M-EDI, EML, CAF, und CS

Die Lichtindustrie erkennt inzwischen die nicht-visuellen Auswirkungen von Licht auf Gesundheit und zirkadiane Rhythmen an und treibt die Entwicklung standardisierter Kennzahlen für eine optimale melanopische Beleuchtung in unterschiedlichen Anwendungsbereichen voran. Die beiden am häufigsten verwendeten Metriken sind M-EDI und EML, die beide die biologische Wirkung von Licht messen – insbesondere im blau-lichtnahen Spektralbereich um 480 nm.

Was ist M-EDI (Melanopische äquivalente Tageslichtbeleuchtungsstärke)?

Die Internationale Beleuchtungskommission (CIE) empfiehlt eine zirkadiane Metrik namens M-EDI. Sie quantifiziert die Lichtmenge einer Lichtquelle, die die melanopsinbasierte Photorezeption in der Netzhaut stimuliert, und basiert auf derselben grundlegenden Methodik wie EML. Diese Metrik bestimmt, wie viel Tageslicht erforderlich wäre, um die gleiche biologische Wirkung wie eine bestimmte Beleuchtungssituation zu erzielen. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Größe von M-EDI als Beleuchtungsstärke des CIE-Standardlichts D65 angegeben wird, die den gleichen Stimulus für intrinsisch photosensitive retinale Ganglienzellen (ipRGCs) liefert. Daher kann der M-EDI-Wert aus dem EML-Wert durch Multiplikation mit dem Koeffizienten 0,9063 umgerechnet werden.

Empfohlene WerteTagsüber: >250 M-EDI; nachts: <50 M-EDI

Was ist äquivalente melanopische Beleuchtungsstärke (EML)?

Eine weitere zentrale Kennzahl ist EML, die im Rahmen des WELL Building Standards eingeführt und verbreitet wurde. Ähnlich wie M-EDI misst EML die zirkadiane Wirksamkeit von Licht, wird jedoch in Lux angegeben und so angepasst, dass die Empfindlichkeit melanopsinhaltiger intrinsisch photosensitiver retinaler Ganglienzellen (ipRGCs) berücksichtigt wird, anstatt der klassischen photopischen Reaktion der Zapfen.

Während die traditionelle Lux-Messung die vom menschlichen Auge wahrgenommene Helligkeit beschreibt, passt EML diese Bewertung an, um die biologische (nicht-visuelle) Wirkung von Licht auf das zirkadiane System widerzuspiegeln. EML ermöglicht es Lichtfachleuten zu beurteilen, wie effektiv eine Lichtquelle die Melanopsin-Rezeptoren stimuliert, die für die Regulation der biologischen Uhr essenziell sind.

Der WELL v2 Standard empfiehlt, morgens mindestens vier Stunden EML-Beleuchtung bereitzustellen, um den zirkadianen Rhythmus wirksam zu synchronisieren. Diese Lichtexposition unterstützt gesunde Schlaf-Wach-Zyklen, verbessert die kognitive Leistungsfähigkeit und fördert die Emotionsregulation.

Empfohlene Bereiche: Tagsüber: >150 EML; nachts: <50 EML

Die Wahl zwischen M-EDI und EML hängt häufig vom Anwendungskontext ab. M-EDI ist in der wissenschaftlichen Standardisierung verankert und wird широко in Forschung und technischen Normen eingesetzt, während EML anwendungsorientiert ist und direkt mit praktischen Gesundheitsergebnissen sowie der WELL-Gebäudezertifizierung verknüpft ist.

Was ist der Circadian Action Factor (CAF)?

Das menschliche Auge enthält verschiedene Arten von Sehnervenzellen, von denen eine nicht der visuellen Informationsverarbeitung dient, sondern auf Lichtreize reagiert. Wenn Licht in das Auge eintritt, lösen diese als intrinsisch photosensitive retinale Ganglienzellen (ipRGCs) bezeichneten Nervenzellen nicht-visuelle biologische Effekte aus. Diese Effekte beeinflussen maßgeblich die Ausschüttung von Hormonen wie Melatonin und Cortisol.

Wenn ipRGCs hochfrequentem, energiereichem Licht ausgesetzt sind, hemmen sie die körpereigene Produktion von Melatonin, wodurch sich Menschen wach und energiegeladen fühlen. Bei der Exposition gegenüber energiearmem Licht steigt der Melatoninspiegel hingegen allmählich an, was Entspannung und Müdigkeit fördert. Daher ist Licht ein entscheidender externer Faktor, der den menschlichen zirkadianen Rhythmus beeinflusst.

