医疗器械非相干光视网膜蓝光辐射危害研究

孟祥峰，李宁，刘艳珍，王浩，任海萍

中国食品药品检定研究院 医疗器械检定所，北京 102629

医疗器械非相干光视网膜蓝光辐射危害研究

孟祥峰，李宁，刘艳珍，王浩，任海萍

中国食品药品检定研究院 医疗器械检定所，北京 102629

目的为了确定不同的测试条件对视网膜蓝光危害辐射量及产品分类的影响。方法本文结合光辐射危害分类标准，分析了视网膜蓝光危害的生物机理，并通过设置不同的实验条件（包括测试距离、视场光阑、孔径光阑），分别对紫外光源和LED光源进行视网膜蓝光危害测试研究。结果无晶状体眼睛（2岁以下婴儿）在含紫外成分光源的视网膜蓝光危害要明显大于正常人眼，且很有可能改变分类结果，而对于紫外成分较低的光源无显著影响；检测设备不会改变光源的亮度，不同的测试条件仅仅改变对测试光源的辐射角度或辐射面积的选取范围，进而导致检测结果的差异。结论通过本文研究可知，测试条件的不同会对辐射量值产生一定影响，但一般不会改变分类结果，但为保证辐射量测试的准确性，必须根据光源的实际情况，按照最不利原则选取合适的实验条件。

医疗器械；非相干光；视网膜；蓝光危害；无晶状体眼；对向角

引言

目前医疗器械中所用到的非相干光源类型有白炽灯、弧光灯和发光二极管（LED）等多种。其中LED光源因其寿命长、体积小和亮度高等特性，在医疗器械中已得到了广泛的应用。然而，在利用光诊断治疗的同时，光辐射的副作用也会体现。以白色LED光为例，有一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光，光谱成分中蓝光波段存在一个很强的波峰，过量的辐射会在较短时间或瞬间对人眼造成伤害。人们越来越关注光生物安全的问题。对于医疗器械，其对象为患者，带来了很多额外需要关注的风险，如眼科医疗器械，其直接作用于人眼，蓝光对于人 眼视网膜的影响尤其值得关注。

视网膜蓝光危害主要是由于视网膜色素上皮和脉络膜对380～520 nm蓝光波段的吸收，产生光化学反应，产生大量具有细胞毒性的自由基，破坏细胞正常生长，导致视网膜病变。蓝光危害效果区别于视网膜热危害，仅取决于剂量，即辐亮度和曝光持续时间的乘积，也就是说，人眼观察短时间内的非常明亮的光或者很长时间观察较不亮的光，都会产生损伤。

目前国内和国际上标准或准则已经规定蓝光危害的辐射限制，但考虑适用场合的不同，其测量方法及分类结果也存在较大差异。本文从实际应用的角度，对比现有标准间的差异，对同一种光源采用不同的分类测量方法进行测量，给出适用于医疗器械的蓝光辐射测量分类规则。

1 蓝光危害限值的确定

视网膜蓝光危害的限值主要来源于国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）的导则。在限值确定过程中，充分考虑了由于健康的人眼，在受到光照的情况下，眼睛的自然防御会降低观察的照明光线，比如眨眼、眼睛运动、瞳孔收缩等会带来危害的降低。研究发现，对于暴露持续时间大于0.25 s的蓝光，眼睛就会由于运动导致入射到视网膜的光线照射区域扩大、同时明亮的光线照射会导致瞳孔收缩从而限制入射光的进入。

由于光生物效应与波长相关（响应光谱），蓝光危害用蓝光加权辐亮度和蓝光加权辐照度来表示。根据ICNIRP导则，蓝光加权视网膜辐亮度限值满足如下条件：

其中，LB为蓝光加权视网膜辐亮度，Lλ为光谱辐亮度，B(λ)为蓝光危害光谱加权函数，t为曝光持续时间，Δλ为波长带宽。

对于光源对向角的角度小于最小接收角r时，辐射限值可以转换为给定持续时间t的等效辐照度。根据辐亮度和辐照度的换算关系，如式(3)所示：

式中L为辐亮度，F/r为极限接收角11 mrad，则蓝光加权视网膜辐照度限值满足如下条件：

以上限值是基于正常人眼睛的考量，对于专门用于眼科的光学医疗器械，在检查过程中经常会用到散瞳剂，患者可能有较大的瞳孔，根据ICNIRP导则，对于曝光时间大于10000 s的情况，蓝光加权视网膜辐亮度限值应从100 W/m2/sr降至20 W/m2/sr，后一值保守地对应于亮度为1 cd/cm2的白光源。该亮度值通常是舒适观看的最大亮度，虽然不作为一个限值，但它通常被作为快速检查来确定是否需要进一步的危害评估。

