医疗器械非相干光辐射视网膜热危害研究

刘艳珍，孟祥峰，李宁，任海萍

中国食品药品检定研 究院 医疗器械检定所，北京 102629

医疗器械非相干光辐射视网膜热危害研究

刘艳珍，孟祥峰，李宁，任海萍

中国食品药品检定研 究院 医疗器械检定所，北京 102629

目的分析和验证测量距离、瞳孔直径、视场角等不同参数对于视网膜热危害在生理上的影响，为视网膜热危害评估提供理论和数据支持。方法首先结合人眼的生理结构和生理特征分析不同测量条件对于危害限值和评估方法的影响。然后，逐一改变各个测量条件，以实验数据来定量评估各个测量条件对于视网膜辐亮度的影响。结果测量距离、瞳孔直径、视场角对视网膜辐亮度均有影响，由于影响程度还与光源的均匀性相关，定性给出了各个参数对于视网膜辐亮度的影响。结论视网膜热危害评估比较复杂，在实际测量过程中要根据实验对象科学设计实验方案，才能保证较高的光生物安全评估准确性。

光生物安全；视网膜热危害；热效应；光谱辐亮度

引言

随着人工光源在医学中的广泛使用，医用电气设备的光生物安全问题逐步受到相关组织和机构的重视，相关研究也越来越多。其中，可见光和红外光聚焦到视网膜后导致的视网膜热损伤由于伤害的不可逆性，应该引起我们的重视。

视网膜热危害是因为光辐射被视网膜组织吸收后转化为热能，使组织温度升高，当组织内的温度升高到超出体温一定限度时，即可使组织内的各种蛋白质成分(包括酶系统)发生变性凝固而产生损伤，这是视网膜热危害的生物学基础。具体为：可见光和红外光聚焦到视网膜后，绝大部分光将被色素上皮中的黑色素所吸收。被吸收的能量会导致局部发热，并灼伤色素上皮和相邻的光敏视杆和视锥。这种烧伤或损伤可能导致视力丧失，而且是不可逆的[1-3]。

目前国内外已经有关于视网膜热危害的相关标准，由于光源的预期用途不同，其适用的标准也不相同。本文将对比 不同标准之间暴露限值的差异，同时对同一光源应用不同的测量条件进行测试，通过讨论对比，用于指导视网膜热危害的科学评估。

1 非相干光视网膜热危害限值的确定

对于视网膜而言，是否由于光的辐射发生灼伤关键在于被辐射时视网膜温度的升高程度,通常情况下，当视网膜温度升高至45℃时就会产生视网膜热损伤。视网膜热损伤主要依赖视网膜的热传导，其影响因素包括光辐射功率、周围环境的温度、视网膜像的尺寸、瞳孔大小等，其中视网膜像的尺寸影响最大，因为像的尺寸越大视网膜受辐射后升高的温度就会越快的被传递走，视网膜像与热危害暴露限值之间的关系已经有完整的理论支持，并写进国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）的导则中。

视网膜热危害暴露限值是通过动物实验建立的，这个暴露限值也已经被人眼闪光灼伤的相关事故数据所证实。暴露限值建立的过程是：以紫外波段的激光进行动物实验和眼球热传递模型的研究，确定视网膜热危害的暴露限值，进一步研究其他波段与实验波段在视网膜热危害过程中的相对关系，形成热危害加权函数R(λ)。

现有标准中非相干光视网膜热危害暴露限值来源于ICNIRP的一系列导则。对于医疗器械非相干光视网膜热危害评估标准主要有两个：GB/T20145-2006和ISO15004-2:2007。这两个标准的适用设备是不同的，GB/T20145-2006适用于灯和灯系统的光生物安全性评估,被辐射对象是正常人，ISO15004-2:2007适用于眼科仪器的光辐射安全，被辐射对象是在医疗过程中的特定对象[5-12]。

针对正常人眼的视网膜热危害，ICNIRP导则中确定的暴露限值适用于脉冲光源和预期观察时间大于10 μs且不超过10 s的光源。其具体限值见公式(1)，这也是GB/ T20145-2006中的暴露限值。

式中：LR为视网膜热危害加权辐亮度；Lλ为光谱辐亮度；R (λ)为热危害加权函数；Δλ为波长带宽；t为观察持续时间；α为光源的对边角。

光生物安全评估中考量的光波段为200～3000 nm，在视网膜热效应中，由于短波段会被眼前节吸收，因此只有可见光和红外波段可到达视网膜，红外波段780～3000 nm又可分为IR-A (780～1400 nm)和IR-B（1400～3000 nm），相对于IR-A波段，IR-B波段产生的辐射非常小，几乎可以忽略，所以视网膜热效应的测量波段为380～1400 nm。

