醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源對(duì)人眼的安全分類檢測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

摘 要：激光產(chǎn)品對(duì)人眼的危害等級(jí)主要取決于激光光源的物理參數(shù)、人眼組織的光譜吸收特性以及產(chǎn)品使用環(huán)境等因素。具體包括激光光源的工作波長(zhǎng)、發(fā)光模式、發(fā)射功率或發(fā)射能量、光束發(fā)散角、對(duì)人眼的表觀光源對(duì)向角以及發(fā)光持續(xù)時(shí)間等，同時(shí)又受到產(chǎn)品使用環(huán)境的影響，例如人眼觀察距離、觀察距離處的光斑大小及觀察距離處所接收到的激光功率或能量的大小等。本文選取了市面上一款785 nm工作波長(zhǎng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源，然后按照標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定的擴(kuò)展光源的評(píng)估方式，搭建出相應(yīng)的光路，對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源的表觀光源對(duì)向角和可達(dá)發(fā)射值進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源的安全等級(jí)分類及危害評(píng)估。

關(guān)鍵詞：激光產(chǎn)品，工作波長(zhǎng)，表觀光源對(duì)向角，可達(dá)發(fā)射值，醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.24.030

0 引 言

激光技術(shù)作為一項(xiàng)重大的科技成就，不僅為研究生命科學(xué)和疾病的發(fā)生、發(fā)展開辟了新的途徑，而且為臨床診治疾病提供了嶄新的手段，形成一門邊緣學(xué)科——激光醫(yī)學(xué)[1]。目前各種波長(zhǎng)激光在醫(yī)療領(lǐng)域已得到更加廣泛的應(yīng)用，由此也產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效應(yīng)[2]，然而在利用激光完成診斷和治療目的的同時(shí)，其激光生物效應(yīng)造成的副作用也應(yīng)被關(guān)注。激光生物效應(yīng)是一個(gè)或多個(gè)生物物理機(jī)制相互作用的結(jié)果，包括熱反應(yīng)與光化學(xué)相互作用的過程，以及非線性效應(yīng)[3]，這些物理或化學(xué)過程可能對(duì)眼睛和皮膚造成傷害。作為醫(yī)用激光產(chǎn)品，產(chǎn)品的安全性是不容忽視的重要環(huán)節(jié)。

目前，激光產(chǎn)品在使用過程中導(dǎo)致的激光輻射危害事故多發(fā)，尤其是醫(yī)用類激光產(chǎn)品在對(duì)人體進(jìn)行治療診斷的過程中，如何有效的管控對(duì)人眼的危害，針對(duì)上述問題，依據(jù)GB 7247. 1－2012 《激光產(chǎn)品的安全第一部分：設(shè)備分類、要求》 檢測(cè)了市面上銷售的785 nm醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源，給出了其對(duì)人眼危害的輻射等級(jí)。

1 檢測(cè)過程

1.1 待測(cè)樣品、檢測(cè)設(shè)備及光路搭建

（1）待測(cè)樣品：醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源（配導(dǎo)光束），設(shè)計(jì)波長(zhǎng)785 nm，發(fā)光模式為CW連續(xù)光，光束發(fā)散角90°，輸出光功率為2000 mW。

（2）檢測(cè)設(shè)備：光譜分析儀A v a S p e c -ULS4096CL，校準(zhǔn)參數(shù)Urel = 0.2 nm（k =2）；激光光束分析儀Ophir-SP920s，校準(zhǔn)參數(shù)Urel = 2%（k =2）；F35.85 mm準(zhǔn)直透鏡，光學(xué)有效焦距EFL相對(duì)偏差不超過±1%；F18 mm聚焦透鏡，光學(xué)有效焦距EFL相對(duì)偏差不超過±1%；激光功率計(jì)S470C，校準(zhǔn)參數(shù)U rel =1.6%（k =2）；Tektronix示波器MDO34，校準(zhǔn)參數(shù)U rel =1.5%（k =2）；Newport高速硅光電探測(cè)器，校準(zhǔn)參數(shù)U rel =0.1ns（k =2）。

（3）檢測(cè)工裝及工具：V型壓塊光學(xué)支架、φ7mm孔徑光闌、φ3.5 mm孔徑光闌、激光觀察卡、激光衰減器。

（4）依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 7247.1-2012中擴(kuò)展光源的評(píng)估條件，待測(cè)樣品的出射光為大發(fā)散角的發(fā)散光，并非點(diǎn)光源，并且冷光源的光線經(jīng)導(dǎo)光束出射，經(jīng)導(dǎo)光束的光線發(fā)生了全反射，所以將該樣品當(dāng)做復(fù)雜擴(kuò)展光源處理。然后在條件1、條件2、條件3下分別按照標(biāo)準(zhǔn)GB 7247.1-2012的圖3和圖5進(jìn)行表觀對(duì)向角和可達(dá)發(fā)射值的測(cè)試評(píng)估[4]。

