醫(yī)用激光器重要安全參數(shù)的測量及計算

陳鳳萍 吉林省醫(yī)療器械檢驗所 （長春 130062）

0.引言

激光具有單色性好、相干性好、方向性好、亮度高的優(yōu)點，在信息技術(shù)、傳感、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，其中醫(yī)療是應(yīng)用激光技術(shù)最早、最廣泛和最活躍的領(lǐng)域之一[1]。激光技術(shù)不僅為研究生命科學(xué)開辟了新的途徑，還為保健和臨床診療提供了嶄新的手段，推動了人類科學(xué)技術(shù)進入新的發(fā)展階段。目前，激光已被廣泛應(yīng)用于外科、皮膚科、心血管、口腔牙科、眼科、心臟內(nèi)科、耳鼻喉科、腫瘤、泌尿科、光診斷以及光療技術(shù)等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

由于激光具有很高的能量密度，因此也會對人體產(chǎn)生很大的危害。人體受到激光輻射最主要的危害是激光意外暴露對眼睛產(chǎn)生的危害，當(dāng)激光功率很高時同樣會對皮膚產(chǎn)生危害。紫外輻射（180nm～400nm 波段）存在光化學(xué)作用，容易引起結(jié)膜炎癥或白內(nèi)障，高能激光輻射還可能在皮膚上產(chǎn)生誘導(dǎo)作用從而引起皮炎。波長在400nm～1mm（可見光到紅外光）范圍內(nèi)的激光輻射存在光熱作用，這會引起生物組織的溫度升高，長時間輻照將使蛋白質(zhì)變性。其中，波長在400nm～1400nm 范圍內(nèi)的輻射主要被投射到視網(wǎng)膜上從而引起損傷[2]，而波長大于1400nm 的激光造成的最大危害是致使角膜損傷。

雖然激光系統(tǒng)已長期應(yīng)用于醫(yī)學(xué)環(huán)境中，但在該環(huán)境下很多操作人員和患者并不都具備專業(yè)的激光防護觀念和安全意識。雖然制造商會根據(jù)激光器的波長和功率對激光產(chǎn)品進行簡單分類，但實際情形下制造商提供的這些信息并不足以定義這些激光器的危害等級。為更合理的對激光產(chǎn)品進行等級分類，世界各國都有對激光產(chǎn)品安全要求的標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)激光的輸出能量和引起損傷的能力來進行分類。為提高人們對激光輻射相關(guān)安全問題的關(guān)注以及對激光產(chǎn)品的潛在危害進行準(zhǔn)確分類，本文根據(jù)激光輻射安全標(biāo)準(zhǔn)給出了嚴(yán)格測量和計算激光醫(yī)療設(shè)備危害等級的方法，這可指導(dǎo)激光產(chǎn)品的制造廠商和用戶建立正確的工作程序，從而采取相應(yīng)的控制措施來保護人員免受激光輻射造成的危害。

1.激光安全標(biāo)準(zhǔn)和重要參數(shù)

我國現(xiàn)在執(zhí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)為GB7247.1-2012《激光產(chǎn)品的安全-第1 部分：設(shè)備分類、要求》和GB/T 7247.14-2012《激光產(chǎn)品的安全-第14部分：用戶指南》。

激光安全標(biāo)準(zhǔn)定義了三個重要參數(shù)：可達發(fā)射極限（AEL）、最大允許照射量（MPE）和標(biāo)稱眼危害距離（NOHD)，在激光產(chǎn)品出廠后需在激光器基本參數(shù)的基礎(chǔ)下，根據(jù)激光安全標(biāo)準(zhǔn)中的方法對AEL、MPE 和NOHD 這三個參數(shù)進行計算，從而更好地對激光器的危害等級進行分類。

AEL 是可達發(fā)射極限，它通常指激光通過一個特定光圈在特定距離和一定光譜范圍內(nèi)最長照射時間內(nèi)的最大功率或最大能量。IEC（國際電工委員會）標(biāo)準(zhǔn)IEC60825-1：2001 和GB 7247.1-2012 根據(jù)AEL 值將激光器劃分為7 個危害等級：1，1M，2，2M，3R，3B 和4[3～5]，其中1 類激光器的危害等最低級，4 類激光器的危害等級最高[6]。標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)激光器的波長范圍和發(fā)射持續(xù)時間給出了不同的AEL 值。

MPE 代表正常情況下人體受到激光照射下不會產(chǎn)生不良后果的激光輻射水平，它可以用最大允許輻照量H（J/m2）或最大允許輻照度E（W/m2）來表示。MPE 主要取決于激光輻射波長、照射時間或脈沖持續(xù)時間以及受照射組織的特性。非電離輻射防護的MPE 值被國際委員會（ICNIRP）確定[7]，一個特定型號的激光器的MPE 值代表了輻照度的最大值，這個值確保人眼和皮膚即使暴露在外面也不會受到短時或長時間的傷害。

