医疗器械中LED光生物安全风险分析和评价
摘要：主要介绍了医疗器械领域中 LED光源的不同应用，分析了LED的光辐射生物效应及损伤机制，结合光生物安全风险分类，提出了不同医疗器械中应用LED光辐射安全等级分类的评价方法，对医疗器械产品中LED的安全应用提出了一些建议。
引言
LED光源（Light Emitting Diode）具有体积小、寿命长、发光效率高、耗电量少等优点，近年来，随着白光LED光源的技术进步，LED的应用呈现多样化，已成熟应用到工业、消费、科学和医疗等领域。在医疗领域，LED光源被广泛地应用于照明、诊断、治疗等器械中【1】。
1. 医疗器械中LED光源的应用
1.1 LED手术无影灯
手术无影灯是用来照明外科手术部位不可缺少的重要设备，要求能以最佳地观察处于切口和体腔中不同深度、大小、对比度低的物体。传统手术灯一般都采用卤素灯或高压汞灯， 但随着发光二极管LED 技术的不断发展， 特别是高亮度白光LED 的发展，LED 无影灯发光效率高、寿命长、热量小，逐渐替代了卤素光源手术灯，解决了传统手术灯存在的色温不可调、温升较高等缺点，成为手术室照明设备的一大亮点 。
1.2 LED荧光显微镜
荧光显微镜是免疫荧光细胞化学诊断的基本工具，具有敏感性高，特异性强的特点。传统荧光显微镜采用200W的超高压汞灯作光源，预热时间长、发热严重、发光寿命短，而采用单波段或多波段的 LED作为荧光光源，无需预热、发光强度稳定、荧光激光特性好，具有高压汞灯无可比拟的优点。
1.3 LED光谱治疗设备
光谱治疗是医疗器械物理治疗的重要方式之一，通过选择半导体材料的不同配比，可以制作出各个光谱的LED光源，从而得到所需的治疗波段。如LED蓝光治疗仪可以有效治疗新生儿黄疸，LED紫外光疗仪可以辅助治疗银屑病、白癜风等皮肤病，LED红蓝光治疗仪可以用于炎性痤疮的辅助治疗、促进皮肤伤口愈合。
光生物危害是指人体暴露在波长 200~3000 nm 范围的光辐射下时可能受到的非可逆性病变【2】。光辐射对人体的造成的损伤可以分为光化学损伤和热损伤两大类，光辐射引起的生物集体损伤程度与光源的波长、脉宽、聚焦尺寸、辐照强度、辐照时间等参数相关。光化学损伤主要取决于光辐射剂量（包括辐照强度和曝光时间），如受到蓝光辐射造成的光视网膜病变，视网膜光化学损伤的灵敏波长约为440nm，当视网膜在短时间内受到极亮的光照或长时间受到较弱的光照时，有可能会造成光视网膜病变。而光辐射造成的热损伤主要取决于被辐射组织的热传导效率，当光辐射强度较低时，被辐射组织可以将热量及时从周围传导出去，只有受到非常强烈的光辐射时才会造成组织凝固等热损伤。一些动物实验表明，通常需要至少达到45℃的温度才会造成热损伤。
眼睛和皮肤是最易受到光辐射危害的人体器官，过量光辐射可能造成的生物效应有：热辐射白内障、光致角膜炎、视网膜热损伤、紫外线白内障、紫外线皮肤红斑等等，光对眼睛和皮肤的危害随波长的变化而变化。每一种光生物效应都有其特定的作用光谱，其光生物危害的类型、损伤阈值和损伤机制随波长的不同而显著变化（见下表）【3】。
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部位
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损伤机制
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作用光谱
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眼睛
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角膜
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热损伤
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1400nm-1mm
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虹膜
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热损伤
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380nm-1400nm
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晶状体
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近红外热损伤
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800nm-3000nm
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视网膜
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热损伤
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380nm-1400nm
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蓝光光化学损伤
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380-550/300-550nm
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慢性强光照射引起的光化学损伤
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380-1400nm
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皮肤
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皮肤
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热损伤、烧伤
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380nm-1mm
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光敏损伤
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<380nm
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光过敏反应
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紫外线
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2.2 LED光辐射危害与激光辐射危害的区别
在早期，LED的光辐射危害被定义为与激光辐射相同，随着LED科技的进步和应用的推广，人们认识到应将LED光辐射危害与激光辐射区分开来，宽光谱照明安全标准中的光辐射安全要求更适用于LED。
由于各个波段的光辐射都可能引起光生物效应而带来光辐射危害，在同一光谱区域内，相同的暴露条件下（暴露对象、暴露区域、暴露时间）的光辐射危害是相似的。对于LED光源（宽光谱光源），需要考虑几种光辐射损伤类型的叠加效应，包括不同的波长、脉冲长度和光斑大小等因素；而对于单一波长的激光光源，主要需要考虑的是光路几何、暴露时间和对应波长的损伤类型及非线性效应【4】。对于高能量的激光光源，可能会产生皮肤、角膜或视网膜的热烧伤危害，而LED光源则极少会造成这种烧伤风险。
