留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

新生儿黄疸治疗仪光源的光生物安全

张佳宁 郭震宁 林介本 李建鹏 黄婷 黄学铃

张佳宁, 郭震宁, 林介本, 李建鹏, 黄婷, 黄学铃. 新生儿黄疸治疗仪光源的光生物安全[J]. 中国光学, 2017, 10(4): 499-506. doi: 10.3788/CO.20171001.0499
引用本文: 张佳宁, 郭震宁, 林介本, 李建鹏, 黄婷, 黄学铃. 新生儿黄疸治疗仪光源的光生物安全[J]. 中国光学, 2017, 10(4): 499-506. doi: 10.3788/CO.20171001.0499
ZHANG Jia-ning, GUO Zhen-ning, LIN Jie-ben, LI Jian-peng, HUANG Ting, HUANG Xue-ling. Photobiological safety of light source of neonatal jaundice therapeutic device[J]. Chinese Optics, 2017, 10(4): 499-506. doi: 10.3788/CO.20171001.0499
Citation: ZHANG Jia-ning, GUO Zhen-ning, LIN Jie-ben, LI Jian-peng, HUANG Ting, HUANG Xue-ling. Photobiological safety of light source of neonatal jaundice therapeutic device[J]. Chinese Optics, 2017, 10(4): 499-506. doi: 10.3788/CO.20171001.0499

新生儿黄疸治疗仪光源的光生物安全

doi: 10.3788/CO.20171001.0499
基金项目: 

福建省科技计划引导性重点项目 2016H0022

泉州市科技计划项目 2015TZ31

泉州市科技计划项目 2016T002

南安市科技计划重点项目 G20121

华侨大学研究生科研创新能力培育计划资助项目 1511301014

详细信息
    作者简介:

    张佳宁(1992-), 女, 内蒙古通辽人, 硕士研究生, 主要从事LED照明与光学设计方面的研究。E-mail:1779718155@qq.com

    郭震宁(1958-), 男, 福建莆田人, 博士, 教授, 硕士生导师, 1982年于福州大学获得学士学位, 1991年于华北光电技术研究所获得硕士学位, 2001年于天津大学获得博士学位, 主要从事光电子材料与器件、半导体照明技术方面的研究

    通讯作者: 郭震宁, E-mail:znguo@hqu.edu.cn
  • 中图分类号: 0433.1;0433.4

Photobiological safety of light source of neonatal jaundice therapeutic device

Funds: 

the Guided Key Projects of Science and Technology Plan of Fujian Province 2016H0022

Science and Technology Planning Project of Quanzhou City 2015TZ31

Science and Technology Planning Project of Quanzhou City 2016T002

Science and Technology Planning Project of Nan′an City G20121

Huaqiao University Scientific Research Innovation Ability Project for Postgraduates 1511301014

More Information
图(7) / 表 (3)
计量
  • 文章访问数:  648
  • HTML全文浏览量:  103
  • PDF下载量:  540
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-02-24
  • 修回日期:  2017-04-05
  • 刊出日期:  2017-08-01

新生儿黄疸治疗仪光源的光生物安全

doi: 10.3788/CO.20171001.0499
    基金项目:

    福建省科技计划引导性重点项目 2016H0022

    泉州市科技计划项目 2015TZ31

    泉州市科技计划项目 2016T002

    南安市科技计划重点项目 G20121

    华侨大学研究生科研创新能力培育计划资助项目 1511301014

    作者简介:

    张佳宁(1992-), 女, 内蒙古通辽人, 硕士研究生, 主要从事LED照明与光学设计方面的研究。E-mail:1779718155@qq.com

    郭震宁(1958-), 男, 福建莆田人, 博士, 教授, 硕士生导师, 1982年于福州大学获得学士学位, 1991年于华北光电技术研究所获得硕士学位, 2001年于天津大学获得博士学位, 主要从事光电子材料与器件、半导体照明技术方面的研究