另外，视网膜热效应与时间也有比较复杂的关系。光辐射在视网膜上产生热，热量会被周围组织传导走，这就是视网膜热效应的热传导性，因此热量在视网膜组织中不会产生热积累，光能否对视网膜造成损伤主要在于辐射强度的大小。在热伤害的过程中，只有高温持续一定的时间才会对视网膜造成伤害，所以，视网膜热危害只对于辐射时间大于10 μs的情况才予以考量。而对于长时间（＞10 s）的光辐射，其暴露危险与人体的热应激有关，在强光刺激下，由于厌恶反应人眼瞳孔一定会在0.5 s以内被紧紧地收缩，眼睑会在0.2 s之内关闭，即使个人强迫自己克服自然厌恶 反应，眼球运动和其他因素都会限制暴露避免热损伤，目前的光辐射相关标准未予考虑长时间的光辐射，只评估10 s内的视网膜热危害。另外，由于眼球的运动，在可见光和红外光辐射人眼的过程中，辐射时间的不同会导致光源在眼底成像的大小也是不同的。对于短暂的暴露，非自愿眼睛运动占主导地位；对于长时间的暴露，主动的眼睛运动占主导地位。辐射时间＜0.25 s时，视场的大小为0.0017 rad；辐射时间在0.25～10 s之间时，视场的大小为辐射时间的函数视场角最大值为0.011 rad。对于相同光源而言，在视网膜成的像越大，危害越小；在视网膜成的像越小，危害越大。

对于正常人眼而言，在光照下眼睛具有自我保护的机制：厌恶反应。当人眼受到强光刺激时，会通过缩小瞳孔、眨眼、闭眼等一系列厌恶反应来减小进入眼睛的光辐射通量，进而达到保护眼睛的目的。其中瞳孔直径的个人差异性很大，而且与进入眼睛并被视网膜吸收的辐射能量（380～1400 nm）有关，在低亮度（＜0.01 cd/m2）时，瞳孔的直径大约为7 mm；当亮度足够高（＞10 cd/m2），并且辐射持续时间大于0.25 s，瞳孔直径大约为3 mm；当亮度达到10000 cd/m2时，瞳孔的直径会减小到大约2 mm。对于不含可见光的红外光源，由于人眼没有视觉响应，所以也就没有办 法启动这种自我保护的机制，几乎光的全部能量都进入人眼，在这种情况下，造成人眼视网膜损伤的阈值会降低，具体限值如下：

这也是GB/T20145-2006中针对微弱视觉刺激的视网膜暴露限值。对于只有红外辐射（770～1400 nm）的暴露限值确定，假设如下：直接观察时间至少为10 s，因为没有视觉刺激眼睛没有任何保护性反应，瞳孔直径采用7 mm。

而在医疗过程中，为了达到一定的医学目的，会将观察者的眼睛进行固定，或者使用散瞳剂和麻醉剂等药品，这样措施的直接结果就是限制了人眼球的运动，抑制或者减弱了人眼自身具备的自我保护机制，而且，在麻醉期间组织温度可能降低。考虑到所有这些因素，对于眼科仪器这种特殊应用情况，如果采用针对正常人眼的暴露限值，会导致对于危害的评价不足，所以，视网膜热危害的阈值也通过一系列的动物实验来获得，其数值相应的降低了，暴露限值为(3)或者(4)：

眼科仪器的暴露限值推导是基于以下假设：角膜辐照度是在直径为7 mm的圆形孔阑（模拟瞳孔）上平均，如果辐射时间超过1 s，则孔阑直径减小为3 mm；只有辐射时间超过5～10 s时，才考虑眼球运动对于潜在危害的补偿。但是，如果使用瞳孔放大剂的话，瞳孔直径有可能增加至8 mm，而且，眼球运动也会减小或者眼球会被固定。同时，在针对眼科诊断仪器的暴露限值确定过程中，考虑了眼前节对于光谱的透过率也会影响热能的传递效率，例如在在可见光波段内，对于年轻人，光在经过眼睛前节时透过率约0.9。但是，因为眼前节对于光谱的透过率个体差异较大，现行标准中采用的光谱透过率为0.9。

按照GB/T20145-2006，视网膜热危害分为4类：无危险类、低危险类、中危险类和高危险类。无危险类和低危险类的限值为28000/α W/(m2×sr)，中危险类的限值为71000/α W/(m2×sr)，超过中危险类即为 高危险类。视网膜微弱刺激热危害要求不允许超过，超过即为高危险类。ISO15004-2：2007视网膜热危害对1类限值为6 W/(cm2×sr)或等效的视网膜辐亮度，2类限值为10/drW/(cm2×sr)，其中dr是正常使用条件下，基于标准眼的光源的最小视网膜像直径。

