醫療器械非相干光輻射視網膜熱危害研究

劉艷珍，孟祥峰，李寧，任海萍

中國食品藥品檢定研 究院 醫療器械檢定所，北京 102629

醫療器械非相干光輻射視網膜熱危害研究

劉艷珍，孟祥峰，李寧，任海萍

中國食品藥品檢定研 究院 醫療器械檢定所，北京 102629

目的分析和驗證測量距離、瞳孔直徑、視場角等不同參數對于視網膜熱危害在生理上的影響，為視網膜熱危害評估提供理論和數據支持。方法首先結合人眼的生理結構和生理特征分析不同測量條件對于危害限值和評估方法的影響。然后，逐一改變各個測量條件，以實驗數據來定量評估各個測量條件對于視網膜輻亮度的影響。結果測量距離、瞳孔直徑、視場角對視網膜輻亮度均有影響，由于影響程度還與光源的均勻性相關，定性給出了各個參數對于視網膜輻亮度的影響。結論視網膜熱危害評估比較復雜，在實際測量過程中要根據實驗對象科學設計實驗方案，才能保證較高的光生物安全評估準確性。

光生物安全；視網膜熱危害；熱效應；光譜輻亮度

引言

隨著人工光源在醫學中的廣泛使用，醫用電氣設備的光生物安全問題逐步受到相關組織和機構的重視，相關研究也越來越多。其中，可見光和紅外光聚焦到視網膜后導致的視網膜熱損傷由于傷害的不可逆性，應該引起我們的重視。

視網膜熱危害是因為光輻射被視網膜組織吸收后轉化為熱能，使組織溫度升高，當組織內的溫度升高到超出體溫一定限度時，即可使組織內的各種蛋白質成分(包括酶系統)發生變性凝固而產生損傷，這是視網膜熱危害的生物學基礎。具體為：可見光和紅外光聚焦到視網膜后，絕大部分光將被色素上皮中的黑色素所吸收。被吸收的能量會導致局部發熱，并灼傷色素上皮和相鄰的光敏視桿和視錐。這種燒傷或損傷可能導致視力喪失，而且是不可逆的[1-3]。

目前國內外已經有關于視網膜熱危害的相關標準，由于光源的預期用途不同，其適用的標準也不相同。本文將對比 不同標準之間暴露限值的差異，同時對同一光源應用不同的測量條件進行測試，通過討論對比，用于指導視網膜熱危害的科學評估。

1 非相干光視網膜熱危害限值的確定

對于視網膜而言，是否由于光的輻射發生灼傷關鍵在于被輻射時視網膜溫度的升高程度,通常情況下，當視網膜溫度升高至45℃時就會產生視網膜熱損傷。視網膜熱損傷主要依賴視網膜的熱傳導，其影響因素包括光輻射功率、周圍環境的溫度、視網膜像的尺寸、瞳孔大小等，其中視網膜像的尺寸影響最大，因為像的尺寸越大視網膜受輻射后升高的溫度就會越快的被傳遞走，視網膜像與熱危害暴露限值之間的關系已經有完整的理論支持，并寫進國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）的導則中。

視網膜熱危害暴露限值是通過動物實驗建立的，這個暴露限值也已經被人眼閃光灼傷的相關事故數據所證實。暴露限值建立的過程是：以紫外波段的激光進行動物實驗和眼球熱傳遞模型的研究，確定視網膜熱危害的暴露限值，進一步研究其他波段與實驗波段在視網膜熱危害過程中的相對關系，形成熱危害加權函數R(λ)。

現有標準中非相干光視網膜熱危害暴露限值來源于ICNIRP的一系列導則。對于醫療器械非相干光視網膜熱危害評估標準主要有兩個：GB/T20145-2006和ISO15004-2:2007。這兩個標準的適用設備是不同的，GB/T20145-2006適用于燈和燈系統的光生物安全性評估,被輻射對象是正常人，ISO15004-2:2007適用于眼科儀器的光輻射安全，被輻射對象是在醫療過程中的特定對象[5-12]。

針對正常人眼的視網膜熱危害，ICNIRP導則中確定的暴露限值適用于脈沖光源和預期觀察時間大于10 μs且不超過10 s的光源。其具體限值見公式(1)，這也是GB/ T20145-2006中的暴露限值。