眼科医疗器械的检查过程中可能会使用麻醉剂、或者固视灯来减少眼睛的运动，因此其测量接受角区别于正常人眼的测量。对于预期非固定人眼的使用采用11 mrad的接收角，对于预期固定人眼的采用采用1.75 mrad（视网膜能分辨的最小成像角度）接收角。

在医疗器械的使用中很会遇到无晶状体的情况，尽管很少见，但还是存在的。比如在外科手术白内障切除期间，在植入人工晶体之前，患者眼睛暴露于外科手术灯照射下。此外有些人是先天无晶状体的。由于缺少了晶状体对紫外辐射的吸收，无晶状体眼睛的蓝光辐射危害响应光谱在小于440 nm处改变，见图1。其光谱加权函数为A(λ)。此外，2岁以下的婴幼儿的紫外线透过率高于大龄儿童和成年人，视网膜发育需要更多的保护。所以无晶状体光谱加权函数A(λ)也应用于保守评估光源对于婴儿的蓝光辐射危害。无晶状体视网膜蓝光危害限值和正常眼的限值一致，只不过把公式中的B(λ)改成A(λ)。

图1 有无晶状体视网膜蓝光危害加权系数

2 不同应用下的视网膜蓝光危害的测试方法

目前对于非相干光的光辐射危害限值或分类标准有GB/T 20145-2006《灯和灯系统的光生物安全性》、ISO 15004-2:2007 Ophthalmic instruments- Fundamental requirements and test methods- Part 2：Light hazard protection、GB/T 7247.9-2016《激光产品安全 第9部分：非相干光辐射最大允许照射量》等标准。其中，ISO 15004-2:2007是专门针对眼科设备的光辐射安全分类标准，适用于所有用于直接照射人眼表面或眼内的眼科仪器，其限值是在正常眼光辐射限值的基础上，考虑眼科仪器的特殊性，对辐射限值进行了修正；而GB/T 20145-2006限值均为正常眼光辐射限值，适用于各种灯具的光生物安全性的评估，同时也是IEC 60601-2-57 《医用电气设备第2-57部分：治疗、诊断、监测和美容/美学使用的非激光光源设备的基本安全和主要性能专用要求》（目前我国正在转化过程中）的分类依据标准。GB/T 7247.9-2016适用于180～3000 nm的人造光源照射人眼和皮肤的非相干辐射，与ICNIRP导则限值基本一致。

视网膜蓝光危害考虑人眼的光学结构及正常生理反应，测试时应设置合适的工作距离、视场光阑、孔径光阑。

工作距离代表人眼能清晰成像的距离，对于非常近视的人或者小孩，能够清晰聚焦的最近距离大约为100 nm，距离再短，光源的像将离焦而模糊；而对于正常成年人，能够清晰聚焦的最近距离大约为200 nm。按照GB/T 20145-2016规定测试距离为200 nm；ISO 15004-2:2007规定为正常使用位置；而GB/T 7247.9-2016规定测试距离为根据预期用途的最小距离，但不小于100 nm。

视场光阑用于考虑人眼的运动，接收角的限制与时间相关。GB/T 20145-2006规定当t＜100 s时，α=11 mrad；当100≤t＜10000 s时时，α=110 mrad；ISO 15004-2：2007考虑了麻醉剂或固视灯等固定人眼措施的使用可能，取消了时间对人眼运动程度的限值，规定预期用于非固定人眼的设备，接收角为11 mrad，预期用于固定人眼的设备接收角为1.75 mrad；GB/T 7247.9-2016考虑视网膜蓝光危害较长照射时间（多于10 s）的制约，规定接收角为11 mrad下估算光源是足够的。

孔径光阑用于模拟人眼的瞳孔直径，GB/T 20145-2016规定，当亮度足够高（10 cd/cm2）,并且辐射持续时间大于0.25 s时，使用3 mm瞳孔直径，对于脉冲光或亮度较低的光源使用7 mm瞳孔直径；ISO 15004-2:2007考虑散瞳剂的使用可能，采用7 mm的瞳孔直径；GB/T 7247.9-2016规定使用7 mm的瞳孔直径。

3 产品分类

按照GB/T 20145-2006，视网膜蓝光危害可分为4类，其主要是基于时间分类，无危害类为10000 s内不超过限值；1类危害为100 s内不超过限值；2类危害为0.25 s内不超过限值；3类危害为超过2类限值即为3类；ISO 15004-2:2007视网膜蓝光危害仅对1类限值进行了要求，超过即为2类，对于2类标准给出的是指导值而非限值。标准认为外科医生在极其复杂的手术时或者临床医生在极其复杂的眼睛疾病诊断检查时，可能不得不使用超过已知是危险的辐射水平的辐射。在这种情况下，对可见光的危险辐射规定指导值而不是限值，这样临床医生就可以被告知他们使用的仪器可能会有潜在的光辐射危害。GB/T 7247.9-2016为限值标准，非分类标准。

