Воздействие лазерного излучения на человека

При эксплуатации лазерных установок обслуживающий персонал может подвергаться воздействию большого числа опасных и вредных факторов. Все эти факторы подразделяются на основные и сопутствующие. К основным относятся собственно монохроматическое когерентное лазерное и паразитное излучения (отраженное и рассеянное). К сопутствующим – факторы, которые возникают на лазерных участках при эксплуатации лазеров и другого оборудования, такие как шум, вибрации, электромагнитные и ионизирующие излучения, наличие высоких напряжений, а также наличие вредных веществ. Под влиянием этих факторов может происходить нарушение жизнедеятельности как отдельных органов человека, так и всего организма в целом.

При воздействии излучения на сложные биологические структуры различают три стадии: физическую, физико-химическую и химическую.

На первой стадии происходят элементарные взаимодействия излучения с веществом. Характер взаимодействий зависит от анатомических, оптикофизических и функциональных особенностей облучаемой ткани, а также от энергетических и пространственных характеристик излучения, наиболее важное значение из которых имеют длина волны и интенсивность излучения. На этом этапе наблюдаются такие физические процессы, как нагревание вещества, фазовые переходы в материале клетки, преобразование энергии излучения в энергию механических колебаний, ионизация атомов и молекул и пр. При воздействии непрерывного лазерного излучения преобладает в основном тепловой механизм действия, следствием которого является коагуляция (свертывание) белка, а при больших мощностях – испарение биоткани. В импульсном режиме с длительностью импульсов меньше 10^-2 с механизм воздействия лазерного излучения с веществом становится более сложным и связан с преобразованием энергии излучения в энергию механических колебаний среды. При мощности излучения в импульсе более 10⁷ Вт и высокой степени фокусировки лазерного луча возможно возникновение ионизирующих излучений.

Появление ударной волны обусловлено возникновением градиентов давления внутри облучаемой системы за счет объемного расширения, вызванного кратковременным, локальным нагревом ткани, а также импульсом отдачи при испарении биоткани с поверхности. Тепловое расширение может возникать и во внутренней зоне облучаемой ткани. При высокой интенсивности потока лазерного излучения возникает ударная волна такой силы, что повреждаются внутренние органы. Например, облучение поверхности грудной клетки, брюшной стенки или головы вызывает повреждение печени, кишечника, а также внутримозговые кровоизлияния и контузионные изменения.

На второй стадии из ионов и возбужденных молекул образуются свободные радикалы, обладающие высокой способностью к химическим реакциям.

На третьей стадии свободные радикалы вступают в реакцию с молекулами веществ, входящих в состав живой ткани, при этом возникают те молекулярные повреждения, которые в дальнейшем определяют общую картину воздействия лазерного излучения на облучаемую ткань и организм в целом.

Наибольшую опасность лазерное излучение представляет для органов зрения. Практически на всех длинах волн внутрь глаза свободно проникает лазерное излучение. Лучи света, прежде чем достигнуть сетчатки глаза, проходят последовательно через несколько преломляющих сред: роговую оболочку, хрусталик и, наконец, стекловидное тело. При рассмотрении воздействия лазерного излучения на орган зрения необходимо отдельно разбирать действие излучения в интервале длин волн 0,4 – 1,4 мкм и вне этого интервала, где оптические среды глаза являются непрозрачными, и фокусирующее действие, создаваемое хрусталиком (он имеет форму двояковыпуклой линзы), отсутствует. Облученность, создаваемая лазерным излучением на сетчатке, вследствие этого, в десятки и сотни тысяч раз может быть выше, нежели облученность, создаваемая на роговице. Как показывает анализ, ее величина будет определяться мощностью лазерного излучения, его апертурой и углом расходимости, а также диаметром зрачка. Рассмотрим воздействие лазерного излучения на различные среды глаза в зависимости от частотного диапазона.

Воздействие ультрафиолетового излучения на орган зрения приводит в основном к поражению роговицы (кератит), поскольку минимальная величина энергии, необходимая для возникновения нежелательных химических реакций в хрусталике, в 2–3 раза выше. Наибольшее воздействие на роговицу наблюдается на длинах волн около 0,288 мкм. Поверхностные ожоги роговицы в ультрафиолетовом диапазоне длин волн устраняются в процессе самозаживления.

Для лазерного излучения с длиной волны 0,4–1,4 мкм критическим элементом органа зрения, как было сказано выше, является сетчатка. Она обладает высокой чувствительностью к электромагнитным волнам видимой области спектра и характеризуется большим коэффициентом поглощения электромагнитных волн видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областей. Повреждение глаза может изменяться от слабых ожогов сетчатки, сопровождающихся незначительными или полностью отсутствующими изменениями зрительной функции, до серьезных повреждений, приводящих к ухудшению зрения и даже к полной его потере.

Длительное облучение сетчатки в видимом диапазоне на уровнях, не намного меньших порога ожога, может вызывать в ней необратимые изменения. Длительное облучение глаза в диапазоне близкого инфракрасного излучения может привести к помутнению хрусталика. Повреждение сетчатки обязательно сопровождается нарушением функции зрения. Клетки сетчатки, как и клетки центральной нервной системы, после повреждения не восстанавливаются. Повреждение может представлять собой ослепление от яркости световой вспышки. Оно носит обратимый характер и выражается в возникновении “слепого пятна” в поле зрения. Результатом такого ослепления является полный распад зрительного пигмента в фоторецепторах сетчатки. Плотность излучения на роговице при этом составляет величину порядка 150 Вт/см². Восстановление зрительного пигмента в фоторецепторах сетчатки иногда затягивается на несколько минут. Воздействие сверхпороговых интенсивностей излучения вызывает необратимые повреждения сетчатки. Возникающее изменение представляет собой небольшое белое пятно из свернувшихся белков с областью кровоизлияния в центре. Спустя несколько дней, на месте повреждения возникает рубец из соединительной ткани не способный к зрительному восприятию. При импульсном лазерном излучении повреждение глазного дна связано с термическим и механическим воздействием. Механическое действие излучения проявляется в виде “взрыва” зерен меланина, причем сила “взрыва” такова, что зерна пигмента выбрасываются в стекловидное тело. Необходимо учитывать, что степень воздействия излучения уменьшается при увеличении угла между зрительной осью и направлением луча.