條件1：樣品的表觀對(duì)向角α檢測(cè)。將激光冷光源的導(dǎo)光束出光端面安裝固定，沿著光路方向安裝F18 mm聚焦透鏡，保證導(dǎo)光束出光端面至聚焦透鏡的前表面頂點(diǎn)的水平距離為100 mm，緊貼透鏡正前方安裝φ50 mm的孔徑光闌。由于透鏡的通光孔徑及探測(cè)器的通光孔徑均小于50 mm，可以考慮不添加該孔徑光闌，如此操作不會(huì)對(duì)樣品表觀對(duì)向角的檢測(cè)產(chǎn)生影響（光路圖參考圖3，只需將聚焦透鏡正前方的孔徑光闌去掉即可）。然后在聚焦透鏡的正后方安放激光光束分析儀，用于檢測(cè)樣品發(fā)光端面經(jīng)聚焦透鏡成像后的光斑大小，并計(jì)算出激光冷光源的表觀對(duì)向角α。

樣品的可達(dá)發(fā)射值A(chǔ)E檢測(cè)：距離激光冷光源導(dǎo)光束端面100 mm的位置安放激光功率計(jì)，且在激光功率計(jì)探頭的表面增加φ50 mm的孔徑光闌，測(cè)量經(jīng)光闌后的激光功率。

條件2：樣品的表觀對(duì)向角α檢測(cè)。光路圖見圖1，將激光冷光源的導(dǎo)光束出光端面安裝固定，沿著光路方向依次安裝F35.85 mm準(zhǔn)直透鏡（φ7 mm光闌位于透鏡前表面）、F18 mm聚焦透鏡（φ3.5 mm光闌位于透鏡前表面）、激光光束分析儀，導(dǎo)光束端面位于準(zhǔn)直透鏡的光學(xué)后焦處，準(zhǔn)直透鏡像方主點(diǎn)至聚焦透鏡前表面頂點(diǎn)距離為100 mm，保證所有光學(xué)元件或儀器共軸，使用激光光束分析儀檢測(cè)樣品發(fā)光端面經(jīng)光路系統(tǒng)成像后的光斑大小，并計(jì)算出激光冷光源的表觀對(duì)向角α。

樣品的可達(dá)發(fā)射值A(chǔ)E檢測(cè)：將圖1中的激光光束分析儀替換為激光功率計(jì)，用于檢測(cè)樣品的可達(dá)發(fā)射值A(chǔ)E，測(cè)量激光功率的過程中，務(wù)必考慮激光衰減器和各透鏡的光透過率。

條件3：樣品的表觀對(duì)向角α檢測(cè)。光路圖見圖2，將激光冷光源的導(dǎo)光束出光端面安裝固定，沿著光路方向安裝F18 mm聚焦透鏡，保證導(dǎo)光束出光端面至聚焦透鏡的前表面頂點(diǎn)的水平距離為100 mm，緊貼透鏡正前方安裝φ7 mm的孔徑光闌，然后在聚焦透鏡的正后方安放激光光束分析儀，用于檢測(cè)樣品發(fā)光端面經(jīng)聚焦透鏡成像后的光斑大小，并計(jì)算出激光冷光源的表觀對(duì)向角α。

樣品的可達(dá)發(fā)射值A(chǔ)E檢測(cè)：光路圖見圖3，在距離激光冷光源出光端面100 mm處，安放φ7 mm的孔徑光闌，然后將激光功率計(jì)的探頭擺放在φ7 mm孔徑光闌的正后方，檢測(cè)此時(shí)激光冷光源的可達(dá)發(fā)射值A(chǔ)E。

1.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)

（1）確定待測(cè)樣品的基本參數(shù)

工作波長(zhǎng)λ：使用光譜分析儀檢測(cè)出待測(cè)樣品的峰值波長(zhǎng)為782 nm，光譜曲線見圖4。

光束發(fā)散：用激光觀察卡分別查看近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的激光光斑，從近場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)，光斑大小急劇變大，可證實(shí)該樣品的出射光束為大發(fā)散角光束，該內(nèi)窺鏡激光冷光源并非點(diǎn)光源，且光線經(jīng)過導(dǎo)光束全反射出射，初步判定該光源為復(fù)雜擴(kuò)展光源。