4 实验验证

本文通过设计不同的工作距 离、视场光阑、孔径光阑、有晶状体和无晶状体的情况，对同一连续光源进行视网膜辐亮度测量，见表1。分别按照GB/T 20145-2006、ISO 15004-2:2007两个标准进行辐射量值的计算和分析。两个光源均为发散光源。

表1 测试条件

测量方法用间接测量法，测量眼前节面上的辐照度，通过限制视场计算得到视网膜辐亮度。测量示意图，见图2。

图2 辐亮度的间接测量方法

5 结果

由于本文只对视网膜蓝光危害进行讨论，光源300～700 nm的相对光谱分布，见图3～4。

图3 LED光源的光谱分布

图4 紫外光源的光谱分布

视网膜蓝光危害测量值，见表2。计算公式参照公式(1)～(2)。

表2 视网膜蓝光危害测量结果

6 讨论

对于普通光学医疗器械应考虑婴儿的使用情况，对比条件1无晶状体和有晶状体测量结果（即成人和2岁以下儿童视网膜蓝光危害结果对比），相差约133倍，按照GB/T 20145标准，无危害类和1类危害限值相差100倍，1类危害与中度危害相差400倍，也就是说如果亮度达到一定程度，有无晶状体的计算结果很有可能处于不同的分类类别。目前非眼科的光辐射标准还未对该部分进行考虑，而最新的ICNIRP导则，已对无晶状体的情况进行了要求。

实际上考虑晶状体对紫外光的吸收，对于300～440 nm辐射较低的光源，有无晶状体的危害值相差不大。对于LED光源，对比条件2无晶状体和有晶状体测量结果，仅相差1.007倍。其影响结果基本可以忽略。

对于均匀面光源，在各个方向辐射的通量一样的情况下，采用间接测量法，得到的辐亮度值时一样的。实际上被测仪器也不会改变光源的亮度值。然而因为实际光源的不均匀性，会导致不同的测试条件带来不同的测试结果。

对比条件2有晶状体和条件3、条件4与条件5我们可以发现，对于发散光源，在其他条件一致的情况下，孔径光阑越小，其视网膜蓝光危害测量值越大，这是由于发散光源在各个方向上辐射的通量值不一致，以0°角为最大，随着角度的增大而减少，当孔径光阑越大时，其平均的角度范围越大，这就导致了亮度测量值变小。然而，孔径光阑代表人眼的瞳孔直径，瞳孔缩小是对人眼的保护，然而其测量结果却更大，这看似与实际情况不符。实际上人眼并不能改变光源的亮度值，但瞳孔的缩小，有效的降低了进入人眼的总辐通量值，进而在视网膜形成的照度值将会降低。以条件4与条件5为例，实际上换算成视网膜蓝光辐照度，条件4结果为0.442 W/cm2，条件5结果为0.111 W/cm2，条件5辐亮度值虽大，但其换算成视网膜辐照度就明显变小了，实际上瞳孔缩小可有效的对眼睛进行保护。但由于光源的不均匀性，其辐亮度测量值不一定小。对比结果1、4、6，同样是由于光源的不均匀性，并不是测试距离越近其亮度测量结果越大，这由光源的实际分布情况而定。实际上从条件2有晶状体到条件6，其亮度测量结果最大相差4.9倍，对于大多数光源来说，3个标准的不同测试条件，对分类的结果不会产生太大影响。对比条件4与条件7，对于不均匀光源，接收角度越小，越能在最亮的区域进行视亮度值的平均，其测量结果也就越大。

7 结论

本文通过分析视网膜蓝光的危害基理，基于人眼的生理结构与生理反应，对比了不同标准对于视网膜蓝光危害的考量要点，分析了不同的测试条件对视网膜蓝光危害测试结果的影响。无晶状体眼睛（2岁以下婴儿）在含紫外成分光源的视网膜蓝光危害要明显大于正常人眼，且很有可能改变分类结果，这在将来的标准制修订过程应给予重视。同时，考虑光源的不均匀性，不同的测试条件对测试结果的影响无明显的规律可言，且不会对分类结果产生较大的影响。此外，由于设备不会改变光源的亮度，视网膜辐照度更能体现辐射光进入人眼的危害程度状况，用视网膜辐照度对视网膜蓝光危害进行描述更直观。

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本文编辑 袁隽玲

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

中国食品药品检定研究院中青年基金课题“医用LED设备光辐射危害评价与检测方法研究”（2015C01）；人社部留学人员科技活动项目择优资助课题“医疗器械光辐射安全评价研究”资助。

本文作者：孟祥峰，主要研究方向为光学、生物医学工程，医疗器械检定。

及邮箱：任海萍，renhaiping@nifdc.org.cn