在确定的光谱区域，LED的光辐射限值与激光辐射限值是相似的。如在紫外波段对视网膜损伤危害方面，两者的暴露极限基本上是相等的，但是，由于激光辐射一般是小光源，而LED辐射是扩展光源，其辐射测量方式比激光辐射更为复杂，有可能会被漫射体或投影物镜改变，并且其光谱分布可能受辅助光学元件、漫散体、透镜等装置和操作方式的变化而影响，因此两者的限值计算方式不同，最终限值和单位均不相同。
大多数激光器发出的是一个极窄波长波段的强光，对其进行光生物安全风险评价时，并不需要详细了解光谱的输出。而对于LED这种宽光谱光源，需要对不同的光生物作用光谱的光辐射测量数据，再结合几何光路，对起光生物安全风险进行评价。
3. 医疗器械中LED光源的光生物安全风险评价
基于大量的动物学实验和现有的医学、生物学资料，ICNIRP导则【5】给出了各类损伤的辐暴限值和计算方式，是目前评价LED光源光生物安全风险的主要依据。
3.1 眼科器械中LED的光生物安全风险评价
人眼的构造类似于一个成像式光学系统，等效于空气中一个焦距17mm的透镜，根据人眼的光学参数和光源的辐射参数，可以计算出人眼角膜、虹膜、晶状体、视网膜各个位置接收到的辐射能量。
由于眼睛的敏感性高于皮肤，LED光源对眼睛的光生物安全风险程度比皮肤要高。2007年ISO/TC 172发布了ISO 15004-2：2007眼科仪器 基本要求和试验方法 第2部分：光危害防护【6】，这个标准用于评估医疗设备中LED光源可能对人眼造成的光生物危害，适用于所有直接照射人眼表面或眼内的眼科仪器，包括验光仪、角膜曲率计、裂隙灯显微镜、眼底照相机等。
根据ISO 15004-2综合评价人眼各部分受到了光源的辐射光强后，按照对眼睛是否存在潜在的光生物危害，可以将眼科仪器划分为1类仪器或2类仪器。其中，1类仪器对人眼造成的光辐射较小，被认为是无潜在危害存在的。而2类仪器被认为是存在潜在危害的眼科仪器，制造商需向操作者/使用者提供相对输出光谱图、潜在光辐射危害的最大时间信息和警告语等信息。一般来说，眼科手术显微镜、裂隙灯显微镜、间接检眼镜、眼内照明器等眼科仪器通常不可能是1类仪器。
3.2 非眼科仪器的光生物安全风险评价
对于其他含有LED光源的非眼科仪器，其光生物安全风险的考量可以按照GB/T 20145-2006《灯和灯系统的光生物安全性》标准的要求，在200mm的距离上进行光生物危害值的确定，在实验室条件下，测量医疗设备中LED的光化紫外辐射强度、近紫外辐射强度、蓝光辐射强度、视网膜热危害辐射强度、眼睛红外辐射强度等，对设备中的LED光源进行辐照测试和计算等系统性评价。按照GB/T20145的要求，将LED的光辐射危害的风险等级分为4类【7】：
无危险类——在极限条件下，光源不会造成任何光生物危害；
1类危险——低危险，对正常曝光条件下，光源不会产生光生物危害；
2类危险——中度危险，光源不会产生对强光和温度的不适反应的危害；
GB/T 20145的分类方法仅体现了LED光源可能存在的潜在光生物危害，该危害能否变成真正危害，还取决于LED的利用率、曝光时间、照明效果、操作方式等。根据GB/T20145确定的产品风险等级，制造商可以对产品的光辐射安全作出相应的防范措施。GB/T 30117.2-2013《灯和灯系统的光生物安全 第2部分 非激光光辐射安全相关的制造要求指南》中为制造商提供了几种防范措施，如可以通过限制曝辐时间、确定危害距离、增加警告等【8】，见下表。
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危险等级
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特定条件下评估的危险等级——观察者相关的危险
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非预期
短期
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预期
短期
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预期（可能）长期
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无危险类
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无危险类
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无危险类
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无危险类
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1类危险
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1类危险
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1类危险
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无危险类——通过接近举例或受控接触进行限制
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2类危险
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2类危险
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1类危险——通过接近距离或曝辐时间限制曝光或在规定区域使用该产品
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无危险类——通过接近举例或受控接触进行限制
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3类危险
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2类危险——通过接近距离或在规定区域使用该产品限制
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1类危险——通过接近距离和/或曝辐时间，或在规定区域使用该产品限制
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无危险类——通过接近举例或受控接触进行限制
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4. 结语
为了保证LED光源在医疗器械领域应用的安全性，在医疗器械研发、生产、检验、注册审评过程中均应关注LED光生物危害的安全风险，并对其进行风险控制和评价，以保证LED光源在医疗器械领域中的持续发展和安全应用。
【1】申高，LED在医疗领域的应用及适用标准探讨，照明工程学报，2015，第26卷第4期
【2】郭玮宏，蓝光危害及其测量方法，光源与照明，2018,2018年第1期
【3】张志军，任海萍，陈敏，等．医疗器械中 LED 光辐射危害评价的探讨．中国医疗设备，2013，28(07)
【4】GB 7247-2012，激光产品的安全 第1部分：设备分类、要求
【5】ICNIRP guidelines on limits of exposure to incoherent visible and infrared radiation: errata[J].Health Phys,2014,106(4):530-531.
【6】ISO 15004-2：2007 Ophthalmic instruments-Fundamental requirements and test methods
【7】GB/T 20145-2006，灯和灯系统的光生物安全性
【8】GB/T 30117.2-2013 灯和灯系统的光生物安全 第2部分 非激光光辐射安全相关的制造要求
来源：《中国医疗器械信息》2021年27期