Поглощение энергии излучения различными элементами глаза растет с увеличением длины излучения в ближней инфракрасной области. Излучения с длинами волн более 1,4 мкм практически полностью поглощаются в стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры. При умеренных повреждениях эти среды глаза способны самовосстанавливаться. Небольшие ожоги радужной оболочки могут закончиться самозаживлением. Тяжелые ожоги приводят к деформации радужной оболочки с потерей остроты зрения.

Лазерное излучение средней инфракрасной области спектра может повредить роговицу, вплоть до полной потери ею прозрачности (образование бельма). Главный механизм воздействия инфракрасного излучения - тепловой. Степень повреждения роговицы зависит от поглощенной дозы излучения, причем травмируется не сосудистая оболочка, а тонкий эпителиальный слой. Если доза излучения велика, то может произойти полное разрушение защитного эпителия с одновременным помутнением радужной оболочки из-за коагуляции белка и хрусталика, развиться катаракта. Таким образом, лазерное излучение оказывает повреждающее действие на все структуры глаза.

Первой линией защиты организма от повреждения лазерным излучением является кожа, которая представляет собой важный физиологически активный орган, обширные повреждения которого могут привести к гибели организма. Степень повреждения кожи зависит от поглощенной энергии, а сами повреждения могут быть различными: от легкого покраснения (эритемы) до обугливания. Минимальное повреждение кожи образуется при воздействии лазерного излучения с энергетической экспозицией 0,1–1 Дж/см² (в зависимости от степени пигментации кожи и длительности воздействия). Наибольшее биологическое воздействие на кожу оказывает лазерное излучение с длинами волн 0,28–0,32 мкм.

Эффект воздействия лазерного излучения на кожу определяется, с одной стороны, его параметрами (длина волны, интенсивность излучения, частота следования импульсов и т.д.), а с другой – степенью пигментации кожи, состоянием кровообращения. Установлено, что при прочих равных условиях темнопигментированная кожа значительно больше поглощает лазерных лучей, чем светлая кожа. Однако, следует учесть, что отсутствие достаточно выраженной пигментации создает условия для более глубокого проникновения лучей в кожу и даже под кожу, вследствие чего поражения могут затрагивать внутренние слои кожи, а также сосуды и нервы. Следовательно, пигмент кожи является своеобразным защитным экраном для внутренних органов. Порог повреждения темнопигментированной кожи значительно ниже, чем у светлой. Поэтому нужно быть осторожным особенно при работе с лазерными установками инфракрасного диапазона. Повреждения кожи, вызванные воздействием лазерного излучения, близки по характеру к термическим ожогам и отличаются от них тем, что поврежденный участок имеет четкую границу, за которой находится область покраснения. Пузыри, возникающие при облучении, находятся в эпидермисе. С увеличением энергии излучения происходит увеличение размеров поврежденных участков. Облучение кожи не сфокусированным излучением с энергией около 100 Дж приводит к утрате чувствительности облученного участка на несколько дней (без видимых повреждений). Под влиянием облучения изменяется активность некоторых ферментов, возникает нарушение в углеводном и липидном (жировом) обмене.

Длительное воздействие на кожу ультрафиолетового излучения ускоряет ее старение, может служить предпосылкой для злокачественного перерождения клеток. Допустимые уровни лазерного излучения, воздействующего на кожу, существенно ниже уровней, воздействующих на глаза.

Лазерное излучение дальней инфракрасной области спектра способно проникать через ткани тела и взаимодействовать с биологическими структурами на значительной глубине, поражая внутренние органы. Наибольшую опасность для внутренних органов представляет сфокусированное лазерное излучение. Однако следует учитывать, что и не сфокусированное излучение может фокусироваться в глубине тела человека. Кроме того, следует учитывать возникновение ударной волны. Степень повреждения в значительной степени определяется интенсивностью потока излучения и цветом окраски органа. Печень является одним из наиболее уязвимых органов. Важной особенностью воздействия лазерного излучения на внутренние органы является чередование поврежденных и неповрежденных слоев ткани, что возможно связано с образованием стоячих волн. В этом случае поврежденные участки биоткани совпадают с пучностями, где плотность потока энергии многократно возрастает по сравнению с плотностью потока падающего излучения.

В целом, на организм работающих на лазерных установках излучение оказывает неблагоприятное воздействие. Наблюдающиеся патологические изменения проявляются в виде функциональных расстройств центральной нервной системы, нарушения сердечно-сосудистой регуляции, что проявляется в неустойчивости артериального давления, замедлению пульса, повышенной потливости. У операторов лазерных установок иногда наблюдают повышенную раздражительность, утомляемость глаз и всего организма. Имеются данные об изменении состава крови (уменьшении эритроцитов, лейкоцитов, гемоглобина и т.д.). Все это свидетельствует о том, что у них возникают изменения как патологического характера, обусловленные тепловым действием излучения, так и функционального, обусловленные скрытыми биологическими эффектами.