liés par l'équation 3 et l'on peut calculer l'un si l'autre est connu Ref 3,
L'effet mélanotique de la lumière ne peut être caractérisé uniquement par la distribution spectrale de la source, comme le suggèrent les paramètres MLER et MDER. En réalité, l'effet mélanotique de la lumière dépend non seulement de la forme du spectre, mais aussi de la quantité totale d'énergie atteignant la surface externe de l'œil (réf. 3). C'est pourquoi la norme CIE S026 a défini un nouveau paramètre appelé Illuminance mélanotique équivalente en lumière du jour (MEDI). En divisant le flux radiant mélanotique (en watts/m²) par le MELR de D65 (en watts/lumen), on obtient le MEDI en lumens/m² ou lux. L'équation 4 illustre la relation (réf. 3).
Des scientifiques du domaine ont formulé des recommandations concernant le MEDI adéquat requis à différents moments de la journée (réf. 7). Il est impératif de noter que la mesure du MEDI doit être effectuée au niveau de l'œil en position assise. La hauteur de l'œil par rapport au sol doit être d'environ 1,2 m. La figure 3 illustre ce scénario.
Figure 3 : La flèche indique la direction de la mesure du Melanotic Lux
Les mesures d'éclairement sont effectuées perpendiculairement au plan éclairé. Dans le cas de l'œil, nous sommes généralement debout ou assis ; la surface de l'œil est donc considérée comme un plan vertical et le capteur doit être maintenu horizontalement dans la position de l'œil mesurant l'éclairement vertical. Les recommandations des scientifiques de l'Université de Manchester sont les suivantes (réf. 7) :
- MEDI diurne ≥ 250 Lux
- Soir MEDI ≤ 10 Lux
- Temps de sommeil aussi bas que possible, ≤ 1 Lux
Une autre norme quantifiant la lumière circadienne a été conçue par le Lighting Research Center (LRC), anciennement rattaché à l'Institut Rensselaer et désormais rattaché à la faculté de médecine du Mont Sinaï. Il s'agit du stimulus circadien (CS) (réf. 8). Cette échelle définit un paramètre appelé lumière circadienne, normalisé et quantifiant la quantité de lumière circadienne (CLA 2.0) reçue par l'œil. Le CLA 2.0 est une modification de 2021 du CLA, issue d'un modèle de 2005. Dans le modèle de 2005, le CLA avait une valeur fixe de 1 000 pour l'illuminant CIE A (lampe à incandescence à 2 864 K), mais pour le modèle de 2021, la valeur du CLA 2.0 est passée à 813. Le modèle comporte deux états et compare l'intensité lumineuse jaune et bleue. Selon l'intensité lumineuse la plus élevée, le modèle utilise des expressions différentes pour calculer le CLA 2.0. L'expression utilise le spectre d'action mélanotique corrigé de la transmittance du cristallin, du spectre d'action photonique, des spectres d'action s-cone-opique, du spectre d'action rhodopide et de la transmittance du pigment maculaire, etc. (Réf. 8). Une fois le CLA 2.0 calculé, le CS peut être facilement calculé à l'aide de la formule suivante :
Où t est la durée en heures et f le facteur de distribution spatiale, qui peut prendre une valeur de 2, 1 ou 0,5. En théorie, le CS est mesuré avec t = 1 et f = 1. Le CS est mesuré sur une échelle de 0,1 à 0,7, où, par exemple, 0,5 correspond à une suppression de la mélatonine de 50 % en une heure. La figure 4 illustre la variation du pourcentage de suppression de la mélatonine avec CLA 2.0.
Figure 4 : Variation du pourcentage de suppression de la mélatonine avec CLA 2.0
Allied Scientific Pro propose différents modèles du spectromètre Lighting Passport (Standard Pro, Essence Pro) capables de mesurer tous les nouveaux paramètres circadiens définis par la norme CIE S026, ainsi que le modèle 2021 du LRC intégrant la norme CLA 2.0. Pour plus d'informations sur ces spectromètres, veuillez consulter
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En surveillant les paramètres circadiens, le spectromètre Lighting Passport peut aider à fournir une lumière saine, bénéfique et respectueuse du rythme circadien à tous les environnements tels que les écoles, les hôpitaux, les résidences, les bureaux, etc.
Références :
1- Éclairage centré sur l'humain : considérations fondamentales et processus de conception en cinq étapes, K.Houser et T. Esposito, Frontiers in Neurology, janvier 2021.
2- L'éclairage centré sur l'humain, présentation en ligne de Stan Walerczyk, https://pdfroom.com/books/human-centric-lighting-walerczyk-for-attendeespdf/j9ZdYbmwgV4
3- Limites spectrales fondamentales de l'accordabilité circadienne, J. Cerpentier et.al, IEEE Photonics journal, Vol. 13, No 4. Août 2021.
4- Effets de la lumière artificielle nocturne sur la santé humaine : revue de la littérature, études observationnelles et expérimentales appliquées à l’évaluation de l’exposition, Y. Cho et al., Chronobiol. Int. vol. 32, n° 9, 2015
5- L’exposition précoce à la lumière artificielle la nuit affecte l’état physiologique : Une étude expérimentale sur l’écophysiologie des oiseaux chanteurs nicheurs libres, « Environ. Pollut., vol, 218, 2016.
6- Système CIE de métrologie des réponses à la lumière influencées par l'ipRGC. CIE S 026/E:2018
7- Recommandations pour l'exposition à la lumière intérieure pendant la journée, le soir et la nuit afin de mieux soutenir la physiologie, le sommeil et l'éveil chez les adultes en bonne santé, T Brown et al., PLOS Biology, 17 mars 2022
8- Modélisation de la phototransduction circadienne : prédictions quantitatives de données psychophysiques, M.Rea et.al, Frontiers in Neuroscience, Volume 15, février 2021.