ГОСТ Р 54841-2011/IEC/TR 60825-8:2006 Безопасность лазерной аппаратуры. Часть 8. Руководящие указания по безопасному использованию лазерных пучков для человека

Приложение А
(справочное)

     
Биологическое воздействие, опасности, технология лазерного оборудования

А.1 Биологическое воздействие и опасности

Механизм, посредством которого лазерное излучение вызывает повреждение, одинаков для всех биологических систем и может включать взаимодействие тепла, термоакустических переходных процессов и фотохимических процессов. Степень повреждения, до которой приводит любой из этих механизмов, может быть связана с определенными физическими параметрами источника облучения, наиболее важными из которых являются длина волны, длительность импульса, размер изображения, энергетическая освещенность и количество облучения.

Запредельные облучения чаще всего связаны с длительностью импульса облучения. Таким образом, при возрастании длительности импульса преобладающими являются воздействия в следующих временных интервалах: наносекундное и субнаносекундное облучение - акустические переходные процессы и нелинейное воздействие; от 1 мс до нескольких секунд - тепловое воздействие и более 10 с - фотохимическое воздействие.

Лазерное излучение отличается от большинства других известных типов излучения коллимацией пучка. Это наряду с начальным высоким содержанием энергии приводит к чрезмерному количеству энергии, которая передается биологическим тканям. В основе любого типа лазерного радиационного поражения биологической системы лежит поглощение этой системой излучения.

Поглощение происходит на атомном или молекулярном уровне, и этот процесс специфичен для определенной длины волны. Таким образом, длиной волны определяется, какие ткани лазер, в частности, может повредить. При достаточной поглощенной системой энергии излучения эта энергия, как правило, превращается в тепло. Наибольшее лазерное повреждение происходит из-за нагрева поглощающей ткани или тканей. Это тепловое повреждение, как правило, ограничено предельной площадью, окружающей место лазерного поглощения энергии, и сосредоточено на месте облучения пучком. Клетки на этой площади показывают признаки ожога, и повреждение ткани в первую очередь является результатом денатурации белка. Как указывалось выше, появление вторичных механизмов повреждения при лазерном воздействии может быть связано с периодом нагревания ткани, который непосредственно связан с длительностью импульса лазера. Если лазерная система с незатухающей волной (НВ) или с импульсом большой длительности направляется на ткань, то из-за проводимости площадь системы, испытывающей повышение температуры, постепенно увеличивается. В результате расширения теплового фронта увеличиваются зоны повреждения из-за увеличения количества клеток, превысивших свой тепловой допуск. Тепло также переносится кровотоком через конвекцию. Размер изображения пучка также имеет большое значение, так как степень периферического распространения из-за проводимости зависит от размера, а также температуры первоначальной площади нагреваемой ткани. Этот тип теплового поражения обычно можно увидеть при облучении НВ-лазерами или лазерами с импульсом большой длительности. С другой стороны, вредное воздействие может быть прямым результатом конкретного молекулярного поглощения на данной длине волны излучения. Вместо того чтобы выделять энергию, изотопы подвергаются химической реакции, присущей их возбужденному состоянию.

Лазеры с импульсом малой длительности высокой пиковой мощности (т.е. с модуляцией добротности и синхронизацией мод) могут привести к повреждению ткани с различным сочетанием механизмов индукции. Энергия поставляется к биологической мишени в очень короткое время, чем и вызвана энергетическая освещенность. Ткани-мишени испытывают быстрое повышение температуры, при котором жидкие компоненты их клеток преобразуются в газ. В большинстве случаев эти фазовые изменения происходят настолько быстро, что являются взрывоопасными и клетки разрушаются. Переменное давление может возникнуть в результате теплового расширения и может также привести к деформированию тканей, удаленных от поглощающих слоев объемным физическим сдвигом.