Gall und Bieske entwickelten den Circadian Action Factor (CAF) als Indikator für die nicht-visuellen Auswirkungen von Licht auf die menschliche Gesundheit und das Wohlbefinden. Diese Kenngröße beschreibt, wie eine Lichtquelle das zirkadiane System beeinflusst, das wesentliche Prozesse wie Schlaf, Wachheit und kognitive Leistungsfähigkeit steuert. Die Metrik hilft Lichtplaner:innen zu verstehen, wie spezifische Lichtexpositionen auf das zirkadiane System wirken und zur Regulierung des zirkadianen Rhythmus beitragen.

CAF ist definiert als das Verhältnis der Lichtmenge, die das zirkadiane System beeinflusst, zur Lichtmenge, die für das Sehen nutzbar ist. Die Berechnung erfolgt auf Grundlage des vom Leuchtmittel emittierten Spektrums. Empfohlene CAF-Werte variieren je nach Tageszeit: Tagsüber wird in der Regel ein höherer CAF bevorzugt, um Wachheit und kognitive Leistungsfähigkeit zu fördern, während am Abend ein niedrigerer CAF besser geeignet ist, um Entspannung zu unterstützen und den Körper auf den Schlaf vorzubereiten. Höhere CAF-Werte gehen mit einer stärkeren Unterdrückung der Melatoninproduktion einher.

Im Vergleich zur Farbtemperatur (CCT) ist CAF ein genauerer Indikator zur Vorhersage der melatoninunterdrückenden Wirkung von Licht. Vorläufige Studien deuten darauf hin, dass CAF ein zuverlässigerer Index zur Untersuchung der physiologischen Auswirkungen von Licht auf den menschlichen Körper sein könnte.

Gall schlägt ideale Kombinationen aus einzelnen Aktivitäten, dem Circadian Action Factor (CAF) und der Farbtemperatur von Lichtquellen vor, wie in der untenstehenden Abbildung dargestellt.

Was ist der Circadian Stimulus (CS)?

Die Circadian Stimulus (CS)-Metrik wurde von Forschenden des Lighting Research Center (LRC) entwickelt und dient zur Quantifizierung der Wirkung von Licht auf die akute Unterdrückung der Melatoninproduktion, einem Marker für die Aktivierung des zirkadianen Systems. CS bewertet den Einfluss von Licht – basierend auf Spektrum, Intensität und Expositionsdauer – auf das menschliche zirkadiane System.

Im Gegensatz zu den von der CIE (M-EDI) und dem IWBI (EML) vorgeschlagenen Metriken berücksichtigt die CS-Metrik nicht nur die Rolle der ipRGCs, sondern auch die Beiträge von Stäbchen und Zapfen zu nicht-visuellen physiologischen Lichtreaktionen. Besonders hervorzuheben ist, dass CS das grundlegende Problem der Subadditivität im menschlichen zirkadianen System adressiert. Die Metrik gibt an, wie effektiv eine einstündige Exposition gegenüber einer bestimmten Lichtstärke und Wellenlänge das zirkadiane System stimuliert – basierend auf ihrer Fähigkeit, das Hormon Melatonin zu unterdrücken.

Der CS-Wert reicht von 0 (keine biologische Wirkung) bis 1 (maximale Aktivierung) und wird auf Grundlage der Reaktionscharakteristika melanopsinhaltiger Photorezeptorzellen in der Netzhaut berechnet. Diese Zellen regulieren die Melatoninsekretion und beeinflussen physiologische Funktionen wie den Schlaf-Wach-Rhythmus und die Wachsamkeit.

Durch die Echtzeitmessung von CS-Werten können Nutzer genau beurteilen, ob ihre Lichtumgebung den natürlichen zirkadianen Bedürfnissen des Körpers entspricht. So trägt ein hoher CS-Wert am Tag (empfohlener Bereich: 0,3–0,7) dazu bei, Wachheit und kognitive Leistungsfähigkeit zu steigern. Nachts sollte der CS-Wert unter 0,1 gehalten werden, um eine Unterdrückung der Melatoninproduktion und Schlafstörungen zu vermeiden. Dadurch ist die CS-Metrik besonders wertvoll für die Optimierung dynamischer Beleuchtungssysteme, etwa zirkadian-adaptiver Lichtlösungen für Arbeitsplätze, Gesundheitseinrichtungen und Wohnumgebungen.