式中：LR為視網膜熱危害加權輻亮度；Lλ為光譜輻亮度；R (λ)為熱危害加權函數；Δλ為波長帶寬；t為觀察持續時間；α為光源的對邊角。

光生物安全評估中考量的光波段為200～3000 nm，在視網膜熱效應中，由于短波段會被眼前節吸收，因此只有可見光和紅外波段可到達視網膜，紅外波段780～3000 nm又可分為IR-A (780～1400 nm)和IR-B（1400～3000 nm），相對于IR-A波段，IR-B波段產生的輻射非常小，幾乎可以忽略，所以視網膜熱效應的測量波段為380～1400 nm。

另外，視網膜熱效應與時間也有比較復雜的關系。光輻射在視網膜上產生熱，熱量會被周圍組織傳導走，這就是視網膜熱效應的熱傳導性，因此熱量在視網膜組織中不會產生熱積累，光能否對視網膜造成損傷主要在于輻射強度的大小。在熱傷害的過程中，只有高溫持續一定的時間才會對視網膜造成傷害，所以，視網膜熱危害只對于輻射時間大于10 μs的情況才予以考量。而對于長時間（＞10 s）的光輻射，其暴露危險與人體的熱應激有關，在強光刺激下，由于厭惡反應人眼瞳孔一定會在0.5 s以內被緊緊地收縮，眼瞼會在0.2 s之內關閉，即使個人強迫自己克服自然厭惡 反應，眼球運動和其他因素都會限制暴露避免熱損傷，目前的光輻射相關標準未予考慮長時間的光輻射，只評估10 s內的視網膜熱危害。另外，由于眼球的運動，在可見光和紅外光輻射人眼的過程中，輻射時間的不同會導致光源在眼底成像的大小也是不同的。對于短暫的暴露，非自愿眼睛運動占主導地位；對于長時間的暴露，主動的眼睛運動占主導地位。輻射時間＜0.25 s時，視場的大小為0.0017 rad；輻射時間在0.25～10 s之間時，視場的大小為輻射時間的函數視場角最大值為0.011 rad。對于相同光源而言，在視網膜成的像越大，危害越小；在視網膜成的像越小，危害越大。

對于正常人眼而言，在光照下眼睛具有自我保護的機制：厭惡反應。當人眼受到強光刺激時，會通過縮小瞳孔、眨眼、閉眼等一系列厭惡反應來減小進入眼睛的光輻射通量，進而達到保護眼睛的目的。其中瞳孔直徑的個人差異性很大，而且與進入眼睛并被視網膜吸收的輻射能量（380～1400 nm）有關，在低亮度（＜0.01 cd/m2）時，瞳孔的直徑大約為7 mm；當亮度足夠高（＞10 cd/m2），并且輻射持續時間大于0.25 s，瞳孔直徑大約為3 mm；當亮度達到10000 cd/m2時，瞳孔的直徑會減小到大約2 mm。對于不含可見光的紅外光源，由于人眼沒有視覺響應，所以也就沒有辦 法啟動這種自我保護的機制，幾乎光的全部能量都進入人眼，在這種情況下，造成人眼視網膜損傷的閾值會降低，具體限值如下：

這也是GB/T20145-2006中針對微弱視覺刺激的視網膜暴露限值。對于只有紅外輻射（770～1400 nm）的暴露限值確定，假設如下：直接觀察時間至少為10 s，因為沒有視覺刺激眼睛沒有任何保護性反應，瞳孔直徑采用7 mm。

而在醫療過程中，為了達到一定的醫學目的，會將觀察者的眼睛進行固定，或者使用散瞳劑和麻醉劑等藥品，這樣措施的直接結果就是限制了人眼球的運動，抑制或者減弱了人眼自身具備的自我保護機制，而且，在麻醉期間組織溫度可能降低。考慮到所有這些因素，對于眼科儀器這種特殊應用情況，如果采用針對正常人眼的暴露限值，會導致對于危害的評價不足，所以，視網膜熱危害的閾值也通過一系列的動物實驗來獲得，其數值相應的降低了，暴露限值為(3)或者(4)：