2 不同应用条件下非相干光视网膜热危害的测试方法

首先，对于亮度低于1 cd/cm2（104cd/m2）的白光照明不会产生超过视网膜热危害的辐射，不需要依据相关标准进行进一步的测试。

到达视网膜的能量是光源经人眼成像后像的能量，视网膜热危害是根据局部能量最大值来衡量的，由于视网膜上像的尺寸很难精确获得，所以在视网膜热伤害中通过单位立体角内的辐照度来评估。视网膜辐亮度的测量原理，见图1[13-15]。

图1 视网膜辐亮度测量原理

在实际的测量过程中，视网膜辐亮度的测量比较复杂，通常转化为角膜辐照度的测量，原理如下：

对于一个确定视场的评估，可以将辐亮度的评估转化为辐照度测量，即辐亮度间接测量方法，测量出的辐照度值除以确定的视场就能够获得辐亮度值。其测量布置，见图2。

图2 视网膜辐亮度间接测量布置

角膜辐照度的测量是通过测量角膜面的辐射通量，除以孔径光阑的直径（瞳孔直径），通过测得的光谱与辐照度加权后就得到光谱辐照度。角膜面的辐射通量直接测量获得，其他计算公式如下：

其中，E为角膜辐照度；Eλ为角膜光谱辐照度；Lλ为视网膜光谱辐亮度；L为视网膜加权光谱辐亮度； 为角膜面的辐射通量；A为瞳孔的面积；V (λ)为光谱函数；D为测量距离；R (λ)为视网膜热危害的修正函数。

结合视网膜热危害暴露限值的影响因素可知，影响视网膜热危害的因素包括波长、辐射时间、瞳孔直径和视网膜像等。波长和辐射时间主要影响视网膜热危害的限值和计算过程，在测量阶段，考虑人眼的光学结构及正常生理反应，影响因素归纳为工作距离、视场光阑、孔径光阑。

工作距离代表被测光源到人眼的距离，确定时主要是考虑人眼可正常成像的最近距离。对于正常人眼，最小的聚焦距离约为200 mm，根据研究，对于高度近视成人和小孩聚焦距离可能最小达到100 mm。在GB/T 20145-2016中规定测试距离为200 mm；ISO 15004-2:2007规定测试距离的值依据眼科仪器的正常使用位置。在本文的实验中工作距离分别采用200 mm和100 mm。

视场光阑模拟人眼的接收角，其大小主要受眼球运动的影响，与辐射时间有关。GB/T 20145-2006规定：辐射时间＜0.25 s时，视场的大小为0.0017 rad；辐射时间在0.25～10 s之间时，视场的大小为辐射时间的函数：视场角最大值为0.011 rad。在ISO 15004-2007中，由于眼科诊断过程中人眼固定、麻醉剂等限制了眼球的运动，规定预期用于非固定人眼的设备，接收角为0.011 rad，主要考虑一般的眼科检查过程均大于10 s；预期用于固定人眼的设备接收角为0.00175 rad，也就是对于固定人眼，无论观察时间长短，视网膜像点不会增大。

孔径光阑模拟人眼瞳孔直径，其大小主要受光源亮度的影响。在光源亮度逐渐增大的过程中瞳孔直接最小约为2 mm，在使用散瞳剂等情况下，瞳孔最大可能为8 mm。GB/T20145-2016规定，当亮度足够高（＞10 cd/m2）,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。

3 实验方案

由上可知：在实际应用过程中，由于个体的差异会使得聚焦距离的不同，一般而言，聚焦距离越近，视网膜受到的辐射越大；由于光源亮度的不同或者是否使用散瞳药物等因素，会使得在观察过程中人眼瞳孔直径是不同的，瞳孔越大进入人眼的光辐射越多，视网膜受到的辐射越大；由于观察时间长短或者眼球的状态（是否固定、是否麻醉）不同，视网膜像的尺寸也会变化，最终影响视网膜受到的辐射；同时，现行标准中还未完全采用国际非电离辐射防护委员会新版导则的热危害修正函数，这些条件的不同直接影响视网膜热危害的评估结果，为了验证测量距离、视网膜像的尺寸（视场光阑）、瞳孔直径（孔径光阑）、热危害修正函数对视网膜热危害评估结果的影响特设计了本实验方案。测量距离分别采用100 mm和200 mm。视场光阑主要是考量分别针对视场角0.011 rad和0.00175 rad。孔径光阑分别为2、3和7 mm。具体实验设计，见表1。

