10. Ασφαλής χρήση των Laser

Τα Lasers είναι παντού. Σχεδόν καθημερινά ερχόμαστε κοντά στα ταμεία μεγάλων εμπορικών καταστημάτων ή σούπερ μάρκετ, όπου οι σαρωτές Laser «διαβάζουν» το προϊόν και περνούν τη τιμή του στην απόδειξη. Δείκτες Laser «δουλεύουν» καθημερινά σε αίθουσες διδασκαλίας και συνεδρίων. «Κρυμμένες» δέσμες Laser εργάζονται πυρετωδώς σε εκτυπωτές και κυρίως σε συσκευές αναπαραγωγής ψηφιακών δεδομένων και μουσικής (CD).

Ισχυρότερα Laser συναντάμε σε εργαστήρια Φυσικής και σε ιατρικά μηχανήματα.

Πρότυπα ασφάλειας κατανέμουν τις συσκευές Laser σε ομάδες ανάλογα με τις ιδιότητες της ακτινοβολίας τους:

• μήκος κύματος
• ισχύς εξόδου
• διάρκεια παλμών κλπ. Αυτά τα πρότυπα αναπροσαρμόζονται κάθε λίγα χρόνια, καθώς οι γνώσεις, οι εμπειρίες και οι νέες εφαρμογές πολλαπλασιάζονται.

Για τα Laser μικρής ισχύος η κύρια βλάβη, που υπάρχει κίνδυνος να συμβεί, είναι στον οφθαλμό.

10.1 Τα χαρακτηριστικά της ΗΜΑ Laser

Όπως αναλύθηκε σε προηγούμενα κεφάλαια το φως Laser είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και η διαφορά του με το κοινό φως είναι:

• η μονοχρωματικότητά του
• η μεγάλη πυκνότητα ισχύος (ένταση ανά μονάδα κάθετης επιφάνειας)
• η συμφασικότητά του (για την οποία όμως δεν υπάρχουν γνωστές βιολογικές επιδράσεις) Κατά τη διάδοση του φωτός Laser, όπως και για το κοινό φως, ισχύουν:
• η πορεία σε ομοιογενές μέσο είναι ευθύγραμμη
• όταν προσπέσει σε επιφάνεια διαφορετικού μέσου, θα συμβεί:
• ανάκλαση:
• κλασική (πρόσπτωση σε λεία επιφάνεια, γωνία πρόσπτωσης ίση με γωνία ανάκλασης και η δέσμη παραμένει συγκεντρωμένη)
• διαχέουσα (πρόσπτωση σε αδρή επιφάνεια και η δέσμη ανακλάται, αλλά σκεδάζεται)
• διάθλαση (η δέσμη εισχωρεί στο δεύτερο μέσον, αλλά αλλάζει η διεύθυνσή της (νόμος του Snell). Στη διάθλαση οφείλεται η συγκλίνουσα ή αποκλίνουσα συμπεριφορά των φακών (εστίαση) και των πρισμάτων.

10.2 Επιδράσεις της ΗΜΑ Laser με βιολογικό ιστό

Το φως Laser είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, αλλά μη ιοντίζουσα. Μόνον οι ακτίνες Χ και γ είναι ηλεκτρομαγνητικές και ιοντίζουσες, επειδή έχουν πολύ μικρό μήκος κύματος.

Σε γενικές γραμμές η ΗΜΑ επιδρά στο βιολογικό ιστό με τρεις διαφορετικούς μηχανισμούς:

• ανάκλαση
• διάβαση
• απορρόφηση

Το ποσοστό συμμετοχής της κάθε διαδικασίας στο τελικό «αποτέλεσμα» εξαρτάται από τις ιδιότητες της ΗΜΑ και το είδος του ιστού.