眼科儀器的暴露限值推導是基于以下假設：角膜輻照度是在直徑為7 mm的圓形孔闌（模擬瞳孔）上平均，如果輻射時間超過1 s，則孔闌直徑減小為3 mm；只有輻射時間超過5～10 s時，才考慮眼球運動對于潛在危害的補償。但是，如果使用瞳孔放大劑的話，瞳孔直徑有可能增加至8 mm，而且，眼球運動也會減小或者眼球會被固定。同時，在針對眼科診斷儀器的暴露限值確定過程中，考慮了眼前節對于光譜的透過率也會影響熱能的傳遞效率，例如在在可見光波段內，對于年輕人，光在經過眼睛前節時透過率約0.9。但是，因為眼前節對于光譜的透過率個體差異較大，現行標準中采用的光譜透過率為0.9。

按照GB/T20145-2006，視網膜熱危害分為4類：無危險類、低危險類、中危險類和高危險類。無危險類和低危險類的限值為28000/α W/(m2×sr)，中危險類的限值為71000/α W/(m2×sr)，超過中危險類即為 高危險類。視網膜微弱刺激熱危害要求不允許超過，超過即為高危險類。ISO15004-2：2007視網膜熱危害對1類限值為6 W/(cm2×sr)或等效的視網膜輻亮度，2類限值為10/drW/(cm2×sr)，其中dr是正常使用條件下，基于標準眼的光源的最小視網膜像直徑。

2 不同應用條件下非相干光視網膜熱危害的測試方法

首先，對于亮度低于1 cd/cm2（104cd/m2）的白光照明不會產生超過視網膜熱危害的輻射，不需要依據相關標準進行進一步的測試。

到達視網膜的能量是光源經人眼成像后像的能量，視網膜熱危害是根據局部能量最大值來衡量的，由于視網膜上像的尺寸很難精確獲得，所以在視網膜熱傷害中通過單位立體角內的輻照度來評估。視網膜輻亮度的測量原理，見圖1[13-15]。

圖1 視網膜輻亮度測量原理

在實際的測量過程中，視網膜輻亮度的測量比較復雜，通常轉化為角膜輻照度的測量，原理如下：

對于一個確定視場的評估，可以將輻亮度的評估轉化為輻照度測量，即輻亮度間接測量方法，測量出的輻照度值除以確定的視場就能夠獲得輻亮度值。其測量布置，見圖2。

圖2 視網膜輻亮度間接測量布置

角膜輻照度的測量是通過測量角膜面的輻射通量，除以孔徑光闌的直徑（瞳孔直徑），通過測得的光譜與輻照度加權后就得到光譜輻照度。角膜面的輻射通量直接測量獲得，其他計算公式如下：

其中，E為角膜輻照度；Eλ為角膜光譜輻照度；Lλ為視網膜光譜輻亮度；L為視網膜加權光譜輻亮度； 為角膜面的輻射通量；A為瞳孔的面積；V (λ)為光譜函數；D為測量距離；R (λ)為視網膜熱危害的修正函數。

結合視網膜熱危害暴露限值的影響因素可知，影響視網膜熱危害的因素包括波長、輻射時間、瞳孔直徑和視網膜像等。波長和輻射時間主要影響視網膜熱危害的限值和計算過程，在測量階段，考慮人眼的光學結構及正常生理反應，影響因素歸納為工作距離、視場光闌、孔徑光闌。

工作距離代表被測光源到人眼的距離，確定時主要是考慮人眼可正常成像的最近距離。對于正常人眼，最小的聚焦距離約為200 mm，根據研究，對于高度近視成人和小孩聚焦距離可能最小達到100 mm。在GB/T 20145-2016中規定測試距離為200 mm；ISO 15004-2:2007規定測試距離的值依據眼科儀器的正常使用位置。在本文的實驗中工作距離分別采用200 mm和100 mm。

視場光闌模擬人眼的接收角，其大小主要受眼球運動的影響，與輻射時間有關。GB/T 20145-2006規定：輻射時間＜0.25 s時，視場的大小為0.0017 rad；輻射時間在0.25～10 s之間時，視場的大小為輻射時間的函數：視場角最大值為0.011 rad。在ISO 15004-2007中，由于眼科診斷過程中人眼固定、麻醉劑等限制了眼球的運動，規定預期用于非固定人眼的設備，接收角為0.011 rad，主要考慮一般的眼科檢查過程均大于10 s；預期用于固定人眼的設備接收角為0.00175 rad，也就是對于固定人眼，無論觀察時間長短，視網膜像點不會增大。

