醫(yī)療器械非相干光視網膜藍光輻射危害研究

孟祥峰，李寧，劉艷珍，王浩，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 102629

醫(yī)療器械非相干光視網膜藍光輻射危害研究

孟祥峰，李寧，劉艷珍，王浩，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 102629

目的為了確定不同的測試條件對視網膜藍光危害輻射量及產品分類的影響。方法本文結合光輻射危害分類標準，分析了視網膜藍光危害的生物機理，并通過設置不同的實驗條件（包括測試距離、視場光闌、孔徑光闌），分別對紫外光源和LED光源進行視網膜藍光危害測試研究。結果無晶狀體眼睛（2歲以下嬰兒）在含紫外成分光源的視網膜藍光危害要明顯大于正常人眼，且很有可能改變分類結果，而對于紫外成分較低的光源無顯著影響；檢測設備不會改變光源的亮度，不同的測試條件僅僅改變對測試光源的輻射角度或輻射面積的選取范圍，進而導致檢測結果的差異。結論通過本文研究可知，測試條件的不同會對輻射量值產生一定影響，但一般不會改變分類結果，但為保證輻射量測試的準確性，必須根據光源的實際情況，按照最不利原則選取合適的實驗條件。

醫(yī)療器械；非相干光；視網膜；藍光危害；無晶狀體眼；對向角

引言

目前醫(yī)療器械中所用到的非相干光源類型有白熾燈、弧光燈和發(fā)光二極管（LED）等多種。其中LED光源因其壽命長、體積小和亮度高等特性，在醫(yī)療器械中已得到了廣泛的應用。然而，在利用光診斷治療的同時，光輻射的副作用也會體現。以白色LED光為例，有一種是利用“藍光技術”與熒光粉配合形成白光，光譜成分中藍光波段存在一個很強的波峰，過量的輻射會在較短時間或瞬間對人眼造成傷害。人們越來越關注光生物安全的問題。對于醫(yī)療器械，其對象為患者，帶來了很多額外需要關注的風險，如眼科醫(yī)療器械，其直接作用于人眼，藍光對于人 眼視網膜的影響尤其值得關注。

視網膜藍光危害主要是由于視網膜色素上皮和脈絡膜對380～520 nm藍光波段的吸收，產生光化學反應，產生大量具有細胞毒性的自由基，破壞細胞正常生長，導致視網膜病變。藍光危害效果區(qū)別于視網膜熱危害，僅取決于劑量，即輻亮度和曝光持續(xù)時間的乘積，也就是說，人眼觀察短時間內的非常明亮的光或者很長時間觀察較不亮的光，都會產生損傷。

目前國內和國際上標準或準則已經規(guī)定藍光危害的輻射限制，但考慮適用場合的不同，其測量方法及分類結果也存在較大差異。本文從實際應用的角度，對比現有標準間的差異，對同一種光源采用不同的分類測量方法進行測量，給出適用于醫(yī)療器械的藍光輻射測量分類規(guī)則。

1 藍光危害限值的確定

視網膜藍光危害的限值主要來源于國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）的導則。在限值確定過程中，充分考慮了由于健康的人眼，在受到光照的情況下，眼睛的自然防御會降低觀察的照明光線，比如眨眼、眼睛運動、瞳孔收縮等會帶來危害的降低。研究發(fā)現，對于暴露持續(xù)時間大于0.25 s的藍光，眼睛就會由于運動導致入射到視網膜的光線照射區(qū)域擴大、同時明亮的光線照射會導致瞳孔收縮從而限制入射光的進入。