    通讯作者: 郭震宁, E-mail:znguo@hqu.edu.cn
  • 中图分类号: 0433.1;0433.4

摘要: 为了研究不同黄疸治疗仪光源的发光光谱对新生儿产生紫外辐射、热辐射等潜在的光生物安全问题,本文利用光辐射安全测定系统OST-300对传统蓝光荧光灯、普通蓝光LED灯以及经简单遗传算法计算与拟合的蓝光LED灯进行了测试与对比分析。实验结果表明:传统蓝光荧光灯在315,330,365 nm的紫外光处有明显的波峰出现,且峰值波长在365 nm处较为明显;传统蓝光荧光灯在老化后其蓝光光谱光衰严重,且存在大量的红外光线;而基于简单遗传算法计算与拟合的蓝光LED发光光谱与体内胆红素的吸收光谱相吻合,能避免对新生儿的光辐射危害。因此,本文提出的蓝光LED是治疗新生儿黄疸的理想光源。

English Abstract

张佳宁, 郭震宁, 林介本, 李建鹏, 黄婷, 黄学铃. 新生儿黄疸治疗仪光源的光生物安全[J]. 中国光学, 2017, 10(4): 499-506. doi: 10.3788/CO.20171001.0499
引用本文: 张佳宁, 郭震宁, 林介本, 李建鹏, 黄婷, 黄学铃. 新生儿黄疸治疗仪光源的光生物安全[J]. 中国光学, 2017, 10(4): 499-506. doi: 10.3788/CO.20171001.0499
ZHANG Jia-ning, GUO Zhen-ning, LIN Jie-ben, LI Jian-peng, HUANG Ting, HUANG Xue-ling. Photobiological safety of light source of neonatal jaundice therapeutic device[J]. Chinese Optics, 2017, 10(4): 499-506. doi: 10.3788/CO.20171001.0499
Citation: ZHANG Jia-ning, GUO Zhen-ning, LIN Jie-ben, LI Jian-peng, HUANG Ting, HUANG Xue-ling. Photobiological safety of light source of neonatal jaundice therapeutic device[J]. Chinese Optics, 2017, 10(4): 499-506. doi: 10.3788/CO.20171001.0499
    • 新生儿黄疸是一种因新生儿体内胆红素代谢异常而引起血液中总胆红素水平升高,继而出现皮肤、黏膜及巩膜黄染的现象。病理性黄疸可导致神经细胞中毒性病变,严重影响新生儿的中枢神经系统,进而直接威胁新生儿的生命[1]。光照治疗是目前已被医学界公认的治疗黄疸病的最快速、最有效的治疗方法。光照治疗的机理是,体内高未结合胆红素吸收光线后经氧化及异构化作用而产生无毒的水溶性双吡咯,经胆汁、尿液排出体外,从而降低新生儿体内的总胆红素含量。黄疸治疗仪是治疗黄疸的医疗器械,其常用的光源主要包括卤素灯、荧光灯、发光二极管(LED)等。由于卤素灯的使用寿命短,发光效率低,且属于热光源,会对婴儿皮肤产生热伤害,已逐渐被淘汰。目前用于黄疸治疗的光源主要是传统的蓝光荧光灯和蓝光LED。但是他们的发光光谱只有一部分符合体内胆红素的吸收光谱,并不是治疗黄疸的理想光源。Gan等[2-3]利用光谱匹配技术得到了一种新的LED光源,其发光光谱与体内胆红素吸收光谱的相对误差较小,在对胆红素的光降解方面更具优势,是黄疸治疗仪的理想光源。

      新生儿黄疸病患者在接受光照治疗时会产生不同程度的副作用。有学者通过对比实验发现,黄疸病患者在使用蓝光LED治疗仪进行光疗时的副作用较小,而采用传统蓝光荧光灯治疗仪进行光疗时,副作用较多,患者会出现体温升高、皮疹、皮肤失水等不良反应[4-6]

      目前还鲜有学者对黄疸治疗仪的光生物安全问题进行研究,而该问题在患儿光疗过程中尤为重要。光生物安全主要是指光辐射对人体造成的伤害,伤害主要发生在眼睛和皮肤上,而新生儿黄疸病患者在接受光照治疗时会用特殊眼罩将眼睛遮盖以避免受到伤害,因此本文仅针对皮肤的光辐射危害进行研究。