激光工作模式：用光電探測(cè)器和示波器檢測(cè)的光電信號(hào)波形是一條直線，即發(fā)光模式為CW連續(xù)波。

（2）在測(cè)試條件1、條件2、條件3下的檢測(cè)數(shù)據(jù)條件1：按照上述2.1中的光路搭建，檢測(cè)出的表觀對(duì)向角α為42.55 mrad，可達(dá)發(fā)射值A(chǔ)E為4.3 mW。

條件2：按照上述2.1中的光路搭建，檢測(cè)出的表觀對(duì)向角α為79.05 mrad，可達(dá)發(fā)射值A(chǔ)E為17.7 mW。

條件3：按照上述2.1中的光路搭建，檢測(cè)出的表觀對(duì)向角α為37.43 mrad，可達(dá)發(fā)射值A(chǔ)E為1.4 mW。

2 數(shù)據(jù)處理及激光安全等級(jí)判定由于該樣品的出光功率是2000 mW，先初步假設(shè)該醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源的輻射等級(jí)為3R類，然后分別確定在條件1、條件2、條件3下的如下參數(shù)：

（1）條件1

· 時(shí)間基準(zhǔn)t：根據(jù)GB 7247.1-2012的8.3條分類規(guī)則可知，時(shí)間基準(zhǔn)t=100 s。

· 可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ) E L ：根據(jù)上述2 . 2中的檢測(cè)結(jié)果可知，該光源為擴(kuò)展光源。按照G B 7 2 4 7.1-2 01 2中的3 R類擴(kuò)展光源的可達(dá)發(fā)射極限值表格8 可知該樣品的可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ) E L為3 . 5×10 -3C 4 C 6 C 7 T 2- 0 . 2 5 W（t ＞T 2）或3.5×10-3t0.75C4C6C7 J（t≤T 2）。

· 時(shí)間轉(zhuǎn)效點(diǎn)T2：樣品實(shí)測(cè)工作波長(zhǎng)782 nm，實(shí)測(cè)表觀對(duì)向角是42.55 mrad，按照GB 7247.1-2012中的表格10計(jì)算得出，T 2=26.11 s。

· 修正因子C4：樣品實(shí)測(cè)工作波長(zhǎng)782 nm，按照GB 7247.1-2012中的表格10計(jì)算得出C4=1.46。

· 修正因子C6：樣品實(shí)測(cè)表觀對(duì)向角為42.55mrad，按照GB 7247.1-2012中的表格10計(jì)算得出C6=28.37。

· 修正因子C7：樣品實(shí)測(cè)工作波長(zhǎng)782 nm，按照GB 7247.1-2012中的表格10得出C7=1。綜上，t =100 s，T 2=26.11 s，則t ＞T 2，可知該樣品在條件1下，當(dāng)t ＞T 2時(shí)，可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ) EL為3.5×10-3C4C6C7T2-0.25 W，將上述已知數(shù)據(jù)帶入該公式計(jì)算得出在條件1下，醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源的可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ)EL=64.13 mW。

（2）條件2

· 時(shí)間基準(zhǔn)：根據(jù)GB 7247.1-2012的8.3條分類規(guī)則可知，時(shí)間基準(zhǔn)t =100 s。

· 可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ) E L：根據(jù)上述2 . 2中的檢測(cè)結(jié)果可知，該光源為擴(kuò)展光源。按照G B7247.1-2012中的表格8可知該樣品的可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ)EL為3.5×10 -3C4C6C7T 2- 0. 2 5 W（t ＞T 2）或3.5×10-3t0.75C4C6C7 J（t≤T2）。

· 時(shí)間轉(zhuǎn)效點(diǎn)T2：樣品實(shí)測(cè)工作波長(zhǎng)782 nm，在條件2下的表觀對(duì)向角為79.05 m rad，按照GB7247.1-2012中的表格10計(jì)算得出，T 2=61.28 s。

· 修正因子C4：樣品實(shí)測(cè)工作波長(zhǎng)782 nm，按照GB 7247.1-2012中的表格10計(jì)算得出C4=1.46。

· 修正因子C6：樣品實(shí)測(cè)表觀對(duì)向角為79.05mrad，按照GB 7247.1-2012中的表格10計(jì)算得出C6=52.7。

