Классификация и физико-биологические аспекты воздействия лазерного излучения на человека
Лазерное излучение отличается высокой когерентностью, направленностью, монохроматичностью и высокой плотностью мощности. Эти свойства обуславливают как уникальные возможности лазеров в прикладных задачах, так и потенциальную опасность при воздействии на живые ткани, особенно на чувствительные органы, такие как глаза и кожа.
В контексте лазерной безопасности важно учитывать параметры излучения: — длину волны, — мощность (или энергия импульса), — временные характеристики излучения (непрерывное или импульсное), — пространственное распределение интенсивности, — время воздействия, — условия фокусировки.
Наиболее распространённый механизм, при котором энергия лазерного излучения поглощается тканями и преобразуется в тепло. В зависимости от плотности мощности и длительности воздействия могут наблюдаться:
Эффективность фототермического взаимодействия зависит от коэффициента поглощения ткани при данной длине волны. Например, в инфракрасном диапазоне (1–10 мкм) наблюдается сильное поглощение водой, поэтому лазеры на углекислом газе (λ = 10.6 мкм) особенно эффективны при абляции мягких тканей.
При воздействии коротких импульсов высокой мощности происходит быстрая локализованная абсорбция энергии и образование механических волн давления (ударных волн). Это может привести к:
Фотоакустическое воздействие характерно для наносекундных и пикосекундных импульсов, например, в лазерах на красителях или твердотельных лазерах с Q-переключением.
При малой мощности лазерного излучения возможно инициирование химических реакций без значительного нагрева ткани. В частности:
Фотохимическое повреждение особенно выражено при воздействии на сетчатку глаза в диапазоне 320–400 нм (УФ-A) и 400–700 нм (видимый свет).
Наибольшую опасность представляет воздействие в спектральном диапазоне 400–1400 нм (“ретинально-опасный диапазон”), поскольку в этом диапазоне свет фокусируется оптической системой глаза на сетчатке. Энергия лазера в этом диапазоне может вызвать:
Критическим параметром является не только мощность, но и длительность воздействия. Импульсы длительностью менее 1 мс могут вызвать разрушение фоторецепторов при энергии порядка единиц микроджоулей.
УФ-излучение (180–400 нм) и ИК-излучение (1.4–10 мкм) поглощаются роговицей и хрусталиком. При этом возможны:
Кожа, как барьерный орган, восприимчива к лазерному излучению в широком диапазоне длин волн. Повреждения зависят от следующих факторов:
Ожоги могут быть термическими (при длительном или высокоэнергетическом воздействии) или фотохимическими (например, при воздействии УФ-лазеров).
При воздействии мощных лазеров возможны не только локальные, но и системные реакции:
Международная электротехническая комиссия (IEC) и ANSI классифицируют лазеры по степени опасности для человека. Существуют следующие классы:
Для оценки безопасности воздействия лазеров используются предельно допустимые уровни (ПДУ) экспозиции, регламентируемые стандартами ICNIRP, ANSI Z136 и ГОСТ.
Примеры ПДУ для непрерывного излучения на сетчатку глаза:
ПДУ строго зависят от длины волны, диаметра пучка, угла входа в глаз, длительности воздействия и других параметров.
Современные импульсные лазеры с длительностью фемто- и пикосекунд обеспечивают колоссальную пиковой мощность (до тераватт) при низкой средней энергии. Их взаимодействие с тканью сопровождается:
Однако такие лазеры представляют крайне высокую опасность при отсутствии защиты из-за невозможности физиологического реагирования (например, моргания) на столь быстрые импульсы.
Использование лазеров в медицине предполагает намеренное воздействие на ткани. Однако при некорректных параметрах или нарушении техники безопасности возможны побочные эффекты:
Контроль за мощностью, временем экспозиции и длиной волны, а также использование системы обратной связи, позволяют минимизировать риски.
Воздействие лазерного излучения на человека требует глубокого понимания как физических характеристик излучения, так и биологических механизмов взаимодействия. При соблюдении мер безопасности и научно обоснованных подходах лазер может быть не только мощным инструментом, но и безопасным.