應(yīng)用于兒童的LED光源藍(lán)光危害評價(jià)方法研究

鄭 建 牟同升 何 濤

1(浙江大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，現(xiàn)代光學(xué)儀器國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310028)2(浙江省醫(yī)療器械檢驗(yàn)院，杭州 310009)3(浙江省醫(yī)療器械安全性評價(jià)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310009)

應(yīng)用于兒童的LED光源藍(lán)光危害評價(jià)方法研究

鄭 建1,2牟同升1*何 濤3

1(浙江大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，現(xiàn)代光學(xué)儀器國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310028)2(浙江省醫(yī)療器械檢驗(yàn)院，杭州 310009)3(浙江省醫(yī)療器械安全性評價(jià)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310009)

應(yīng)用對象為兒童的發(fā)光二級管(LED)光源的視網(wǎng)膜藍(lán)光傷害尚未形成成熟的評價(jià)方法體系，本研究提出一種考慮了兒童自身特性的藍(lán)光危害評價(jià)方法。通過將兒童眼睛生理結(jié)構(gòu)方面的光學(xué)特性、觀察光源時(shí)的心理行為特點(diǎn)引入到LED光源的藍(lán)光危害評價(jià)中，以應(yīng)用對象為成人的光源的光生物安全評價(jià)方法為基礎(chǔ)，結(jié)合差異因素引入修正因子并設(shè)定評價(jià)測試條件，選取3種不同顏色典型LED光源開展對比分析測試。測試結(jié)果表明，差異因素引入對于視網(wǎng)膜藍(lán)光傷害評價(jià)存在重大影響，可直接影響藍(lán)光LED視網(wǎng)膜傷害光生物安全危險(xiǎn)類別的變化；對于被測的綠光和紅光LED而言，其視網(wǎng)膜藍(lán)光危害的低風(fēng)險(xiǎn)類組曝輻值有400%的增幅。通過對比測試，驗(yàn)證了最不利觀察距離對于兒童光生物安全評價(jià)存在重大影響，眼睛平均透過率因素影響相對較小。但兩者的共同變化，將引起光生物安全分類或輻射值的顯著變化。因此，引入兒童與成人的差異因素建立應(yīng)用于兒童的視網(wǎng)膜藍(lán)光傷害光生物安全評價(jià)方法是必要和可行的。

發(fā)光二極管(LED)；視網(wǎng)膜藍(lán)光傷害；光生物安全

引言

隨著發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)技術(shù)的高速發(fā)展，使其具有壽命長、體積小、高亮度、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，并呈現(xiàn)出高光效、高亮度、大功率、高光通量的發(fā)展趨勢，使其在日常生活中的使用越來越普遍[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，市場上90%的光電玩具使用了LED。LED光源能量集中，在某些方面具有激光的相似特性，其光輻射對人眼的傷害不容小覷，它甚至可能對人眼造成永久性損害。當(dāng)該類光源應(yīng)用于兒童光電玩具、兒童臺(tái)燈和照明時(shí)，由于兒童具有天然的好奇心，對光源危害性的認(rèn)知能力不足，該類人群更易受到LED光輻射的傷害，因此，對應(yīng)用于兒童的LED光源的光生物安全性問題應(yīng)引起足夠的重視。

可見光LED光源對眼睛的光輻射危害主要有視網(wǎng)膜藍(lán)光危害和視網(wǎng)膜熱危害等類型。根據(jù)國內(nèi)外報(bào)道及對目前市場上LED產(chǎn)品的試驗(yàn)研究，現(xiàn)有LED產(chǎn)品在可見光和遠(yuǎn)紅外波段的輻射尚不足以造成明顯的視網(wǎng)膜熱傷害。因此，不考慮視網(wǎng)膜熱傷害和波長超過780 nm的紅外輻射傷害[2]。而波長主要介于400～500 nm波段輻照后引起的光化學(xué)作用即視網(wǎng)膜藍(lán)光危害，在LED光源的光輻射危害中起主要作用，且是熱損害機(jī)理的數(shù)倍之多。藍(lán)光危害可造成視網(wǎng)膜的退行性改變，形成光致視網(wǎng)膜炎,對人眼視網(wǎng)膜造成不可逆損傷，且能夠致盲[3-4]。 因此，視網(wǎng)膜藍(lán)光危害在LED光源的光生物安全評價(jià)研究中占據(jù)主導(dǎo)地位。