    • 近年来,光学仪器在医疗领域得到了越来越广泛的应用,黄疸治疗仪就是其中之一。随着医疗水平的不断进步,黄疸治疗仪的光源也在不断更新,从卤素灯到荧光灯,再到目前广泛应用的LED光源,不同光源的光生物安全性也逐渐被更多的人关注。不同波长范围、不同剂量的光辐射对皮肤具有不同的穿透能力(如图 1所示[7]),会产生不同的生物效应,进而产生不同的光生物安全问题。

      图  1  不同波长的光对皮肤的穿透能力

      Figure 1.  Ability of different wavelength of light to penetrate the skin

    • 紫外线的照射会引起免疫抑制[8]。新生儿的皮肤比较娇嫩,对紫外线比较敏感,因此需要注意保护,以免受到紫外线的照射。如果新生儿黄疸病患者在接受光照治疗时长期接受紫外线的照射,会造成体内免疫力低下,易受到细菌、病毒、真菌等的感染,从而对黄疸病患者产生很大的负面影响。

      为了保护眼睛或皮肤不受宽带光源产生的紫外辐射的损伤,光源的有效积分光谱辐照度不应超过由公式(1) 定义的限值:

      (1)

      式中,Es为皮肤光化学紫外危害;Eλ(λ, t)为光谱辐照度(W·m-2·nm-1);SUV(λ)为光化学紫外危害加权函数;Δλ为波长带宽(nm);t为辐射持续时间(s)。

    • 新生儿皮肤脆弱,在红外线的照射下容易产生热损伤。红外线辐照会使皮肤发生氧化应激反应[9]。氧化应激是由自由基在体内产生的一种负面作用,并被认为是导致衰老和疾病的一个重要因素。长期的红外线照射会使新生儿体温升高,破坏其体内环境的稳定,对其身体健康造成一定伤害。

      可见光和红外辐射(380~3 000 nm)对皮肤的辐照应被限值,见公式(2):

      (2)

      式中,EH为皮肤热危害。这里的曝辐限值是皮肤因机体组织温度升高而导致的损害。在国家标准GB/T 20145—2006《灯和灯系统的光生物安全性》中,不提供辐照时间大于10 s的曝辐限值。由于新生儿患者需要接受长时间的光照治疗,所以本文只是评价光源的危害性,并不拿来作为标准。

      综上所述,新生儿如果长期受到紫外、红外光线的照射,会给其身体健康造成较大伤害。患者在接受光照治疗时除了接受必要的蓝光照射外,应尽量避免紫外、红外光线的照射。在现有的黄疸治疗仪中,蓝光LED光源属于窄波段光源,除含有有效降解胆红素的蓝光外,不含紫外、红外光线。而传统蓝光荧光灯光源除了含有蓝光外,还含有部分紫外、红外光线,在黄疸病患治疗过程中会产生较多副作用。

      新生儿具有有限的抗氧化保护能力,氧化损伤在新生儿时期会引发许多疾病。Yusuf Kale等[10]发现传统蓝光荧光灯在治疗新生儿黄疸时会产生氧化应激反应,破坏新生儿的氧化/抗氧化防御系统,而使用蓝光LED进行光照治疗的患者,其氧化/抗氧化防御系统不会被破坏。

      相比于传统的荧光灯,蓝光LED具有许多优点,如发光效率高,发光光谱窄,功耗低[11],无紫外、红外光线,符合体内胆红素的吸收光谱。这些优点使得蓝光LED能够有效、快速地降低患儿体内的胆红素含量,且产生相对较小的副作用,不会对患者的身体健康产生影响,是目前黄疸治疗仪的有效光源。