NOHD 標(biāo)稱眼危害距離是指光束輻照度或輻照量等于相應(yīng)角膜的最大允許照射量（MPE）的距離。NOHD 主要取決于激光輸出特性、MPE、使用的光學(xué)系統(tǒng)類型和大氣對光束傳輸?shù)捻憫?yīng)。在距離激光源大于NOHD 的范圍對裸眼不會造成危害，但如果使用放大觀察光學(xué)輔助器時可能會有危害，此時就需要用“擴展標(biāo)稱眼危害距離”來表征。

為了計算NOHD，距離激光源r 處的輻照度E 可表式為：

式中假定激光光束為高斯分布，P0是連續(xù)激光器的總輻射功率（輻射通量）或脈沖激光器的平均輻射功率，r 表示光源與觀察者之間的距離，μ是對特定波長的大氣衰減系數(shù)，a 為光束直徑，? 為光束發(fā)散角，其中a 和? 是在光束剖面的1/e處測量的。實際上，僅有少數(shù)氣體激光器輸出的光束為理想的高斯分布，大多數(shù)固體激光器的輸出光束是多模結(jié)構(gòu)，多模光束雖然也可以近似認為是高斯分布的，但需引入k 因子，其值在1～2.5范圍內(nèi)，對于理想高斯光束k=1。式（1）中e-μr表示大氣衰減引起的損耗，對于大多數(shù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用來講μr 很小，e-μr≈1，因此（1）式可簡化為[4]

為了計算NOHD，用EMPE替代E，NOHD 替代r，對NOHD 求解，可得到表達式：

如果激光輸出后使用光學(xué)儀器觀看激光束，且光學(xué)儀器器是激光治療機的一個組成部分，NOHD 需用以下公式表示：

f 是焦距，d 是鏡頭處的光斑直徑。

2.幾種常用激光治療機安全參數(shù)的測量

在本論文研究中，根據(jù)我們的檢驗?zāi)芰?，著重于研究?dāng)前醫(yī)療領(lǐng)域所常用的激光器，選擇了He-Ne 激光器、Q 開關(guān)Nd：YAG 激光器和CO2激光器。它們的主要參數(shù)（波長λ，標(biāo)稱功率Pnom，脈寬Δt，重復(fù)頻率f，出射光束直徑a，光束發(fā)散角?）如表1 所示。

實驗采用的測量裝置如圖1 所示[8]，它包括激光器、模擬人眼瞳孔或皮膚部分的圓形光闌和測量光束通過光闌后功率的檢測器，當(dāng)從光闌射出的光斑大于檢測器透射窗口時還需采用聚焦透鏡。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 7247.1-2012 表8、表9 對連續(xù)He-Ne 激光器的AEL 值進行計算，確定分類。由表1 中參數(shù)可知，He-Ne 激光器的光束發(fā)散角為1mrad，為準(zhǔn)直性較好的光源，其輸出功率為30mW。選定一個類別3B 類并選擇合適的時間基準(zhǔn)100s，對于3B 類激光器，從標(biāo)準(zhǔn)GB 7247.1-2012 表9 中查出AEL=0.5W，由于激光器發(fā)射功率為30mW，沒有超過3B 類的AEL，所以可以把激光器分類為3B 類，然而沒有明顯的證據(jù)表明該產(chǎn)品不符合較低類別的要求，所以我們需要進一步計算從而確定更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆诸悺τ?R類產(chǎn)品，He-Ne 激光器波長為633nm，可以使用0.25s 時間基準(zhǔn)，從標(biāo)準(zhǔn)GB 7247.1-2012 表8 中可得AEL=5×10-3C6W,從標(biāo)準(zhǔn)GB 7247.1-2012 表10 可知，直接觀察準(zhǔn)直良好的激光束時，C6=1，即對向角α ≤αmin，于是AEL=5mW。由于He-Ne激光器的輸出功率為30mW，超出了3R 類AEL，但小于3B 類AEL，因此該激光器應(yīng)歸類為3B 類。采用相同的方法，得到三種激光器的分類如表2所示。

表1. 激光器主要參數(shù)

圖1. 激光輻射的實驗裝置示意圖 D：測量距離；A:光闌直徑

在計算人眼的MPE 值時，需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對不同激光器的照射持續(xù)時間進行選擇。3B 類He-Ne 激光器，由于其工作在可見光范圍內(nèi)并且非有意觀察，宜采用回避反應(yīng)（眨眼）限定的照射持續(xù)時間0.25s；Q 開關(guān)Nd:YAG 激光器，由于激光器工作在非可見光譜范圍，不能采取眨眼提供保護，因此意外傷害照射持續(xù)時間的合理估計值應(yīng)取10s；同理CO2激光器的照射持續(xù)時間也取10s。對于脈沖Nd:YAG 激光器，需先計算單脈沖的EMPE值，然后根據(jù)EMPE串=EMPE單×N-0.25計算MPE 值。當(dāng)計算皮膚MPE 值時，對于連續(xù)激光器應(yīng)選擇照射持續(xù)時間為100s，而脈沖式激光器的照射持續(xù)時間應(yīng)選為10s。MPE 值的計算參考標(biāo)準(zhǔn)GB7247.14-2012 中的表5、表6、表7和表8 的結(jié)果和公式，計算結(jié)果如表2 所示。