目前，對LED光源進(jìn)行光生物安全評價(jià)采用我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20145—2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》[5]，該標(biāo)準(zhǔn)等同轉(zhuǎn)化自國際照明委員會(huì)CIE S009/E[6]，適用于對所有非相干寬帶電光源，也包括LED但不包括激光，在200～3 000 nm波長范圍光學(xué)輻射的光生物危害的評估和控制。該標(biāo)準(zhǔn)中光生物危害的分類、曝輻限值、測試條件及方法的設(shè)定主要來自于國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)的導(dǎo)則，在上述導(dǎo)則中評價(jià)條件和參數(shù)均針對成年人眼而設(shè)定[4]。

國際上針對應(yīng)用對象為兒童的LED光源的藍(lán)光危害評價(jià)研究也正在進(jìn)行中，希望能夠建立專門適用于兒童的光生物安全的評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。英國健康防護(hù)所的專家Michael Higlett 等針對于玩具中的LED光源的光輻射安全評價(jià)開展了研究，其認(rèn)為2歲及以下的兒童的晶狀體的紫外透過率遠(yuǎn)高于2歲以上兒童，在藍(lán)光波段對嬰兒眼睛的光危害權(quán)重函數(shù)在靠近440 nm波段附近顯著增大?？紤]到對兒童的不利影響，認(rèn)為在紫外和可見波段的LED光輻射曝輻限值應(yīng)降低為成人的1/10[7]。

此外，在最新版的《ICNIRP非相干可見及紅外輻射曝輻限值導(dǎo)則》中也指出， 成年之前的兒童的眼睛光危害曝輻限值隨不同的光譜透過率和敏感性而修改[8-9]。

本課題研究LED的光生物安全性評價(jià)基于如下基本理念：模擬人眼在合理可預(yù)見的最不利條件下使用LED光源的情況，只有在該情況下是安全的，那么才是安全的。研究立足于將兒童眼睛生理結(jié)構(gòu)上的光學(xué)特性(主要為眼睛的平均光譜透過率)、最不利應(yīng)用距離(主要由眼睛聚焦近點(diǎn))以及兒童觀察光源時(shí)的心理行為特性的差異納入到應(yīng)用對象為兒童的LED光源的光生物安全評價(jià)中，提出納入上述差異后進(jìn)行修正的評價(jià)方法，并就此開展對比測試和分析，驗(yàn)證方法的必要性和合理性。

1 方法

1.1 GB/T 20145標(biāo)準(zhǔn)中的藍(lán)光危害評價(jià)方法

標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于視網(wǎng)膜藍(lán)光危害的評價(jià)規(guī)定如下：為了防止長期受到藍(lán)光輻射的視網(wǎng)膜產(chǎn)生視網(wǎng)膜光化學(xué)損傷，光源的光譜輻亮度與藍(lán)光危害函數(shù)B(λ)加權(quán)積分后的能量，即藍(lán)光加權(quán)幅亮度LB不應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，其公式如下：[5]

(1)

(2)

式中：Lλ(λ,t)為光譜輻亮度，w·m-2·sr-1·nm-1；B(λ)為藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)；Δλ為波長帶寬，nm；t為輻射持續(xù)時(shí)間，s。

通過測量并按照式(1)或式(2)計(jì)算待評價(jià)光源的藍(lán)光加權(quán)輻亮度值，并將其與視網(wǎng)膜藍(lán)光危害曝輻限值的比較，確定光源的的危險(xiǎn)分類。表1給出了藍(lán)光危害各危險(xiǎn)類的曝輻限值、視網(wǎng)膜藍(lán)光危害分類以及劃分為不同危險(xiǎn)類別的條件。

表1 視網(wǎng)膜藍(lán)光危害光生物安全分類[5]Tab.1 Classification of photobiological safety

1.2 應(yīng)用對象為兒童的LED光源的藍(lán)光生物安全性評價(jià)差異因素的引入

分析兒童與成人眼睛的差異因素，是建立應(yīng)用于兒童的LED光源藍(lán)光危害評價(jià)方法的關(guān)鍵。

1.2.1 兒童眼睛最不利觀察距離

在光生物安全評價(jià)中，視網(wǎng)膜光傷害與視網(wǎng)膜上聚焦像的大小密切相關(guān)，而聚焦像大小主要與觀察距離有關(guān)。對于成年人而言，人眼能夠聚焦的最小距離為10～20 cm。因此，GB/T 20145標(biāo)準(zhǔn)中選取了20 cm(即20歲左右正常成人的明視距離)作為測試時(shí)的觀察距離。