      目前,在售的蓝光LED光谱也有所差异,其峰值波长在460~475 nm范围内,虽然能够有效降低体内的总胆红素含量,但其发光光谱并不能完全符合体内胆红素的吸收光谱,不能使胆红素的降解率达到最大。因此,找到一种光源,使其发光光谱完全符合体内胆红素的吸收光谱,对黄疸的治疗来说意义重大。利用LED发光光谱波段窄、体积小、可操作性强等优点[12],对不同峰值波长和半高宽的LED进行光谱构造,能够得到一种新的治疗黄疸的光源。Gan等[2-3]通过光谱匹配得到了一种比较适合黄疸光疗仪的光源,其课题组将体内胆红素的吸收光谱作为目标光谱,利用简单遗传算法将在售的不同峰值波长和半高宽的LED进行光谱匹配,得到了一种治疗新生儿黄疸的新型光源。该光源的发光光谱与体内胆红素的吸收光谱的相对误差较小,对胆红素的降解更具优势,比普通蓝光LED光源更适合作为黄疸光疗仪的光源。

    • 实验设备采用杭州远方光电信息股份有限公司的光辐射安全测定系统OST-300(如图 2所示,其光谱测量范围为200~800 nm)以及北京师范大学光电仪器厂的蓝光辐照计测光仪器。测试条件:测量环境为标准暗室,以防止外界光线干扰测试结果;供电电压为经过稳压的市电220 V交流电;环境温度为25 ℃。

      图  2  光生物安全实验设备

      Figure 2.  Experimental equipment of photobiological safety

      实验选取的样品有:样品1(记为S1),为国际某知名品牌传统蓝光荧光灯;样品2(记为S2),为市场上某品牌普通蓝光LED灯;样品3(记为S3),为市场上某品牌聚光型普通蓝光LED灯;样品4,为本课题组根据临床体内胆红素吸收光谱采用简单遗传算法获得的有效作用光源蓝光LED灯(特殊蓝光LED灯)。样品1、样品2、样品4均为G13灯头的0.6 m T8灯管,样品3为高效聚光型E27灯头的黄疸理疗灯。

      测试时,参考光生物安全的测试标准,将待测光源移至距探头200 mm处或者照度达到500 Lx处,并使待测光源照度稳定后进行光谱辐射测试,记录样品的光谱数据和辐射参数。另外,在辐照度为200 μW/cm2时,对样品光源进行光谱辐射测试,并记录样品的辐射参数。

    • 对样品进行测试后,将样品1、样品2、样品3、样品4的发光光谱与体内胆红素的吸收光谱(Action,也称作用光谱,由斯坦福大学医学院的Angelo A. Lamola教授提供)数据进行对比,如图 3所示。

      图  3  4种样品的发光光谱与体内胆红素吸收光谱

      Figure 3.  Luminescence spectra of four kinds of samples and absorption spectra of bilirubin in vivo

      图 3可以发现:(1) 传统蓝光荧光灯的峰值波长为435 nm,半高宽为45 nm;普通蓝光LED灯管的峰值波长为450 nm,半高宽为25 nm;普通聚光型蓝光LED的峰值波长为460 nm,半高宽为30 nm;特殊蓝光LED的峰值波长为470 nm,半高宽为50 nm;体内胆红素吸收谱的峰值波长为476 nm,半高宽为48 nm。(2) 传统蓝光荧光灯与普通蓝光LED灯的峰值波长远远小于体内胆红素吸收谱的峰值波长,其发光光谱只有一部分符合体内胆红素的吸收谱,特别是传统蓝光荧光灯的发光光谱,只有一小部分的光谱符合体内胆红素的吸收谱,降解胆红素的效率低,不能有效治疗新生儿黄疸的病症。(3) 特殊蓝光LED的发光光谱基本符合体内胆红素的吸收光谱,峰值波长与体内胆红素的吸收峰值较为接近,只相差几纳米。能够快速、有效降低体内总胆红素含量,达到良好的治愈效果,是黄疸光疗仪的理想光源。(4) 体内胆红素的吸收光谱虽然在350~400 nm处有个小的吸收峰,但由于该作用光谱属于紫外部分,紫外线会对新生儿皮肤造成一定伤害,在黄疸光疗中应不予使用。

      普通蓝光LED发光光谱的峰值波长与体内胆红素吸收光谱的峰值波长有明显的差异,其发光光谱较窄,整个发光光谱在作用光谱的左侧。而特殊蓝光LED的发光光谱与作用光谱相差甚小,几乎完全符合作用光谱。这充分说明特殊蓝光LED更适合用来治疗新生儿黄疸。