由于人眼調(diào)節(jié)的最短距離通常為100mm，所以測量激光器功率時取最小距離為100mm。在計算MPE 值后，需先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表A.4 對上述三種激光器選擇適當(dāng)?shù)目讖街睆紸（A眼睛和A皮膚），然后采用圖1 所述裝置，在D=100mm和A 固定的條件下測量每種激光器的功率，由平均功率除以光闌面積(S=π[A/2]2)即可得到輻照度E(W/m2)。

3.結(jié)果與討論

計算得到的MPE 值和激光器的危害等級如表2 所示，由表可見：Q 開關(guān)Nd:YAG 激光器的EMPE人眼值最小，說明這種激光器對眼睛的危害較大，它容易引起視網(wǎng)膜損傷；CO2激光器的EMPE皮膚值最小，說明其對皮膚傷害較大，皮膚表層組織容易吸收這種輻射而引起熱損傷，而它的EMPE人眼最大，這是因為波長小于400nm 或大于1400nm 的激光輻射幾乎全部被角膜吸收，不能到達視網(wǎng)膜，最大的危害是對晶狀體或角膜的損傷，所以它對眼睛的危害相對會小一些。計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)中所述的客觀事實相符。

在D=100mm 時對人眼和皮膚的安全參數(shù)進行測量，每種激光器的輸出功率P0、輻照度E人眼和E皮膚如表3 所示，通過與表2 中的EMPE人眼和EMPE皮膚比較，可發(fā)現(xiàn)E人眼都大于EMPE人眼，即測得的輻照度都超出了最大允許照射量，這對眼睛都會產(chǎn)生很大的危害。Nd:YAG 激光器和CO2激光器屬于4 類，E皮膚大于EMPE皮膚，對皮膚也有危害。因此，在衡量某種激光器對眼睛和皮膚的危害程度時不能只看激光功率和輻照度，要與最大允許照射量聯(lián)系起來進行評估。

根據(jù)公式（3）計算的NOHD 值同樣列于表3，為了更好的說明問題，我們還測量了CO2激光器在不同功率時的E 值，如表3 所示。由計算出的數(shù)據(jù)可知，這三種激光器的NOHD 值都不同，即使Q 開關(guān)Nd:YAG 激光器和CO2激光器都被分成4 類，但是它們的危害卻有很大差別。距二氧化碳激光器很遠距離（大于20m），即使激光器不在最高功率下工作，也非常危險，這進一步說明制造商所提供的激光器輸出功率及危害等級分類并不足以定義激光器的危害程度。為了保證醫(yī)用激光設(shè)備的操作者和患者的人身安全，必須測量和計算主要的安全參數(shù)，從而采取相應(yīng)的防護措施來避免傷害。

表2. 激光器的危害等級，A人眼, A皮膚, EMPE 人眼和EMPE 皮膚

表3. 在人眼和皮膚安全條件下測量的激光功率和輻照度的實驗數(shù)值及計算得出的NOHD 和OD 值。

當(dāng)醫(yī)用激光設(shè)備的操作者和患者在距離激光器大于NOHD 的區(qū)域是完全安全的，不需要采取額外的安全措施。但是，當(dāng)操作者和患者在距離激光器小于NOHD 的范圍內(nèi)，必須配戴針對特定波長和特定激光模式的激光防護眼鏡[9,10]。激光防護眼鏡一個重要的參數(shù)是光學(xué)密度(OD)。OD值取決于E人眼和EMPE人眼，表達式如下所示：

根據(jù)公式(5)計算了激光器E人眼>EMPE人眼時的OD 值，數(shù)據(jù)列于表3。

考慮到激光器對皮膚產(chǎn)生危害的評估，針對所研究的激光器在a=3.5mm，D=100mm 時測量的功率(Pmeas)和輻照度(E皮膚)同樣列于表3。

表3 給出P0和E皮膚(E皮膚=P0/S皮膚)，我們將輻照度和表2 所示的EMPE皮膚值比較，可以看出Nd:YAG 激光器和二氧化碳激光器都屬于4 類，對皮膚有危害。事實上，在這種測量條件下測得的所有E皮膚值都高于EMPE皮膚，所以在衡量一種激光器對眼睛和皮膚的危害時不能只看激光功率和輻照度，要與最大允許照射量聯(lián)系起來，采取更加安全的防護措施。

4.結(jié)論

在本文中，根據(jù)激光安全標(biāo)準(zhǔn)對目前廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的激光器的安全參數(shù)進行計算，更好的評估其危害水平。特別考慮了直接接觸意外輻射的情形，并利用標(biāo)準(zhǔn)中的公式計算人眼和皮膚的MPE 值，同時測量了激光輻照度。試驗結(jié)果表明制造商提供的信息并不足以定義這些激光器的危害等級，如果嚴(yán)格定義激光器的危害等級，必須計算AEL、MPE 和NOHD 等重要安全參數(shù)。激光輻射安全與防護是從事激光技術(shù)及其應(yīng)用的科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員都應(yīng)該首先認識并嚴(yán)格盡到注意責(zé)任的問題，是一切開展激光技術(shù)研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)。

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