考慮兒童眼睛的屈光調(diào)節(jié)能力明顯強(qiáng)于成人(見表2)，其可以在視網(wǎng)膜清晰聚焦成像的最近距離，即近點(diǎn)距可達(dá)7 cm，同時(shí)考慮到好奇心以及缺乏閃避等自我保護(hù)行為，對于兒童其最不利條件下的應(yīng)用距離建議設(shè)定為7 cm，而不是激光光源評價(jià)時(shí)選取的10 cm[10]，也不是照明光源選取的20 cm的最不利條件距離。

1.2.2 兒童眼睛平均光譜透過率

人眼各組織的光輻射損傷主要由吸收進(jìn)入人眼后到達(dá)各組織(角膜、晶狀體、視網(wǎng)膜等)的有害光輻射引起，而最終到達(dá)視網(wǎng)膜的光輻射傷害，則來自于入射光輻射被視網(wǎng)膜前的眼組織吸收后透射的部分。不同年齡段人眼的平均透過率是存在明顯差異的(見圖1)，例如兒童與成人眼睛在300～350 nm及425～500 nm波段的吸收率存在差異，這將影響最終到達(dá)視網(wǎng)膜產(chǎn)生藍(lán)光危害的輻照量。

表2 不同年齡人員的近點(diǎn)距和眼睛極限調(diào)焦能力[11]Tab. 2 Near point distance and far point distance for different ages[11]

圖1 不同年齡人群人眼平均透過率[12]Fig.1 Human lens average transmittance[12]

基于上述分析，在光生物安全評價(jià)過程中，視網(wǎng)膜前的眼組織可以等效為透過率為T(λ)的“濾光片”。眼睛這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)可等效為由光源+濾光片(眼球組織)+光電接收器(視網(wǎng)膜)組成的模型，如圖2所示。

圖2 眼睛光輻射傷害等效模型Fig.2 Equivalent model of Eye for Optical radiation hazard

在進(jìn)行應(yīng)用于成人的LED光源評價(jià)時(shí)，“濾光片”的透過率為Tadult(λ)，此時(shí)的光輻射安全評價(jià)就可理解為：光源→透過率為Tadult(λ)濾波片→視網(wǎng)膜，相應(yīng)地，當(dāng)光源應(yīng)用對象為兒童時(shí)，理解為：光源→透過率為Tchild(λ)濾波片→視網(wǎng)膜。

因此，建立應(yīng)用于兒童眼睛光生物安全評價(jià)的方法時(shí)，將兒童與成人眼睛平均透過率相除形成修正因子Tchild(λ)/Tadult(λ)納入其中。此時(shí)，要對應(yīng)用于兒童的LED光源藍(lán)光危害安全性評價(jià)方法進(jìn)行修正：一是測試條件修正，測試距離，70 mm，其他測試條件同GB/T 20145標(biāo)準(zhǔn)；二是視網(wǎng)膜藍(lán)光危害加權(quán)光譜輻亮度公式修正。

根據(jù)前述兒童與成人眼睛平均透過率差異，定義如下修正因子：

(3)

故藍(lán)光危害評價(jià)視網(wǎng)膜加權(quán)輻亮度修正為

(4)

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)定

鑒于GB/T 20145標(biāo)準(zhǔn)中的評價(jià)方法的規(guī)定比較全面，此處不再贅述。本實(shí)驗(yàn)中采用的評價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)中方法的改進(jìn)之處，在于最不利觀察距離的選擇和兒童與成人眼睛透過率差異的引入，其他條件及影響因素均保持不變。為了對比測試的需要，實(shí)驗(yàn)按表3所示的4組測試條件組合進(jìn)行。