Ο κύριος μηχανισμός πρόκλησης βλάβης στον ιστό είναι η απορρόφηση. Η ΗΜΑ Laser που απορροφάται μπορεί να προκαλέσει:

• θερμική επίδραση [θέτει σε ταλάντωση-δόνηση τα μόρια του βιολογικού ιστού και παράγεται θερμότητα. Η βλάβη κυμαίνεται από μετουσίωση της λευκωματίνης μέχρι έγκαυμα (εξάτμιση)]
• θερμο-ακουστική επίδραση (ειδικά όταν η ΗΜΑ Laser έχει τη μορφή ισχυρών και σύντομων -μικρότερων του ms- παλμών. Η ακαριαία εναποτιθέμενη μεγάλη ενέργεια προκαλεί πολύ υψηλή τοπική αύξηση της θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα την ταχεία εξάτμιση του ύδατος και την έκρηξη του κυττάρου)
• φωτοχημική επίδραση (συμβαίνει όταν το μήκος κύματος της ΗΜΑ Laser ταιριάζει με την απαιτούμενη ενέργεια-έναυσμα χημικής αντίδρασης μεταξύ συγκεκριμένων οργανικών μορίων)

Κατά τα τελευταία χρόνια ανακαλύφθηκαν ενδείξεις μη αντιστρεπτών μεταβολών σε βιολογικό ιστό μετά από παρατεταμένη έκθεσή του σε ΗΜΑ Laser χαμηλής ισχύος και με μήκη κύματος που μέχρι τότε εθεωρείτο πως δεν προκαλούν επιδράσεις.

10.3 Φως Laser και οφθαλμός

Ο οφθαλμός είναι «κατασκευασμένος» έτσι ώστε να δέχεται το φως. Επομένως είναι διαφανής στο ορατό και στο εγγύς υπέρυθρο τμήμα του ΗΜ φάσματος.

Ο ανθρώπινος οφθαλμός περιέχει μηχανισμό εστίασης του προσπίπτοντος φωτός πάνω στα κύτταρα του αμφιβληστροειδή χιτώνα.

Η ισχύς εστίασης μετράται από τη σχέση μεταξύ διαμέτρου της ίριδας και διαμέτρου της σχηματιζόμενης φωτεινής κηλίδας στον αμφιβληστροειδή.

Η τελική διάμετρος είναι τρεις τάξεις μεγέθους μικρότερη, δηλαδή το εμβαδόν μειώνεται κατά 6 τάξεις μεγέθους ή η πυκνότητα ισχύος της ΗΜΑ μπορεί να αυξηθεί κατά παράγοντα 10⁶.

Αυτό σημαίνει πως Laser ισχύος milli-watt εστιάζεται στον αμφιβληστροειδή και η ισχύς του τρέπεται σε εκατοντάδες χιλιάδες watts ανά mm2, δηλαδή αναπόφευκτο έγκαυμα.

Συνήθως η βλάβη δεν γίνεται αισθητή και είναι πολύ μικρής επιφάνειας, είναι όμως συσσωρευτική. Ο οφθαλμίατρος διαπιστώνει το έγκαυμα με το οφθαλμοσκόπιο.

10.4 Κανόνες ασφάλειας κατά τη χρήση Laser

Ο υπεύθυνος πρέπει να επεξηγεί και να ενημερώνει για τους κινδύνους (π.χ. στο σχολείο: και τους καθηγητές και τους μαθητές).

Όλοι πρέπει να αποφεύγουν να κοιτάξουν απευθείας τη φωτεινή δέσμη.

Η δέσμη Laser πρέπει να ανάβει μόνον εφόσον έχει απομακρυνθεί από την πορεία της κάθε ανακλώσα επιφάνεια που θα μπορούσε να την οδηγήσει προς ανεπιθύμητες κατευθύνσεις.

Η χρήση ειδικής σήμανσης αυξάνει την συναίσθηση του κινδύνου στους παρόντες.

Πρέπει να αποφεύγεται κάθε επέμβαση-απόπειρα επισκευής της συσκευής Laser, όχι μόνο όσο είναι σε λειτουργία, αλλά και όσο είναι συνδεδεμένη με το ηλεκτρικό ρεύμα.

10.5 Κατηγοριοποίηση των Laser σε ομάδες, για λόγους ασφάλειας

Το Εθνικό Ίδρυμα Προτύπων της Αμερικής (ANSI) κατατάσσει τα Laser σε τέσσερις κατηγορίες ανάλογα με τον κίνδυνο που εμπεριέχουν κατά τη χρήση τους.