由于光生物效應與波長相關（響應光譜），藍光危害用藍光加權輻亮度和藍光加權輻照度來表示。根據ICNIRP導則，藍光加權視網膜輻亮度限值滿足如下條件：

其中，LB為藍光加權視網膜輻亮度，Lλ為光譜輻亮度，B(λ)為藍光危害光譜加權函數，t為曝光持續(xù)時間，Δλ為波長帶寬。

對于光源對向角的角度小于最小接收角r時，輻射限值可以轉換為給定持續(xù)時間t的等效輻照度。根據輻亮度和輻照度的換算關系，如式(3)所示：

式中L為輻亮度，F/r為極限接收角11 mrad，則藍光加權視網膜輻照度限值滿足如下條件：

以上限值是基于正常人眼睛的考量，對于專門用于眼科的光學醫(yī)療器械，在檢查過程中經常會用到散瞳劑，患者可能有較大的瞳孔，根據ICNIRP導則，對于曝光時間大于10000 s的情況，藍光加權視網膜輻亮度限值應從100 W/m2/sr降至20 W/m2/sr，后一值保守地對應于亮度為1 cd/cm2的白光源。該亮度值通常是舒適觀看的最大亮度，雖然不作為一個限值，但它通常被作為快速檢查來確定是否需要進一步的危害評估。

眼科醫(yī)療器械的檢查過程中可能會使用麻醉劑、或者固視燈來減少眼睛的運動，因此其測量接受角區(qū)別于正常人眼的測量。對于預期非固定人眼的使用采用11 mrad的接收角，對于預期固定人眼的采用采用1.75 mrad（視網膜能分辨的最小成像角度）接收角。

在醫(yī)療器械的使用中很會遇到無晶狀體的情況，盡管很少見，但還是存在的。比如在外科手術白內障切除期間，在植入人工晶體之前，患者眼睛暴露于外科手術燈照射下。此外有些人是先天無晶狀體的。由于缺少了晶狀體對紫外輻射的吸收，無晶狀體眼睛的藍光輻射危害響應光譜在小于440 nm處改變，見圖1。其光譜加權函數為A(λ)。此外，2歲以下的嬰幼兒的紫外線透過率高于大齡兒童和成年人，視網膜發(fā)育需要更多的保護。所以無晶狀體光譜加權函數A(λ)也應用于保守評估光源對于嬰兒的藍光輻射危害。無晶狀體視網膜藍光危害限值和正常眼的限值一致，只不過把公式中的B(λ)改成A(λ)。

圖1 有無晶狀體視網膜藍光危害加權系數

2 不同應用下的視網膜藍光危害的測試方法

目前對于非相干光的光輻射危害限值或分類標準有GB/T 20145-2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》、ISO 15004-2:2007 Ophthalmic instruments- Fundamental requirements and test methods- Part 2：Light hazard protection、GB/T 7247.9-2016《激光產品安全 第9部分：非相干光輻射最大允許照射量》等標準。其中，ISO 15004-2:2007是專門針對眼科設備的光輻射安全分類標準，適用于所有用于直接照射人眼表面或眼內的眼科儀器，其限值是在正常眼光輻射限值的基礎上，考慮眼科儀器的特殊性，對輻射限值進行了修正；而GB/T 20145-2006限值均為正常眼光輻射限值，適用于各種燈具的光生物安全性的評估，同時也是IEC 60601-2-57 《醫(yī)用電氣設備第2-57部分：治療、診斷、監(jiān)測和美容/美學使用的非激光光源設備的基本安全和主要性能專用要求》（目前我國正在轉化過程中）的分類依據標準。GB/T 7247.9-2016適用于180～3000 nm的人造光源照射人眼和皮膚的非相干輻射，與ICNIRP導則限值基本一致。

視網膜藍光危害考慮人眼的光學結構及正常生理反應，測試時應設置合適的工作距離、視場光闌、孔徑光闌。

工作距離代表人眼能清晰成像的距離，對于非常近視的人或者小孩，能夠清晰聚焦的最近距離大約為100 nm，距離再短，光源的像將離焦而模糊；而對于正常成年人，能夠清晰聚焦的最近距離大約為200 nm。按照GB/T 20145-2016規(guī)定測試距離為200 nm；ISO 15004-2:2007規(guī)定為正常使用位置；而GB/T 7247.9-2016規(guī)定測試距離為根據預期用途的最小距離，但不小于100 nm。