表3 測試條件分組Tab.3 Test conditions

1.3.2 實(shí)驗(yàn)思路及樣品選擇

在本實(shí)驗(yàn)中，對于同一待測樣品，分別根據(jù)上文規(guī)定的測試條件進(jìn)行對比測量，以條件1測試獲得的光源曝輻值及分類結(jié)果作為基準(zhǔn)，其他條件下的結(jié)果與之進(jìn)行比較，按如下方法分析：一是測試條件的改變，對于LED光源藍(lán)光危害加權(quán)輻亮度量值和安全分類類別的影響；二是比較納入考慮的差異因素對于LED光源的光輻射安全評價(jià)的影響程度。

為便于分析測試結(jié)果，定義用于表征其他測試條件下相對于條件1的曝輻量的相對變化量，有

(5)

式中，Lr1為條件1下的測試結(jié)果，Lrn為條件n下的測試結(jié)果。

本實(shí)驗(yàn)選擇了藍(lán)光、綠光、紅光3種不同顏色的典型LED光源進(jìn)行測量，同時(shí)也考慮了樣品光輻射危害值處于安全分類邊界附近，測試設(shè)備采用的光生物輻射安全測試系統(tǒng)見圖3，初始設(shè)定參數(shù)適用于應(yīng)用對象為成人的LED光源的藍(lán)光危害評價(jià)。當(dāng)進(jìn)行應(yīng)用對象為兒童的LED光源評價(jià)時(shí)，需通過更換成像亮度計(jì)的鏡頭使其聚焦范圍擴(kuò)展到7 cm(即最不利應(yīng)用距離)，測得的光譜輻亮度根據(jù)式(1)、(2)，納入透過率差異的修正因子t(λ)，從而計(jì)算獲得針對兒童計(jì)算藍(lán)光加權(quán)輻亮度LB，該加權(quán)輻亮度與對應(yīng)的曝輻限值比較獲得其對應(yīng)的光危險(xiǎn)分類。

圖3 光生物輻射安全測試系統(tǒng)Fig.3 Optical radiation safety evaluation system

2 結(jié)果

2.1 被測LED光譜分布、亮度分布及分類結(jié)果

圖4給出了藍(lán)色LED光源在20和7 cm處測試的光譜分布、亮度分布及分類結(jié)果。從結(jié)果可以看到，由于LED光源的光譜分布(見圖4(a))僅取決于自身發(fā)光特性，在不同距離不影響其光譜分布；其亮度分布隨測試距離不同，分布存在明顯差異；當(dāng)最不利應(yīng)用距離從20 cm調(diào)整為7 cm時(shí)，直接導(dǎo)致同一光源的安全分類發(fā)生變化(“低風(fēng)險(xiǎn)”到“中度風(fēng)險(xiǎn)”)，說明最不利應(yīng)用距離的改變，將直接影響光源的分類結(jié)果。圖4(a)表示了被測的藍(lán)色LED光源的光譜分布，峰值說明該LED輻射光譜的輻照度峰值位于450 nm附近，其能量主要集中在該峰值波長附近，分布在400～520 nm附近，即該LED光源發(fā)射的是藍(lán)色光。

圖4 被測藍(lán)色LED光源的光譜分布、亮度分布和分類結(jié)果。(a)20和7 cm處光譜分布；(b)20 cm(左)和7 cm(右)處亮度分布；(c)20 cm(左)和7 cm(右)藍(lán)光危害分類結(jié)果Fig.4 The distribution of spectral and radiance, classification result.(a)Spectral distribution with distance at 20 cm and 70cm；(b)Distribution of radiance with distance at 20 cm(left)and 70 cm(right)；(c)Classification result with distance at 20 cm(left)and 70 cm(right)

2.2 視網(wǎng)膜藍(lán)光傷害加權(quán)輻亮度值LB測量結(jié)果

表4給出了在4種條件下的視網(wǎng)膜藍(lán)光傷害的RG0、RG1和RG2分類測試值及分類結(jié)果。

表4 藍(lán)光傷害加權(quán)輻亮度測試結(jié)果及分類Tab.4 LB results of different conditions and classifications

在視網(wǎng)膜藍(lán)光評價(jià)中，藍(lán)色、綠色、紅色LED的RG0、RG1、RG2測量結(jié)果表明，隨著條件1～4的變化，其視網(wǎng)膜輻亮度值均一致正向增大，但以藍(lán)色增幅尤為明顯。

