Analysis, design and prototype development of a smart light wake-up system to support morning alertness and mood in subjects with late chronotype

Abstract

Ein verzögerter zirkadianer Rhythmus steht mit chronischer morgendlicher Müdigkeit und einem erhöhten Depressionsrisiko in Verbindung. Morgenlicht ist der wichtigste Faktor zur Synchronisierung der zirkadianen Uhr mit frühen Aufwachzeiten. Spezielle Anwendungen von Licht am Morgen zeigen in Studien großes Potenzial zur Verbesserung von Morgenmüdigkeit und Gemütsstörungen. Da diese Interventionen im Schlaf oder im Aufwachprozess angewandt werden, könnten sie sogar in ein angenehmes Aufwacherlebnis integriert werden. Für eine Praxisanwendung im Alltag fehlen jedoch bislang akkurate Reproduktionen oder gar eine Kombination dieser Lichtanwendungen.Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde untersucht, wie eine akkurate Reproduktion der erwähnten Lichtinterventionen als Smart-Light für den privaten Gebrauch realisiert werden könnte. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Interaktion zwischen Nutzer:innen und Gerät, sodass eine Anwendung nahtlos in den Alltag integriert werden kann. Ziel der Arbeit war die Konstruktion eines Prototyps, der diese Anforderungen erfüllt.Die Entwicklung des Konzepts folgte einem nutzerzentrierten Designprozess. Die Systemanforderungen wurden auf Basis von 3 Experteninterviews, einer Analyse von 11 Nutzerinterviews sowie systematischer Literaturrecherche formuliert. Diese wurden in einen initialen Designentwurf für das System übergeführt. Es folgten zwei Iterationen der Implementierung des Geräts zu funktionalen Prototypen. Jede Iteration wurde mit je 3 Testpersonen (19-35 Jahre) über einen Zeitraum von je drei Wochen getestet und evaluiert.Das resultierende Smart-Light schaffte es, die gewünschten Lichtinterventionen akkurat und in kombinierter Form zu reproduzieren. Alle Prototyp-Nutzer:innen gaben ein verbessertes Aufwacherlebnis an und zeigten eine hohe Akzeptanz des Geräts. Als größte Schwäche der Prototypen stellte sich die Verlässlichkeit der Softwaresteuerung heraus.Das in dieser Arbeit entwickelte Smart-Light-Konzept repräsentiert die erste akkurate Reproduktion einer natürlichen Dämmerungssimulation für die Privatanwendung und ebenso die erste algorithmische Kombination mehrerer biologisch wirksamer Lichtinterventionen in ein angenehmes Aufwacherlebnis. Durch die passive Integration in den Alltag hat das Konzept Potenzial, die morgendliche Wachheit und Stimmung langfristig und auf einfache Weise zu unterstützen.

A delayed circadian rhythm is associated with chronic morning tiredness and an increased risk of depression. Morning light is the most important factor in synchronizing the circadian clock with early wake times. Specific applications of morning light have shown great potential for improving morning tiredness and mood disorders in clinical trials. Since these light interventions are applied prior or upon awakening, it may be possible to couple their application with an inherently pleasant wake-up experience. However, accurate reproductions or even a combination of these light applications for practical use in everyday life are still lacking.This thesis explored how an accurate reproduction of the mentioned light interventions could be realized as a smart light for personal use. Particular focus was put on the user-device interaction so that the smart light would integrate seamlessly into the users' lives. The goal of this thesis was the construction of a functional prototype that meets these requirements.The concept was developed following a user-centered design process. Requirements were collected through 3 expert interviews, an analysis of 11 user interviews, and a systematic literature review. On this basis, an initial system design was specified. In two iterations, the design was implemented as functional prototypes of the smart wake-up light. Each prototype iteration was tested and evaluated by 3 test users (ages 19-35) for 3 weeks each. The resulting smart light successfully reproduced the desired light interventions accurately and in a combined manner. All users of the final prototype reported improved wake-up experiences compared to baseline and showed high acceptance of the device. Operational reliability of the software controller emerged as the biggest shortcoming of the prototypes.The smart light concept developed in this work represents the first accurate reproduction of a naturalistic dawn simulation for private use and the first algorithmic combination of multiple biologically effective light applications into a pleasant wake-up experience. With its passive integration into daily routines, the concept holds potential to support morning alertness and mood in the long term and in an effortless manner.