В некоторых биологических тканях, таких как кожа, хрусталики глаза и, в частности, сетчатка, могут выявляться необратимые изменения, вызванные длительным облучением умеренного уровня света. Изменения происходят в результате фотохимических реакций, связанных с активацией молекул, индуцированных захватом фотонов. Такие изменения в результате фотохимических реакций могут привести к повреждению системы, если продолжительность облучения является чрезмерной, или, если кратковременное облучение повторяется в течение длительных периодов. Некоторые из фотохимических реакций, инициируемые лазерным облучением, могут быть ненормальными или усложняющими нормальные процессы.

Вышеописанные механизмы повреждения были рассмотрены для работ на сетчатке и отражены в точках прерывания или изменениях кривой при безопасных уровнях облучения, описанных в МЭК 60825-1 [2].

Таблица А.1 - Сводка патологических воздействий, связанных с чрезмерным облучением светом

А.1.1 Опасность для глаз

Лазеры видимого и ближнего инфракрасного излучения представляют собой особую опасность для глаз, поскольку именно свойства, необходимые для глаз, преобразовываются светом в результате большого количества облучения, которое характеризуется повышенной пигментацией тканей. Увеличение энергетической освещенности от роговицы до сетчатки примерно равно отношению области зрачка к области изображения на сетчатке глаза. Это увеличение возникает потому, что свет, который вошел в зрачок, сфокусирован на "точку" на сетчатке. Зрачок представляет собой переменную апертуру, но диаметр может достигать 7 мм при максимальном расширении в глазу. Изображение сетчатки, соответствующее такому зрачку, может быть от 10 до 20 км в диаметре. При внутриглазном рассеивании и аберрациях роговицы считается, что увеличение освещенности между роговицей и сетчаткой имеет порядок 2х10. Если предположить увеличение на 2х10, то 50 Вт·м пучка на роговице соответствует 1х10 Вт·м на сетчатке. В этом руководстве зрачок в 7 мм рассматривается как ограничивающая апертура, как наихудшее состояние и выведено из данных, полученных от глаза молодого человека, для которого с этой целью были измерены диаметры зрачка.

Если интенсивность пучка лазерного излучения сосредоточена на сетчатке глаза, только малая часть света (до 5%) будет поглощена зрительными пигментами, палочками и колбочками. Большее количество света будет поглощено пигментом меланином, содержащимся в пигментном эпителии. (В области желтого пятна некоторая энергия в промежутке от 400 до 500 нм будет поглощена пигментом желтого пятна (макулярным пигментом).) Поглощенная энергия будет вызывать локальный нагрев и к тому же будет выжигать пигментный эпителий и расположенные рядом светочувствительные палочки и колбочки. Этот ожог или поражение может привести к потере зрения. В зависимости от величины облучения такая потеря зрения может быть или может не быть постоянной. Визуальное ухудшение обычно будет субъективно отмечено для каждого лица только тогда, когда принимает участие центральная или фовеальная область пятна (макулы). Фовеа, ямка в центре пятна (макулы), является наиболее важной частью сетчатки, так как она несет ответственность за острое зрение. Это часть сетчатки, которая используется, чтобы "смотреть прямо на что-то". Если эта область повреждена, ухудшение может проявиться сначала в виде размытого белого пятна, заслоняющего центральную область зрения; однако в течение двух и более недель оно может превратиться в черное пятно. Потеря центрального зрения - это очень серьезно. Периферийные поражения могут быть отмечены только субъективно, когда произошло очевидное повреждение сетчатки. Малые периферийные поражения пройдут незамеченными и даже могут быть не выявлены в ходе систематического обследования глаза.

В диапазоне длин волн от 400 до 1400 нм наиболее опасно повреждение сетчатки. Роговица, водянистое тело, хрусталик и стекловидное тело являются проницаемыми для излучения этих длин волн. В случае хорошо коллимированного пучка опасность практически не зависит от расстояния между источником излучения и глазом, потому что изображение сетчатки считается дифракционно-ограниченным пятном от 10 до 20 км в диаметре. В этом случае предполагается тепловое равновесие, зона опасности для сетчатки определяется предельным стягиваемым углом , который, как правило, соответствует пятну на сетчатке около 25 км в диаметре.