      特殊蓝光LED与传统普通蓝光荧光灯在250~400 nm处的紫外光谱对比图如图 4所示。由图 4可知:(1) 特殊蓝光LED光源在250~400 nm处的相对光谱能量几乎为零。(2) 蓝光荧光灯的相对光谱能量较高,在315,330,365 nm处均出现了波峰,且在365 nm处的峰值较高,可达0.03。

      图  4  样品1和样品4在250~400 nm处的紫外光谱

      Figure 4.  Ultraviolet spectra of sample 1 and sample 4 at 250-400 nm

      LED发光光谱中不含紫外线,而传统蓝光荧光灯的发光光谱中含有部分紫外线。紫外线能穿透表皮,对人体造成伤害,严重的还会引起癌症[13]。黄疸病患者在接受光照治疗时,需要长时间接受光照,而紫外线对皮肤的伤害具有累积效应,长期照射会使皮肤角质层的含水量下降,导致皮肤发黑,变红;而小剂量的长时间照射也会导致皮肤水分流失,造成光老化。所以在新生儿治疗过程中应尽量减少紫外光线的照射。

      使用一段时间后,传统蓝光荧光灯会发生衰减,紫外线部分含量较低,如图 5所示,只在368 nm附近有一个小小的峰值,且峰值较低。衰减后的传统蓝光荧光灯光谱中含有大量的红外光线,如图 6图 7所示。

      图  5  样品2和衰减后蓝光荧光灯在250~400 nm处的紫外光谱

      Figure 5.  UV spectra of sample 2 and attenuated blue fluorescent lamp at 250-400 nm

      图  6  蓝光荧光灯的发光光谱

      Figure 6.  Luminescence spectrum of blue fluorescent lamp

      图  7  衰减后蓝光荧光灯的发光光谱

      Figure 7.  Luminescence spectrum of attenuated blue fluorescent lamp

      图 3可知,蓝光荧光灯与蓝光LED光源的发光光谱中几乎不含红外线,而使用一段时间后,蓝光荧光灯的发光光谱中则会含有大量的红外光线。由图 6图 7可知,使用一段时间后,蓝光荧光灯的光衰较大,衰减后的荧光灯几乎不含蓝光,而是产生更多的红外光线。红外线的生物效应是热效应[14],会使体温升高,体内环境紊乱。新生儿皮肤娇嫩,若长时间受到红外线的照射,也会产生红斑,严重时可致皮肤灼伤。

      荧光粉衰减的主要原因有:(1) 激活中心的化学环境变化,紫外区吸收强度减弱;(2) 轰击产生的杂质使可见区的吸收强度增大,降低了荧光粉的发光强度[15]。蓝光荧光灯在使用过程中不断衰减的一个主要原因是荧光粉的衰减。蓝光LED因为只用到蓝光芯片,光衰较小,在理想的状态范围内。

      LED没有紫外线和红外线,光衰小,对新生儿黄疸病患者来说很健康,没有辐射伤害。再加上LED高节能性和高寿命的优点,使得LED更适合作为黄疸治疗仪的光源。与普通蓝光LED相比,特殊蓝光LED除了具有普通LED的优点外,其发光光谱与体内胆红素的吸收光谱也基本吻合,这大大增加胆红素的降解速率,是黄疸治疗仪的理想光源。

    • 使用杭州远方光电光辐射安全测试系统OST-300对几种黄疸治疗仪的光源进行测试,该测试系统配备移动转台,可自动寻找和获取最大辐射位置,测量光生物的危害值,并进行安全等级分类。

      普通蓝光荧光灯衰减后的光照度很小,在测量距离最小时才能达到18 Lx。在光照度为18 Lx时,不同光源的测试结果如表 1所示。光源的光化学紫外(波长范围为200~400 nm)危害ES的无危害限值是1.0×10-3 W·m-2,皮肤热危害EH(波长范围为380~3 000 nm)的无危害限值是3 556.56 W·m-2。由表 1可以看出,各光源在光照度为18 Lx时的参数都没有超过限值,而衰减后的蓝光荧光灯与特殊蓝光LED的参数数值相对较大。