視場光闌用于考慮人眼的運動，接收角的限制與時間相關。GB/T 20145-2006規(guī)定當t＜100 s時，α=11 mrad；當100≤t＜10000 s時時，α=110 mrad；ISO 15004-2：2007考慮了麻醉劑或固視燈等固定人眼措施的使用可能，取消了時間對人眼運動程度的限值，規(guī)定預期用于非固定人眼的設備，接收角為11 mrad，預期用于固定人眼的設備接收角為1.75 mrad；GB/T 7247.9-2016考慮視網膜藍光危害較長照射時間（多于10 s）的制約，規(guī)定接收角為11 mrad下估算光源是足夠的。

孔徑光闌用于模擬人眼的瞳孔直徑，GB/T 20145-2016規(guī)定，當亮度足夠高（10 cd/cm2）,并且輻射持續(xù)時間大于0.25 s時，使用3 mm瞳孔直徑，對于脈沖光或亮度較低的光源使用7 mm瞳孔直徑；ISO 15004-2:2007考慮散瞳劑的使用可能，采用7 mm的瞳孔直徑；GB/T 7247.9-2016規(guī)定使用7 mm的瞳孔直徑。

3 產品分類

按照GB/T 20145-2006，視網膜藍光危害可分為4類，其主要是基于時間分類，無危害類為10000 s內不超過限值；1類危害為100 s內不超過限值；2類危害為0.25 s內不超過限值；3類危害為超過2類限值即為3類；ISO 15004-2:2007視網膜藍光危害僅對1類限值進行了要求，超過即為2類，對于2類標準給出的是指導值而非限值。標準認為外科醫(yī)生在極其復雜的手術時或者臨床醫(yī)生在極其復雜的眼睛疾病診斷檢查時，可能不得不使用超過已知是危險的輻射水平的輻射。在這種情況下，對可見光的危險輻射規(guī)定指導值而不是限值，這樣臨床醫(yī)生就可以被告知他們使用的儀器可能會有潛在的光輻射危害。GB/T 7247.9-2016為限值標準，非分類標準。

4 實驗驗證

本文通過設計不同的工作距 離、視場光闌、孔徑光闌、有晶狀體和無晶狀體的情況，對同一連續(xù)光源進行視網膜輻亮度測量，見表1。分別按照GB/T 20145-2006、ISO 15004-2:2007兩個標準進行輻射量值的計算和分析。兩個光源均為發(fā)散光源。

表1 測試條件

測量方法用間接測量法，測量眼前節(jié)面上的輻照度，通過限制視場計算得到視網膜輻亮度。測量示意圖，見圖2。

圖2 輻亮度的間接測量方法

5 結果

由于本文只對視網膜藍光危害進行討論，光源300～700 nm的相對光譜分布，見圖3～4。

圖3 LED光源的光譜分布

圖4 紫外光源的光譜分布

視網膜藍光危害測量值，見表2。計算公式參照公式(1)～(2)。

表2 視網膜藍光危害測量結果

6 討論

對于普通光學醫(yī)療器械應考慮嬰兒的使用情況，對比條件1無晶狀體和有晶狀體測量結果（即成人和2歲以下兒童視網膜藍光危害結果對比），相差約133倍，按照GB/T 20145標準，無危害類和1類危害限值相差100倍，1類危害與中度危害相差400倍，也就是說如果亮度達到一定程度，有無晶狀體的計算結果很有可能處于不同的分類類別。目前非眼科的光輻射標準還未對該部分進行考慮，而最新的ICNIRP導則，已對無晶狀體的情況進行了要求。

實際上考慮晶狀體對紫外光的吸收，對于300～440 nm輻射較低的光源，有無晶狀體的危害值相差不大。對于LED光源，對比條件2無晶狀體和有晶狀體測量結果，僅相差1.007倍。其影響結果基本可以忽略。

對于均勻面光源，在各個方向輻射的通量一樣的情況下，采用間接測量法，得到的輻亮度值時一樣的。實際上被測儀器也不會改變光源的亮度值。然而因為實際光源的不均勻性，會導致不同的測試條件帶來不同的測試結果。