被測藍(lán)光LED在測試距離發(fā)生變化(即采用兒童最不利觀察距離)時(shí)，其安全分類發(fā)生重大改變。分析同一樣品在不同測試條件下的輻亮度值變化發(fā)現(xiàn)，測試距離的變化帶來的影響最顯著。

3 討論

3.1 最不利應(yīng)用距離對光生物安全分類的影響

被測藍(lán)光LED在按照成人應(yīng)用目的試驗(yàn)條件下進(jìn)行的藍(lán)光危害評價(jià)時(shí)，被認(rèn)為是屬于危害等級RG1(低危險(xiǎn)組)；而在納入兒童的差異因素后(尤其是采用70 mm作為最不利應(yīng)用距離)，其危害等級上升為RG2(中度危險(xiǎn)組)。被測的綠光LED和紅光LED在考慮差異因素后，雖未導(dǎo)致其本身安全分類變化，但在RG1(低危險(xiǎn)組)的分類測試時(shí)，其加權(quán)輻亮度值增幅達(dá)400%甚至更大，其安全風(fēng)險(xiǎn)顯著增大。

3.2 平均透過率改變對兒童眼睛光安全的影響

在僅將兒童眼睛與成人眼睛的平均透過率差異因素納入考慮后進(jìn)行視網(wǎng)膜藍(lán)光危害評價(jià)時(shí)，3種顏色的LED光源的危害分類等級沒有發(fā)生變化，但相較于條件1的結(jié)果而言，藍(lán)色和綠色LED光源輻亮度值均有10%-20%的變化，紅色變化不超過5%，這說明僅透過率變化時(shí)，對LED光源的藍(lán)光危害加權(quán)輻亮度值影響較小，但對于輻射值處于分類曝輻限值附近的，該變化可能引起分類結(jié)果的變化。

3.3 光生物安全與被測光源顏色存在一定關(guān)系

對于不同顏色的光源在同等的對比測試條件下，其視網(wǎng)膜藍(lán)光傷害加權(quán)輻亮度值的變化幅度并不一致，揭示了視網(wǎng)膜藍(lán)光傷害與光源顏色(即光譜分布)存在一定的相關(guān)性。

3.4 兒童眼睛差異因素納入后的結(jié)果討論

通過在不同條件下進(jìn)行同一LED光源的視網(wǎng)膜藍(lán)光危害的對比測試和分析表明，兒童眼睛聚焦能力及心理特點(diǎn)引發(fā)的最不利觀察距離的變化和眼睛的平均透過率差異，對應(yīng)用于兒童的LED光源的視網(wǎng)膜藍(lán)光危害評價(jià)產(chǎn)生重大影響，并可能導(dǎo)致按照成人應(yīng)用時(shí)的評價(jià)認(rèn)為是安全的，對兒童應(yīng)用可能是不安全的或風(fēng)險(xiǎn)成倍地顯著增大。從影響因素的對比測試看，兒童與成人眼睛的平均透過率差異對視網(wǎng)膜藍(lán)光傷害評價(jià)的影響較小。

4 結(jié)論

本研究通過對兒童與成人在眼睛生理光學(xué)特性和心理行為特性差異的分析，并將該差異納入到LED光源的視網(wǎng)膜藍(lán)光危害評價(jià)中，提出經(jīng)過修正后的評價(jià)方法建議，通過選取藍(lán)、綠、紅三色LED光源進(jìn)行對比測試實(shí)驗(yàn)，反映了“最不利觀察距離”因素在兒童的光生物安全評價(jià)中影響顯著，且可導(dǎo)致光源本身安全分類的改變，而“眼睛平均透過率”因素影響相對較小。但兩者的共同變化，將顯著引起光安全分類或輻射值的重大變化，通過對比測試試驗(yàn)也驗(yàn)證了建立應(yīng)用于兒童的光生物安全評價(jià)方法的必要性和可行性。

綜上所述，為確保兒童使用LED光源時(shí)的光生物安全性，應(yīng)基于兒童與成人群體的生理和心理行為特性差異來修正評價(jià)方法，建立專用于兒童的視網(wǎng)膜藍(lán)光危害光生物安全評價(jià)方法。

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light emitting diode(LED); retinal blue light hazard; photobiological safety evaluation

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 04.014

2015-01-30， 錄用日期:2016-05-10

TH74

D

0258-8021(2016) 04-0487-05

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: zhj-shmt@163.com