Για κάθε επόμενη κατηγορία (από την Ι στην ΙV) απαιτούνται πρόσθετα μέτρα ελέγχου και προστασίας του χρήστη και των παρόντων.

Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία (από τη συσκευή Laser) που μπορεί να προκαλέσει ζημιά-βλάβη καθορίζεται από δύο παραμέτρους:

• το άνοιγμα-παράθυρο εξόδου της δέσμης
• την απόσταση από τη συσκευή στην οποία πραγματοποιείται η μέτρηση 

10.5.1 Επίπεδα Μέγιστης Επιτρεπόμενης Έκθεσης (ΜΕΕ)

Καθορίζουν τη μέγιστη ποσότητα ακτινοβολίας στην οποία μπορεί ο άνθρωπος να εκτεθεί με ασφάλεια.

Η ΜΕΕ εκφράζεται σε J/cm² ή W/cm²  και εξαρτάται από:

• το μήκος κύματος της ΗΜΑ
• τη διάρκεια έκθεσης
• τη συχνότητα των εκπεμπόμενων παλμών
• τη φύση της έκθεσης (σε συγκεντρωμένη δέσμη ή σε διάχυτη) Επιπλέον, για την ορατή ΗΜΑ, η ΜΕΕ για τον οφθαλμό, υπολογίζεται από την ολική ενέργεια ή ισχύ που μπορεί να περάσει μέσα από την ίριδα σε πλήρη διαστολή (προσαρμοσμένη στο σκοτάδι), δηλαδή διαμέτρου 7 mm (όριο ανοίγματος).

Για να καθοριστεί ο δυνητικός κίνδυνος πρέπει να υπολογισθεί η μέγιστη ενέργεια ή ισχύς που μπορεί να εισέλθει από τόσο άνοιγμα.

Για την υπέρυθρη ή υπεριώδη ΗΜΑ το όριο ανοίγματος θεωρείται 1 mm. Όταν χρησιμοποιείται οπτικό σύστημα (π.χ. κυάλια) το όριο ανοίγματος λαμβάνεται ως 50 mm.

10.5.2 Οι τέσσερις ομάδες

Υπάρχουν δύο ακόμη παράμετροι που αφορούν στην ασφαλή χρήση των Laser:

• η θεωρητική «απόσταση οπτικής βλάβης» για κάθε τύπο Laser 
• η οπτική πυκνότητα υλικού που απαιτείται για την προστασία του οφθαλμού

10.5.2.1 Η κατηγορία Ι

Περιέχει όλα τα Laser, τα οποία κάτω από φυσιολογικές συνθήκες εργασίας, δεν μπορούν να εκπέμψουν ακτινοβολία ικανή να προκαλέσει βλάβη. Στην πράξη αυτά τα Laser καλούνται «Laser ασφαλή για τον οφθαλμό» και δε βλάπτουν κάποιον, ακόμη και αν κοιτάξει απευθείας τη δέσμη για 8 ώρες και ανεξάρτητα από το μήκος κύματος. 

Για παράδειγμα, η μέγιστη ισχύς Laser He – Ne που ανήκει στην κατηγορία Ι είναι 0,4 μW. 

Tα Laser αυτής της κατηγορίας δεν μπορούν να εκπέμψουν ακτινοβολία που να ξεπερνά το όριο της ΜΕΕ

10.5.2.2 Η κατηγορία ΙΙ

Περιέχει όλα τα «ορατά» Laser χαμηλής ισχύος που διεγείρουν το ανακλαστικό της ίριδας να κλείνει για να προστατέψει τον οφθαλμό. Ο χρόνος της ανακλαστικής αντίδρασης είναι 0,25 του δευτερολέπτου. Τα Laser της κατηγορίας ΙΙ εκπέμπουν μεγαλύτερη ισχύ, αλλά το ποσό της ενέργειας που εισέρχεται στον οφθαλμό περιορίζεται από το κλείσιμο της  ίριδας. 

Η μέγιστη ισχύς συνεχούς ορατού Laser της κατηγορίας ΙΙ είναι 1mW. Αυτά τα Laser είναι κατάλληλα για πειράματα Φυσικής σε μαθητές. 