對比條件2有晶狀體和條件3、條件4與條件5我們可以發(fā)現，對于發(fā)散光源，在其他條件一致的情況下，孔徑光闌越小，其視網膜藍光危害測量值越大，這是由于發(fā)散光源在各個方向上輻射的通量值不一致，以0°角為最大，隨著角度的增大而減少，當孔徑光闌越大時，其平均的角度范圍越大，這就導致了亮度測量值變小。然而，孔徑光闌代表人眼的瞳孔直徑，瞳孔縮小是對人眼的保護，然而其測量結果卻更大，這看似與實際情況不符。實際上人眼并不能改變光源的亮度值，但瞳孔的縮小，有效的降低了進入人眼的總輻通量值，進而在視網膜形成的照度值將會降低。以條件4與條件5為例，實際上換算成視網膜藍光輻照度，條件4結果為0.442 W/cm2，條件5結果為0.111 W/cm2，條件5輻亮度值雖大，但其換算成視網膜輻照度就明顯變小了，實際上瞳孔縮小可有效的對眼睛進行保護。但由于光源的不均勻性，其輻亮度測量值不一定小。對比結果1、4、6，同樣是由于光源的不均勻性，并不是測試距離越近其亮度測量結果越大，這由光源的實際分布情況而定。實際上從條件2有晶狀體到條件6，其亮度測量結果最大相差4.9倍，對于大多數光源來說，3個標準的不同測試條件，對分類的結果不會產生太大影響。對比條件4與條件7，對于不均勻光源，接收角度越小，越能在最亮的區(qū)域進行視亮度值的平均，其測量結果也就越大。

7 結論

本文通過分析視網膜藍光的危害基理，基于人眼的生理結構與生理反應，對比了不同標準對于視網膜藍光危害的考量要點，分析了不同的測試條件對視網膜藍光危害測試結果的影響。無晶狀體眼睛（2歲以下嬰兒）在含紫外成分光源的視網膜藍光危害要明顯大于正常人眼，且很有可能改變分類結果，這在將來的標準制修訂過程應給予重視。同時，考慮光源的不均勻性，不同的測試條件對測試結果的影響無明顯的規(guī)律可言，且不會對分類結果產生較大的影響。此外，由于設備不會改變光源的亮度，視網膜輻照度更能體現輻射光進入人眼的危害程度狀況，用視網膜輻照度對視網膜藍光危害進行描述更直觀。

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本文編輯 袁雋玲

Study on the Biohazard of Incoherent Blue Light from Medical Device on the Retina

MENG Xiangfeng, LI Ning, LIU Yanzhen, WANG Hao, REN Haiping
Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 102629, China

ObjectiveTo determine the impact of different testing conditions on the evaluation of blue light biohazard on the retina and product classi fication.MethodsIn combination with the classi fication standard of light radiation hazard, the biomechanism of retinal bluelight hazard was analyzed. Blue light hazard on the retina from UV light and LED light was tested under different conditions separately (including distance, aperture stop, field stop).ResultsBlue light containing UV component generated more hazard on aphakic eyes (infants less than 2 years old) than regular eyes, which would probably change classi fication results, while lower UV proportion didn’t show significant impact. The testing device didn’t change the luminance of the light source. Thedifference of testing condition only changed the selected range of radiant angle and area with different results.ConclusionThe difference of testing conditions has impact on radiant exposure, but in general, it doesn’t change classi fication results. To assure the accuracy of radiant exposure measurement, appropriate experimental condition should be selected based on the actual circumstance of light sources following the most unfavorable rule.

medical device; incoherent light; retina; blue light hazard; aphakic eye; angular subtense

R774.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.09.001

1674-1633(2017)09-0001-05

2017-06-27

2017-08-01

中國食品藥品檢定研究院中青年基金課題“醫(yī)用LED設備光輻射危害評價與檢測方法研究”（2015C01）；人社部留學人員科技活動項目擇優(yōu)資助課題“醫(yī)療器械光輻射安全評價研究”資助。

本文作者：孟祥峰，主要研究方向為光學、生物醫(yī)學工程，醫(yī)療器械檢定。

及郵箱：任海萍，renhaiping@nifdc.org.cn