上海市醫(yī)療器械化妝品審評(píng)核查中心 （上海 200020）

內(nèi)容提要：主要介紹醫(yī)療器械領(lǐng)域中LED光源的不同應(yīng)用，分析LED的光輻射生物效應(yīng)及損傷機(jī)制，結(jié)合光生物安全風(fēng)險(xiǎn)分類，提出不同醫(yī)療器械中應(yīng)用LED光輻射安全等級(jí)分類的評(píng)價(jià)方法，并對(duì)醫(yī)療器械產(chǎn)品中LED的安全應(yīng)用提出建議。

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）光源具有體積小、壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、耗電量少等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，隨著白光LED光源的技術(shù)進(jìn)步，LED的應(yīng)用呈現(xiàn)多樣化，已成熟應(yīng)用到工業(yè)、消費(fèi)、科學(xué)和醫(yī)療等領(lǐng)域。在醫(yī)療領(lǐng)域，LED光源被廣泛地應(yīng)用于照明、診斷、治療等器械中[1]。

1.醫(yī)療器械中LED光源的應(yīng)用

1.1 LED手術(shù)無(wú)影燈

手術(shù)無(wú)影燈是用來(lái)照明外科手術(shù)部位不可缺少的重要設(shè)備，要求能以最佳的照明狀態(tài)觀察處于切口和體腔中不同深度、大小、對(duì)比度低的物體。傳統(tǒng)手術(shù)燈一般都采用鹵素?zé)艋蚋邏汗療?，但隨著發(fā)光二極管LED技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是高亮度白光LED的發(fā)展，LED無(wú)影燈發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、熱量小，逐漸替代了鹵素光源手術(shù)燈，解決了傳統(tǒng)手術(shù)燈存在的色溫不可調(diào)、溫升較高等缺點(diǎn)，成為手術(shù)室照明設(shè)備的一大亮點(diǎn)。

1.2 LED熒光顯微鏡

熒光顯微鏡是免疫熒光細(xì)胞化學(xué)診斷的基本工具，具有敏感性高，特異性強(qiáng)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)熒光顯微鏡采用200W的超高壓汞燈作光源，預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)熱嚴(yán)重、發(fā)光壽命短，而采用單波段或多波段的LED作為熒光光源，無(wú)需預(yù)熱、發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定、熒光激光特性好，具有高壓汞燈無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 LED光譜治療設(shè)備

光譜治療是醫(yī)療器械物理治療的重要方式之一，通過(guò)選擇半導(dǎo)體材料的不同配比，可以制作出各個(gè)光譜的LED光源，從而得到所需的治療波段。如LED藍(lán)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(fēng)等皮膚病，LED紅藍(lán)光治療儀可以用于炎性痤瘡的輔助治療、促進(jìn)皮膚傷口愈合。

2.LED的光生物安全風(fēng)險(xiǎn)

2.1 光輻射的生物效應(yīng)及危害

光生物危害是指人體暴露在波長(zhǎng)200～3000nm范圍的光輻射下時(shí)可能受到的非可逆性病變[2]。光輻射對(duì)人體的造成的損傷可以分為光化學(xué)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(zhǎng)、脈寬、聚焦尺寸、輻照強(qiáng)度、輻照時(shí)間等參數(shù)相關(guān)。光化學(xué)損傷主要取決于光輻射劑量（包括輻照強(qiáng)度和曝光時(shí)間），如受到藍(lán)光輻射造成的光視網(wǎng)膜病變，視網(wǎng)膜光化學(xué)損傷的靈敏波長(zhǎng)約為440nm，當(dāng)視網(wǎng)膜在短時(shí)間內(nèi)受到極亮的光照或長(zhǎng)時(shí)間受到較弱的光照時(shí)，有可能會(huì)造成光視網(wǎng)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(dǎo)效率，當(dāng)光輻射強(qiáng)度較低時(shí)，被輻射組織可以將熱量及時(shí)從周圍傳導(dǎo)出去，只有受到非常強(qiáng)烈的光輻射時(shí)才會(huì)造成組織凝固等熱損傷。一些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，通常需要至少達(dá)到45℃的溫度才會(huì)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(guò)量光輻射可能造成的生物效應(yīng)有：熱輻射白內(nèi)障、光致角膜炎、視網(wǎng)膜熱損傷、紫外線白內(nèi)障、紫外線皮膚紅斑等，光對(duì)眼睛和皮膚的危害隨波長(zhǎng)的變化而變化。每一種光生物效應(yīng)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(jī)制隨波長(zhǎng)的不同而顯著變化（見(jiàn)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(qū)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(jìn)步和應(yīng)用的推廣，人們認(rèn)識(shí)到應(yīng)將LED光輻射危害與激光輻射區(qū)分開(kāi)來(lái)，寬光譜照明安全標(biāo)準(zhǔn)中的光輻射安全要求更適用于LED。

由于各個(gè)波段的光輻射都可能引起光生物效應(yīng)而帶來(lái)光輻射危害，在同一光譜區(qū)域內(nèi)，相同的暴露條件下（暴露對(duì)象、暴露區(qū)域、暴露時(shí)間）的光輻射危害是相似的。對(duì)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(yīng)，包括不同的波長(zhǎng)、脈沖長(zhǎng)度和光斑大小等因素；而對(duì)于單一波長(zhǎng)的激光光源，主要需要考慮的是光路幾何、暴露時(shí)間和對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的損傷類型及非線性效應(yīng)[4]。對(duì)于高能量的激光光源，可能會(huì)產(chǎn)生皮膚、角膜或視網(wǎng)膜的熱燒傷危害，而LED光源則極少會(huì)造成這種燒傷風(fēng)險(xiǎn)。