孔徑光闌模擬人眼瞳孔直徑，其大小主要受光源亮度的影響。在光源亮度逐漸增大的過程中瞳孔直接最小約為2 mm，在使用散瞳劑等情況下，瞳孔最大可能為8 mm。GB/T20145-2016規定，當亮度足夠高（＞10 cd/m2）,并且輻射持續時間大于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。

3 實驗方案

由上可知：在實際應用過程中，由于個體的差異會使得聚焦距離的不同，一般而言，聚焦距離越近，視網膜受到的輻射越大；由于光源亮度的不同或者是否使用散瞳藥物等因素，會使得在觀察過程中人眼瞳孔直徑是不同的，瞳孔越大進入人眼的光輻射越多，視網膜受到的輻射越大；由于觀察時間長短或者眼球的狀態（是否固定、是否麻醉）不同，視網膜像的尺寸也會變化，最終影響視網膜受到的輻射；同時，現行標準中還未完全采用國際非電離輻射防護委員會新版導則的熱危害修正函數，這些條件的不同直接影響視網膜熱危害的評估結果，為了驗證測量距離、視網膜像的尺寸（視場光闌）、瞳孔直徑（孔徑光闌）、熱危害修正函數對視網膜熱危害評估結果的影響特設計了本實驗方案。測量距離分別采用100 mm和200 mm。視場光闌主要是考量分別針對視場角0.011 rad和0.00175 rad。孔徑光闌分別為2、3和7 mm。具體實驗設計，見表1。

表1 實驗設計

實驗5和實驗7的對比是驗證測量距離對視網膜熱危害評估結果的影響；實驗1、3、5的對比是驗證瞳孔直徑（孔徑光闌）對視網膜熱危害評估結果的影響；實驗1和實驗2的對比是驗證視網膜像的尺寸（視場光闌）對視網膜熱危害評估結果的影響；所有條件下的測量分別采用新舊版本的熱危害修正函數進行計算。

4 實驗結果及討論

在本文的實驗中，實驗對象是一個氙燈光源。在不同測量距離、瞳孔直徑和視場角下，光譜形狀是相同的，見圖3。

圖3 光譜圖

暴露限值分別依據GB/T20145-2006和ISO15004-2:2007中視網膜熱危害進行分類。測量條件依據GB/ T20145-2006、ISO15004-2:2007和國際非電離輻射防護委員會中的相關規定。具體結果，見表2，表2中L1代表采用GB/T20145-2006的熱危害修正函數進行計算的，L2代表采用新版版的熱危害修正函數，即ISO15004-2:2007和國際非電離輻射防護委員會2013年導則中給出的熱危害修正函數。

表2 實驗結果 [W/(m2×sr)]

從整體結果來看，條件1和條件6的測量數值差距最大，大概差距為133倍。可明顯影響測量分類。

測量距離的影響：實驗5和實驗7的瞳孔直徑和視場角均相同，測量距離不同。采用不同版本的R (λ)進行計算時，實驗5和實驗7的距離比值為2，采用新舊版本的熱危害修正函數加權輻亮度比值分別為1.03、1.03。在視網膜加權輻亮度的測量過程中測量距離對于加權輻亮度的影響不大。

視場角的影響：實驗1和實驗2中測量距離和瞳孔直徑相同，視場角不同，由表2可以看出視場角越小，加權視網膜輻亮度越大。對于一個非均勻光源而言，視場角越大，加權視網膜輻亮度就在一個較大的立體角內進行平均，而視場角越小，就會在一個較小的立體角內進行平均，會獲得不均勻光源的極大值點。視場角對于加權輻亮度的影響也不存在固定的計算關系，與光源的不均勻程度相關。在本實驗中，不同的視場角對于視網膜熱危害評估結果的影響較大，實驗 3 和實驗 4 的對比、實驗 5 和實 驗 6 的對比均證明了這種影響。