· 修正因子C7：樣品實(shí)測(cè)工作波長(zhǎng)782 nm，按照GB 7247.1-2012中的表格10得出C7=1。

綜上，t =10 0s，T 2 = 61.28s，則t ＞T 2，可知該樣品在條件2下，當(dāng)t ＞T 2時(shí)，可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ)EL為3.5×10-3C4C6C7T2-0.25 W，將上述已知數(shù)據(jù)帶入該公式計(jì)算得出在條件2下，醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源的可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ)EL=96.25 mW。

（3）條件3

· 時(shí)間基準(zhǔn)：根據(jù)GB 7247.1-2012的8.3條分類規(guī)則可知，時(shí)間基準(zhǔn)t=100 s。

· 可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ) E L ：根據(jù)上述2 . 2中的檢測(cè)結(jié)果可知，該光源為擴(kuò)展光源，按照G B 7 2 4 7.1-2 01 2中的3 R類擴(kuò)展光源的可達(dá)發(fā)射極限值表格8 可知該樣品的可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ) E L為3 . 5×10 -3C 4 C 6 C 7 T 2- 0 . 2 5 W（t ＞T 2）或3.5×10-3t0.75C4C6C7 J（t≤T 2）。

· 時(shí)間轉(zhuǎn)效點(diǎn)T2：樣品實(shí)測(cè)工作波長(zhǎng)782 nm，在條件3下的表觀對(duì)向角分別是37.43 mard，按照GB7247.1-2012中的表格10計(jì)算得出，T 2=23.16 s。

· 修正因子C4：樣品實(shí)測(cè)工作波長(zhǎng)782 nm，按照GB 7247.1-2012中的表格10計(jì)算得出C4=1.46。

· 修正因子C6：樣品實(shí)測(cè)表觀對(duì)向角為37.43mrad，按照GB 7247.1-2012中的表格10計(jì)算得出C6=24.95。

· 修正因子C7：樣品實(shí)測(cè)工作波長(zhǎng)782 nm，按照GB 7247.1-2012中的表格10得出C7=1。

綜上，t =100 s，T 2=23.16 s，則t ＞T 2，可知該樣品在條件3下，當(dāng)t＞T 2時(shí)，可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ)EL為3.5×10-3C4C6C7T2-0.25 W，將上述已知數(shù)據(jù)帶入該公式計(jì)算得出在條件3下，醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源的可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ)EL=58.12 mW。

分別計(jì)算出了樣品在條件1、條件2、條件3下的3R類激光可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ)EL值，樣品在條件1、條件2、條件3下測(cè)得的可達(dá)發(fā)射值A(chǔ)E分別為4.3mW、17.7 mW、1.4 mW。在三個(gè)評(píng)估條件下，樣品的可達(dá)發(fā)射值A(chǔ)E均小于對(duì)應(yīng)條件下的3R類可達(dá)發(fā)射極限值A(chǔ)EL。所以將醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源的激光安全等級(jí)定為3R類。

3 結(jié) 語

激光對(duì)人眼的危害主要取決于激光的物理參數(shù)、人眼組織的生物特性，使用環(huán)境等因素。具體包括激光的波長(zhǎng)、發(fā)射能量或功率、發(fā)光模式、輸出方式，以及發(fā)光持續(xù)時(shí)間等，同時(shí)又受環(huán)境因素影響，例如觀察距離及觀察距離處的光斑大小等[5-6]。

本文對(duì)市面上一款醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源進(jìn)行了激光安全等級(jí)分類檢測(cè)及評(píng)估，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)搭建不同的光路，去實(shí)現(xiàn)對(duì)向角和可達(dá)發(fā)射值的檢測(cè)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理及分析，給出了醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源的激光安全等級(jí)為3R類。這類激光產(chǎn)品的輻射在直接光束內(nèi)視時(shí)可能超過人眼最大允許照射量，但是在大多數(shù)情況下?lián)p傷風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，損傷的風(fēng)險(xiǎn)性隨著照射持續(xù)時(shí)間的增加而增強(qiáng)，有意的人眼照射是最危險(xiǎn)的。3R類激光產(chǎn)品的激光束在可引起炫目、閃光盲和視后像，會(huì)引起安全問題。生產(chǎn)廠家需要按照標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡激光冷光源進(jìn)行安全分類，并張貼相應(yīng)的激光警告標(biāo)記及說明標(biāo)記，引導(dǎo)醫(yī)護(hù)工作者安全使用。

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作者簡(jiǎn)介

張歡歡，本科，光學(xué)工程師，主要從事光電信息工程相關(guān)的研究工作。

（責(zé)任編輯：張瑞洋）