      表 1  不同光源在18 Lx时的光化学紫外危害与皮肤热危害

      Table 1.  Ultraviolet chemical hazards and thermal skindamage of different light sources in 18 Lx

      危害名称 衰减后的蓝
      光荧光灯
      传统蓝
      光荧光灯
      普通蓝光
      LED(S2)
      特殊蓝
      光LED
      ES/(W·m-2) 2.70×10-5 3.40×10-6 3.10×10-8 2.80×10-5
      EH/(W·m-2) 0.480 0.24 0.450 0.150

      标准测试是在光照度为500 Lx处对光源进行测试。测试结果如表 2所示。由表 2可知,在光照度为500 Lx时,特殊蓝光LED的皮肤光化学紫外危害值与皮肤热危害值相对较少,在治疗新生儿黄疸时,对新生儿产生的负面影响较少。

      表 2  不同光源在500 Lx时光化学紫外危害与皮肤热危害

      Table 2.  Ultraviolet chemical hazards and thermal skindamage of different light sources in 500 Lx

      危害名称 传统蓝光
      荧光灯
      普通蓝光
      LED(S2)
      普通蓝光
      LED(S3)
      特殊蓝光
      LED
      ES/(W·m-2) 4.50×10-5 1.80×10-7 1.8×10-5 1.80×10-8
      EH/(W·m-2) 4.60 8.40 8.2 2.90

      新生儿黄疸病患者在接受光照治疗时需要一定的辐照度,本文取辐照度为200 μW·cm-2,对不同光源进行光辐射安全测试。测试结果如表 3所示。传统蓝光LED的皮肤光化学紫外危害值和皮肤热危害值虽未超过限值,但因黄疸病患儿一般需接受长时间的光源照射,因此会对患儿的身体健康造成潜在危害。在测试结果中显示普通蓝光LED,即样品2与样品3的危险类别为一类危险,而特殊蓝光LED与传统蓝光荧光灯为无危险类。考虑到特殊蓝光LED的光化学紫外危害和皮肤热危害较低,加之其发光光谱较符合体内胆红素的吸收光谱,可以快速、有效降解体内的总胆红素含量,所以经过光谱匹配得到的特殊蓝光LED更加适合作为黄疸治疗仪的光源。

      表 3  不同光源在辐照度为200 μW·cm-2时光化学紫外危害与皮肤热危害

      Table 3.  Ultraviolet chemical hazards and thermalskin damage of different light sources in200 μW·cm-2 irradiance

      危害名称 传统蓝光
      荧光灯
      普通蓝光
      LED(S2)
      普通蓝光
      LED(S3)
      特殊蓝
      光LED
      ES/(W·m-2) 1.8×10-5 2.1×10-8 3.7×10-10 7.1×10-9
      EH/(W·m-2) 3.2 2.7 2.1 2.6
    • 本文就几种黄疸治疗仪光源的发光光谱及其带来的光生物安全问题进行分析,结果表明:(1) 传统蓝光荧光灯的峰值波长为435 nm,普通蓝光LED的峰值波长为450 nm,特殊蓝光LED的峰值波长为470 nm,与体内胆红素的吸收峰值476 nm接近;普通蓝光LED的半高宽较窄,特殊蓝光LED的半高宽较宽,为50 nm,整个光源的发光光谱与体内胆红素的吸收光谱相吻合。由于体内胆红素分子的吸收光谱具有一定的波长范围,若光源的发光光谱符合其吸收光谱,将会加快体内胆红素的光降解速率,同时还能提高光源的利用率。所以特殊蓝光LED是治疗新生儿黄疸的理想光源。(2) 传统蓝光荧光灯的光谱中含有部分紫外线,长时间使用后,传统蓝光荧光灯中的蓝光部分逐渐衰减,光谱中会出现较多的红外线,导致治疗效果减弱。新生儿黄疸病患者需要接受长时间的光照治疗,如果光源中含有紫外线或红外线,会对新生儿产生许多负面影响,导致患者出现红斑、体温升高、皮肤失水等症状,影响患儿的健康。

参考文献 (15)

目录

    /

    返回文章
    返回