Αν το μήκος κύματος ανήκει στο μη ορατό  και η ΗΜΑ Laser ξεπερνά τα όρια της κατηγορίας Ι, τότε κατατάσσεται  απευθείας στην κατηγορία ΙΙΙ.

10.5.2.3 Οι κατηγορίες ΙΙΙα και ΙΙΙβ

Στην κατηγορία ΙΙΙα ανήκουν όλα τα ορατά  Laser που εκπέμπουν ακτινοβολία σε επίπεδο που δεν βλάπτει τον άνθρωπο με φυσιολογική λειτουργία οφθαλμού (ανακλαστική αντίδραση της ίριδας). 

Η κατηγορία ΙΙΙα περιέχει όλα τα Laser μέσης ισχύος με έξοδο μεταξύ 1 και 5 φορές ισχυρότερη της κατηγορίας Ι, ανάλογα με τη διάρκεια της έκθεσης. 

Αν χρησιμοποιούνται οπτικά συστήματα (όπως κυάλια), για την παρατήρηση της δέσμης Laser, μπορεί να προκληθεί βλάβη στον οφθαλμό. 

Για Laser He – Ne  και Laser διόδων στο ορατό, η μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύς είναι 5 mWatts.

Η κατηγορία ΙΙΙβ περιέχει όλα τα Laser που δεν ανήκουν στις κατηγορίες Ι ή ΙΙ και έχουν μήκος κύματος (ορατό ή μη) ικανό να προκαλέσει βλάβη στον οφθαλμό  του παρατηρητή, ακόμη και χωρίς τη χρήση οπτικών βοηθητικών εξαρτημάτων. 

Η μέγιστη ισχύς των Laser της κατηγορίας ΙΙΙβ είναι 0,5 Watt  και αδυνατούν να δώσουν περισσότερα από 125 mJ σε 0,25 δευτερόλεπτα.

10.5.2.4 Η κατηγορία IV 

Περιέχει όλα τα Laser που δεν ανήκουν στις προηγούμενες κατηγορίες. Θεωρούνται Laser μεγάλης ισχύος. 

Η ακτινοβολία τους μπορεί να προκαλέσει:

• βλάβη στον οφθαλμό ακόμη και από σκεδασμένη δέσμη
• βλάβη στο δέρμα
• πυρκαγιά Οποιοδήποτε Laser  με ισχύ εξόδου μεγαλύτερη του 0,5 Watt ανήκει στην κατηγορία IV.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1. Fundamentals of Physics, 6th ed., by Halliday, Resnick and Walker (Wiley, New York 2003).
2. Quantum Electronics, third ed., by A. Yariv (Wiley, New York, 1989).
3. Optics, 2nd ed., by Eugene Hecht (Addison-Wesley, Reading MA, 1987).
4. Physics for Scientists and Engineers, 3rd ed., by Paul A. Tipler (Worth, New York 1991).
5. Modern Physics, 2nd ed., by R. Serway, C. J. Moses, C. A. Mayer (Saunders, Fort Worth 1997).
6. Lasers and Modern Optics in Undergraduate Physics by J. R. Brandenberger (Lawrence University, 1989).
7. http://computer.howstuffworks.com/cd-burner4.htm
8. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/
9. Applications of Lasers, essay in Fundamentals of Physics, by Garmire, Elsa. 4th ed., by Halliday, Resnick and Walker (Wiley, 1993). 
10. Contemporary College Physics, 2nd ed., by Jones, Edwin R (Rudy) and Childers, Richard L (Addison-Wesley, 1993).
11. http://web.phys.ksu.edu/vqm/laserweb/Preface/Toc.htm
12. Introduction to Physics in Modern Medicine, 1st ed., by S. Amador Kane (Taylor and Francis, London and N.Y. 2003).
13. Lasers and Optical Filers in Medicine, by A. Katzir (Academic Press, San Diego 1993).

ΚΑΙ

Σοφία Κόττου, Επίκουρη Καθηγήτρια Ιατρικής Φυσικής
Ιατρική Σχολή Πανεπιστημίου Αθηνών
Τελευταία αναθεώρηση : 23/12/2007