表1 实验设计

实验5和实验7的对比是验证测量距离对视网膜热危害评估结果的影响；实验1、3、5的对比是验证瞳孔直径（孔径光阑）对视网膜热危害评估结果的影响；实验1和实验2的对比是验证视网膜像的尺寸（视场光阑）对视网膜热危害评估结果的影响；所有条件下的测量分别采用新旧版本的热危害修正函数进行计算。

4 实验结果及讨论

在本文的实验中，实验对象是一个氙灯光源。在不同测量距离、瞳孔直径和视场角下，光谱形状是相同的，见图3。

图3 光谱图

暴露限值分别依据GB/T20145-2006和ISO15004-2:2007中视网膜热危害进行分类。测量条件依据GB/ T20145-2006、ISO15004-2:2007和国际非电离辐射防护委员会中的相关规定。具体结果，见表2，表2中L1代表采用GB/T20145-2006的热危害修正函数进行计算的，L2代表采用新版版的热危害修正函数，即ISO15004-2:2007和国际非电离辐射防护委员会2013年导则中给出的热危害修正函数。

表2 实验结果 [W/(m2×sr)]

从整体结果来看，条件1和条件6的测量数值差距最大，大概差距为133倍。可明显影响测量分类。

测量距离的影响：实验5和实验7的瞳孔直径和视场角均相同，测量距离不同。采用不同版本的R (λ)进行计算时，实验5和实验7的距离比值为2，采用新旧版本的热危害修正函数加权辐亮度比值分别为1.03、1.03。在视网膜加权辐亮度的测量过程中测量距离对于加权辐亮度的影响不大。

视场角的影响：实验1和实验2中测量距离和瞳孔直径相同，视场角不同，由表2可以看出视场角越小，加权视网膜辐亮度越大。对于一个非均匀光源而言，视场角越大，加权视网膜辐亮度就在一个较大的立体角内进行平均，而视场角越小，就会在一个较小的立体角内进行平均，会获得不均匀光源的极大值点。视场角对于加权辐亮度的影响也不存在固定的计算关系，与光源的不均匀程度相关。在本实验中，不同的视场角对于视网膜热危害评估结果的影响较大，实验 3 和实验 4 的对比、实验 5 和实 验 6 的对比均证明了这种影响。

瞳孔直径的影响：实验1、3、5中测量距离和视场角相同，瞳孔直径不同，由试验结果可以看出随着瞳孔直径的增加，被辐射面的辐射通量是增加的，对于均匀光源而言，辐射通量与瞳孔面积成正比，对于不均匀光源而言，这个比例关系不成立，随着瞳孔面积的增加，辐射通量小于均匀光源的增加量，见图4。

图4 辐射通量与瞳孔直径的线性关系

由于图4只是对辐射通量与瞳孔面积的线性关系进行说明，所以图中坐标是以相对量来表示。图中粗线表示辐射通量与瞳孔面积的线性关系，图中细线表示线性关系的基准。对于均匀光源而言，辐射通量与瞳孔面积成正比，但是对于非均匀光源，这个线性关系会受光源均匀程度的影响，对于常见中间亮边缘暗的非均匀光源，随着瞳孔面积的减小，辐射通量也会减小，相反地，辐射密度会增加。在本实验中，瞳孔直径对于最终结果的影响较大，测量结果大概相差4倍。

视网膜热危害修正函数R(λ)的影响：由表2中L1和L2数值的对比可以看出采用新版的修正函数后视网膜加权辐亮度的值均降低了。可以看到，对于本次实验中的白光光源在7次实验中采用不同R(λ)获得加权视网膜辐亮度的差距大概是0.5倍。

5 结论

从测量结果可以看出，测量距离对于视网膜热危害评估的影响较小，几乎可以忽略；采用新版的视网膜热修正函数R(λ)也会一定程度的影响加权视网膜辐亮度值；瞳孔直径和视场角对于视网膜热危害评估的影响较大，其影响程度与光源的均匀性相关，特别地，视场角对于测量结果的影响是最大的，由于在测量过程中视场光阑的直径大概是几毫米，因此需要确保视场光阑直径的准确性。在进行医用电气设备的视网膜热危害评估过程中，应该在结合人眼生理特性的前提下，科学确定评估方案。

当然，由于影响热损伤的因素多且复杂，而且很多因素的影响没有确切的数据支持，所以很难去规定一个规定的辐射限值来保护机体不发生热损伤，除非规定在最坏的情况下的限值，所以，目前标准中给出的限值都是最严厉的状况，针对特定情形，视网膜热危害的评估需要更多采用风险分析的方法来修正现有评估方案。

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本文编辑 袁隽玲

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

中国食品药品检定研究院中青年发展研究基金课题“医用LED设备光辐射危害评价与检测方法研究”（2015C01）。

本文作者：刘艳珍，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