在確定的光譜區(qū)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(duì)視網(wǎng)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(kuò)展光源，其輻射測(cè)量方式比激光輻射更為復(fù)雜，有可能會(huì)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(xué)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(jì)算方式不同，最終限值和單位均不相同。

大多數(shù)激光器發(fā)出的是一個(gè)極窄波長(zhǎng)波段的強(qiáng)光，對(duì)其進(jìn)行光生物安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，并不需要詳細(xì)了解光譜的輸出。而對(duì)于LED這種寬光譜光源，需要對(duì)不同的光生物作用光譜的光輻射測(cè)量數(shù)據(jù)，再結(jié)合幾何光路，對(duì)起光生物安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.醫(yī)療器械中LED光源的光生物安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

基于大量的動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)、生物學(xué)資料，ICNIRP導(dǎo)則給出了各類損傷的輻暴限值和計(jì)算方式，是目前評(píng)價(jià)LED光源光生物安全風(fēng)險(xiǎn)的主要依據(jù)[5]。

3.1 眼科器械中LED的光生物安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

人眼的構(gòu)造類似于一個(gè)成像式光學(xué)系統(tǒng)，等效于空氣中一個(gè)焦距17mm的透鏡，根據(jù)人眼的光學(xué)參數(shù)和光源的輻射參數(shù)，可以計(jì)算出人眼角膜、虹膜、晶狀體、視網(wǎng)膜各個(gè)位置接收到的輻射能量。人眼成像與光源的關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1.人眼成像與光源的關(guān)系

由于眼睛的敏感性高于皮膚，LED光源對(duì)眼睛的光生物安全風(fēng)險(xiǎn)程度比皮膚要高。2007年ISO/TC 172發(fā)布了ISO 15004-2:2007《眼科儀器 基本要求和試驗(yàn)方法 第2部分：光危害防護(hù)》[6]，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用于評(píng)估醫(yī)療設(shè)備中LED光源可能對(duì)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(nèi)的眼科儀器，包括驗(yàn)光儀、角膜曲率計(jì)、裂隙燈顯微鏡、眼底照相機(jī)等。

根據(jù)ISO 15004-2綜合評(píng)價(jià)人眼各部分受到了光源的輻射光強(qiáng)后，按照對(duì)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(duì)人眼造成的光輻射較小，被認(rèn)為是無(wú)潛在危害存在的。而2類儀器被認(rèn)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(duì)輸出光譜圖、潛在光輻射危害的最大時(shí)間信息和警告語(yǔ)等信息。一般來(lái)說(shuō)，眼科手術(shù)顯微鏡、裂隙燈顯微鏡、間接檢眼鏡、眼內(nèi)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

對(duì)于其他含有LED光源的非眼科儀器，其光生物安全風(fēng)險(xiǎn)的考量可以按照GB/T 20145-2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》標(biāo)準(zhǔn)的要求，在200mm的距離上進(jìn)行光生物危害值的確定，在實(shí)驗(yàn)室條件下，測(cè)量醫(yī)療設(shè)備中LED的光化紫外輻射強(qiáng)度、近紫外輻射強(qiáng)度、藍(lán)光輻射強(qiáng)度、視網(wǎng)膜熱危害輻射強(qiáng)度、眼睛紅外輻射強(qiáng)度等，對(duì)設(shè)備中的LED光源進(jìn)行輻照測(cè)試和計(jì)算等系統(tǒng)性評(píng)價(jià)。按照GB/T20145的要求，將LED的光輻射危害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為4類[7]：①無(wú)危險(xiǎn)類——在極限條件下，光源不會(huì)造成任何光生物危害；②1類危險(xiǎn)——低危險(xiǎn)，對(duì)正常曝光條件下，光源不會(huì)產(chǎn)生光生物危害；③2類危險(xiǎn)——中度危險(xiǎn)，光源不會(huì)產(chǎn)生對(duì)強(qiáng)光和溫度的不適反應(yīng)的危害；④3類危險(xiǎn)——高危險(xiǎn)，光源在更短瞬間造成危害。

GB/T 20145的分類方法僅體現(xiàn)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(shí)間、照明效果、操作方式等。根據(jù)GB/T20145確定的產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，制造商可以對(duì)產(chǎn)品的光輻射安全作出相應(yīng)的防范措施。GB/T 30117.2-2013《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全 第2部分 非激光光輻射安全相關(guān)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(guò)限制曝輻時(shí)間、確定危害距離、增加警告等[8]。見(jiàn)表2。

表2.特定條件下評(píng)估的危險(xiǎn)等級(jí)——觀察者相關(guān)的危險(xiǎn)

4.小結(jié)

為了保證LED光源在醫(yī)療器械領(lǐng)域應(yīng)用的安全性，在醫(yī)療器械研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、注冊(cè)審評(píng)過(guò)程中均應(yīng)關(guān)注LED光生物危害的安全風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制和評(píng)價(jià)，以保證LED光源在醫(yī)療器械領(lǐng)域中的持續(xù)發(fā)展和安全應(yīng)用。