瞳孔直徑的影響：實驗1、3、5中測量距離和視場角相同，瞳孔直徑不同，由試驗結果可以看出隨著瞳孔直徑的增加，被輻射面的輻射通量是增加的，對于均勻光源而言，輻射通量與瞳孔面積成正比，對于不均勻光源而言，這個比例關系不成立，隨著瞳孔面積的增加，輻射通量小于均勻光源的增加量，見圖4。

圖4 輻射通量與瞳孔直徑的線性關系

由于圖4只是對輻射通量與瞳孔面積的線性關系進行說明，所以圖中坐標是以相對量來表示。圖中粗線表示輻射通量與瞳孔面積的線性關系，圖中細線表示線性關系的基準。對于均勻光源而言，輻射通量與瞳孔面積成正比，但是對于非均勻光源，這個線性關系會受光源均勻程度的影響，對于常見中間亮邊緣暗的非均勻光源，隨著瞳孔面積的減小，輻射通量也會減小，相反地，輻射密度會增加。在本實驗中，瞳孔直徑對于最終結果的影響較大，測量結果大概相差4倍。

視網膜熱危害修正函數R(λ)的影響：由表2中L1和L2數值的對比可以看出采用新版的修正函數后視網膜加權輻亮度的值均降低了。可以看到，對于本次實驗中的白光光源在7次實驗中采用不同R(λ)獲得加權視網膜輻亮度的差距大概是0.5倍。

5 結論

從測量結果可以看出，測量距離對于視網膜熱危害評估的影響較小，幾乎可以忽略；采用新版的視網膜熱修正函數R(λ)也會一定程度的影響加權視網膜輻亮度值；瞳孔直徑和視場角對于視網膜熱危害評估的影響較大，其影響程度與光源的均勻性相關，特別地，視場角對于測量結果的影響是最大的，由于在測量過程中視場光闌的直徑大概是幾毫米，因此需要確保視場光闌直徑的準確性。在進行醫用電氣設備的視網膜熱危害評估過程中，應該在結合人眼生理特性的前提下，科學確定評估方案。

當然，由于影響熱損傷的因素多且復雜，而且很多因素的影響沒有確切的數據支持，所以很難去規定一個規定的輻射限值來保護機體不發生熱損傷，除非規定在最壞的情況下的限值，所以，目前標準中給出的限值都是最嚴厲的狀況，針對特定情形，視網膜熱危害的評估需要更多采用風險分析的方法來修正現有評估方案。

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本文編輯 袁雋玲

Research on Retinal Hazard of Non-Coherent Optical Irradiation for Medical Equipment

LIU Yanzhen, MENG Xiangfeng, LI Ning, REN Haiping
National Institutes for Food and Drug Control, Institute for Medical Devices Control, Beijing 100029, China

ObjectiveTo provide theoretical and data support for retinal thermal hazard assessment via analyzing and validating the effects of different parameters which including the measurement distance, pupil diameter and the field of view on retinal thermal hazard physiological effects and measurement.MethodsFirstly, according to the physiological structure and physiological characteristics of human eyes, the impact of different measurement conditions on hazard limits and evaluation methods was analyzed. Then, each measurement condition was changed one by one, and the in fluence of each measurement condition on the retinal radiance was quantitatively evaluated by experimental data.ResultsThe distance of measurement, the diameter of pupil and the angle of field of view had in fluence on the retinal radiance, and the in fluence of each parameter on the retinal radiance was qualitatively given because the degree of in fluence was also related to the uniformity of the light source.ConclusionThe thermal hazard assessment of retina is very complex. In the actual measurement process, the experimental scheme should be designed scienti fically according to the experimental object, so as to provide the accuracy of the biosafety assessment.

photobiological safety; retinal hazard; spectral thermal effect; spectral radiance

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.09.003

1674-1633(2017)09-0010-05

2017-06-27

2017-08-03

中國食品藥品檢定研究院中青年發展研究基金課題“醫用LED設備光輻射危害評價與檢測方法研究”（2015C01）。

本文作者：劉艷珍，主要研究方向為光學、生物醫學工程，醫療器械檢定。

及郵箱：任海萍，renhaiping@nifdc.org.cn