醫療器械中LED光生物安全風險分析和評價

上海市醫療器械化妝品審評核查中心 （上海 200020）

內容提要：主要介紹醫療器械領域中LED光源的不同應用，分析LED的光輻射生物效應及損傷機制，結合光生物安全風險分類，提出不同醫療器械中應用LED光輻射安全等級分類的評價方法，并對醫療器械產品中LED的安全應用提出建議。

發光二極管（Light Emitting Diode，LED）光源具有體積小、壽命長、發光效率高、耗電量少等優點，近年來，隨著白光LED光源的技術進步，LED的應用呈現多樣化，已成熟應用到工業、消費、科學和醫療等領域。在醫療領域，LED光源被廣泛地應用于照明、診斷、治療等器械中[1]。

1.醫療器械中LED光源的應用

1.1 LED手術無影燈

手術無影燈是用來照明外科手術部位不可缺少的重要設備，要求能以最佳的照明狀態觀察處于切口和體腔中不同深度、大小、對比度低的物體。傳統手術燈一般都采用鹵素燈或高壓汞燈，但隨著發光二極管LED技術的不斷發展，特別是高亮度白光LED的發展，LED無影燈發光效率高、壽命長、熱量小，逐漸替代了鹵素光源手術燈，解決了傳統手術燈存在的色溫不可調、溫升較高等缺點，成為手術室照明設備的一大亮點。

1.2 LED熒光顯微鏡

熒光顯微鏡是免疫熒光細胞化學診斷的基本工具，具有敏感性高，特異性強的特點。傳統熒光顯微鏡采用200W的超高壓汞燈作光源，預熱時間長、發熱嚴重、發光壽命短，而采用單波段或多波段的LED作為熒光光源，無需預熱、發光強度穩定、熒光激光特性好，具有高壓汞燈無可比擬的優點。

1.3 LED光譜治療設備

光譜治療是醫療器械物理治療的重要方式之一，通過選擇半導體材料的不同配比，可以制作出各個光譜的LED光源，從而得到所需的治療波段。如LED藍光治療儀可以有效治療新生兒黃疸，LED紫外光療儀可以輔助治療銀屑病、白癜風等皮膚病，LED紅藍光治療儀可以用于炎性痤瘡的輔助治療、促進皮膚傷口愈合。

2.LED的光生物安全風險

2.1 光輻射的生物效應及危害

光生物危害是指人體暴露在波長200～3000nm范圍的光輻射下時可能受到的非可逆性病變[2]。光輻射對人體的造成的損傷可以分為光化學損傷和熱損傷兩大類，光輻射引起的生物集體損傷程度與光源的波長、脈寬、聚焦尺寸、輻照強度、輻照時間等參數相關。光化學損傷主要取決于光輻射劑量（包括輻照強度和曝光時間），如受到藍光輻射造成的光視網膜病變，視網膜光化學損傷的靈敏波長約為440nm，當視網膜在短時間內受到極亮的光照或長時間受到較弱的光照時，有可能會造成光視網膜病變。而光輻射造成的熱損傷主要取決于被輻射組織的熱傳導效率，當光輻射強度較低時，被輻射組織可以將熱量及時從周圍傳導出去，只有受到非常強烈的光輻射時才會造成組織凝固等熱損傷。一些動物實驗表明，通常需要至少達到45℃的溫度才會造成熱損傷。

眼睛和皮膚是最易受到光輻射危害的人體器官，過量光輻射可能造成的生物效應有：熱輻射白內障、光致角膜炎、視網膜熱損傷、紫外線白內障、紫外線皮膚紅斑等，光對眼睛和皮膚的危害隨波長的變化而變化。每一種光生物效應都有其特定的作用光譜，其光生物危害的類型、損傷閾值和損傷機制隨波長的不同而顯著變化（見表1）[3]。

表1.眼睛和皮膚光生物危害

2.2 LED光輻射危害與激光輻射危害的區別

在早期，LED的光輻射危害被定義為與激光輻射相同，隨著LED科技的進步和應用的推廣，人們認識到應將LED光輻射危害與激光輻射區分開來，寬光譜照明安全標準中的光輻射安全要求更適用于LED。

由于各個波段的光輻射都可能引起光生物效應而帶來光輻射危害，在同一光譜區域內，相同的暴露條件下（暴露對象、暴露區域、暴露時間）的光輻射危害是相似的。對于LED光源（寬光譜光源），需要考慮幾種光輻射損傷類型的疊加效應，包括不同的波長、脈沖長度和光斑大小等因素；而對于單一波長的激光光源，主要需要考慮的是光路幾何、暴露時間和對應波長的損傷類型及非線性效應[4]。對于高能量的激光光源，可能會產生皮膚、角膜或視網膜的熱燒傷危害，而LED光源則極少會造成這種燒傷風險。