В случае распределенного источника опасность тоже практически не зависит от расстояния между источником и глазом, потому что в этом случае освещенность сетчатки зависит только от яркости источника и характеристик хрусталика глаза.

В случае "пятновидного" с расходящимся пучком источника опасность возрастает с уменьшением расстояния между сужением пучка и глазом. Причина в том, что при уменьшении расстояния, приближающегося к 100 мм (за счет способностей к адаптации глаза), накопленная энергия увеличивается, а размер изображения на сетчатке можно считать оставшимся близким к дифракционно-ограниченному для действительных лазерных источников. Наибольшая опасность возникает при кратчайшем расстоянии адаптации. При дальнейшем уменьшении этого расстояния опасность для невооруженного глаза также уменьшается, так как происходит быстрое увеличение изображения на сетчатке и соответствующее снижение освещенности, несмотря на возможно большее количество накопленной энергии.

Для целей настоящего стандарта кратчайшее расстояние адаптации глаза человека имеет значение 100 мм на всех длинах волн от 400 до 1400 нм. Это расстояние было выбрано в качестве компромисса, так как все, кроме нескольких молодых людей и очень малого количества близоруких людей, не могут адаптировать свои глаза на расстоянии менее 100 мм. Это расстояние может быть использовано для измерения освещенности в случае непосредственного наблюдения.

Для длин волн менее 400 или более 1400 нм наибольшую опасность представляет повреждение хрусталика или роговицы глаза. В зависимости от длины волны оптическое излучение поглощается преимущественно или исключительно роговицей или хрусталиком глаза (таблица А.1). Для источников с расходящимся пучком (распределенного или "пятновидного") этих длин волн коротких расстояний между источником и глазом следует избегать.

А.1.2 Опасности для кожи

Кожа может вынести гораздо большее воздействие лазерного пучка энергии, чем глаз. Биологическое воздействие на кожу излучением лазеров, работающих в видимом (400-700 нм) и инфракрасном (более 700 нм) диапазонах спектра, может варьироваться от I до III степени в зависимости от ожога.

А.1.2.1 Максимально возможная экспозиция (МВЭ)

Значения МВЭ существуют для пользователей, установлены ниже известных уровней опасности и основываются на большом количестве имеющейся информации из экспериментальных исследований. Значения МВЭ должны быть использованы в качестве руководства в области контролирования облучений и не должны рассматриваться как точно определенные разделительные линии между безопасными и опасными пределами. В любом случае облучение лазерным излучением должно быть как можно ниже.

Эти уровни зависят от длины волны излучения, длительности импульса или времени облучения, вида ткани, находящейся под воздействием, и в случаях излучения в диапазоне от 400 до 1400 нм - от размера изображения на сетчатке. Опубликованные уровни МВЭ значительно различаются в зависимости от длительности облучения и длины волны лазерного излучения и являются самыми низкими в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн, где хрусталик, водянистое и стекловидное тела очевидно являются прозрачными.

Рекомендации для уровней МВЭ приведены в МЭК 60825-1 [2]. Эти уровни должны быть использованы в качестве руководства в области контролирования облучения. В случаях, если лазер испускает излучение в виде серии импульсов или в нескольких спектральных диапазонах или если импульсы накладываются на фоне непрерывной волны, расчет опасности может быть комплексным. Подробная информация о методе расчета приведена в МЭК 60825-1 [2].

Расстояние, на котором энергетическая освещенность пучка или количество облучения равно соответствующему МВЭ роговицы, определено как номинальное опасное для глаз расстояние (НОГР). НОГР должны быть приняты во внимание при определении границ контролируемой площади лазера, на которой доступ к лазерному излучению и активность персонала подлежит контролю и надзору в целях защиты от опасностей лазерного излучения.