在確定的光譜區域，LED的光輻射限值與激光輻射限值是相似的。如在紫外波段對視網膜損傷危害方面，兩者的暴露極限基本上是相等的，但是，由于激光輻射一般是小光源，而LED輻射是擴展光源，其輻射測量方式比激光輻射更為復雜，有可能會被漫射體或投影物鏡改變，并且其光譜分布可能受輔助光學元件、漫散體、透鏡等裝置和操作方式的變化而影響，因此兩者的限值計算方式不同，最終限值和單位均不相同。

大多數激光器發出的是一個極窄波長波段的強光，對其進行光生物安全風險評價時，并不需要詳細了解光譜的輸出。而對于LED這種寬光譜光源，需要對不同的光生物作用光譜的光輻射測量數據，再結合幾何光路，對起光生物安全風險進行評價。

3.醫療器械中LED光源的光生物安全風險評價

基于大量的動物學實驗和現有的醫學、生物學資料，ICNIRP導則給出了各類損傷的輻暴限值和計算方式，是目前評價LED光源光生物安全風險的主要依據[5]。

3.1 眼科器械中LED的光生物安全風險評價

人眼的構造類似于一個成像式光學系統，等效于空氣中一個焦距17mm的透鏡，根據人眼的光學參數和光源的輻射參數，可以計算出人眼角膜、虹膜、晶狀體、視網膜各個位置接收到的輻射能量。人眼成像與光源的關系見圖1。

圖1.人眼成像與光源的關系

由于眼睛的敏感性高于皮膚，LED光源對眼睛的光生物安全風險程度比皮膚要高。2007年ISO/TC 172發布了ISO 15004-2:2007《眼科儀器 基本要求和試驗方法 第2部分：光危害防護》[6]，這個標準用于評估醫療設備中LED光源可能對人眼造成的光生物危害，適用于所有直接照射人眼表面或眼內的眼科儀器，包括驗光儀、角膜曲率計、裂隙燈顯微鏡、眼底照相機等。

根據ISO 15004-2綜合評價人眼各部分受到了光源的輻射光強后，按照對眼睛是否存在潛在的光生物危害，可以將眼科儀器劃分為1類儀器或2類儀器。其中，1類儀器對人眼造成的光輻射較小，被認為是無潛在危害存在的。而2類儀器被認為是存在潛在危害的眼科儀器，制造商需向操作者/使用者提供相對輸出光譜圖、潛在光輻射危害的最大時間信息和警告語等信息。一般來說，眼科手術顯微鏡、裂隙燈顯微鏡、間接檢眼鏡、眼內照明器等眼科儀器通常不可能是1類儀器。

3.2 非眼科儀器的光生物安全風險評價

對于其他含有LED光源的非眼科儀器，其光生物安全風險的考量可以按照GB/T 20145-2006《燈和燈系統的光生物安全性》標準的要求，在200mm的距離上進行光生物危害值的確定，在實驗室條件下，測量醫療設備中LED的光化紫外輻射強度、近紫外輻射強度、藍光輻射強度、視網膜熱危害輻射強度、眼睛紅外輻射強度等，對設備中的LED光源進行輻照測試和計算等系統性評價。按照GB/T20145的要求，將LED的光輻射危害的風險等級分為4類[7]：①無危險類——在極限條件下，光源不會造成任何光生物危害；②1類危險——低危險，對正常曝光條件下，光源不會產生光生物危害；③2類危險——中度危險，光源不會產生對強光和溫度的不適反應的危害；④3類危險——高危險，光源在更短瞬間造成危害。

GB/T 20145的分類方法僅體現了LED光源可能存在的潛在光生物危害，該危害能否變成真正危害，還取決于LED的利用率、曝光時間、照明效果、操作方式等。根據GB/T20145確定的產品風險等級，制造商可以對產品的光輻射安全作出相應的防范措施。GB/T 30117.2-2013《燈和燈系統的光生物安全 第2部分 非激光光輻射安全相關的制造要求指南》中為制造商提供了幾種防范措施，如可以通過限制曝輻時間、確定危害距離、增加警告等[8]。見表2。

表2.特定條件下評估的危險等級——觀察者相關的危險

4.小結

為了保證LED光源在醫療器械領域應用的安全性，在醫療器械研發、生產、檢驗、注冊審評過程中均應關注LED光生物危害的安全風險，并對其進行風險控制和評價，以保證LED光源在醫療器械領域中的持續發展和安全應用。