Lasersäkerhet E. Göran Salerud Department Biomedical Engineering Strålskyddslagen Strålskyddslag SFS 1988:220 med ändringar t.o.m. SFS 2000:1287 1 Syftet med denna lag är att människor, djur och miljö skall skyddas mot skadlig verkan av strålning. 2 Lagen gäller såväl joniserande som icke-joniserande strålning. Med joniserande strålning avses gammastrålning, röntgenstrålning, partikelstrålning eller annan till sin biologiska verkan likartad strålning. Med icke-joniserande strålning avses optisk strålning, radiofrekvent strålning, lågfrekventa elektriska och magnetiska fält och ultraljud eller annan till sin biologiska verkan likartad strålning Linköpings universitet 1
Anvädning av ljus inom medicinen Diagnostisk användning av ljus X-ray Medical infrared imaging Contrast microscopy Blood gas analysis Temperature Spectral imaging Fluorescent imaging Ballistic photon imaging Optical coherence tomography Multiphoton imaging Optoacoustic imaging Terapeutisk användning av ljus Fotofysikaliska Behandling av vattenkoppor Fotokemisk Oxygen radikaler Fotokoagulation Fotonenergi övergår till mekanisk energi Fotodynamisk terapi Fotobiologi strålning Vad är ljus? X-rays Visible light Microwaves Ultraviolet 100-400 nm 380-770 nm Infrared 770-1000000 nm 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 100 1000 10000 Wavelength λ nanometers Linköpings universitet 2
Korta våglängder CIE: UV-C (100-280 nm) UV-B (280-315 nm) UV-A (315-400 nm) Definitions based on biological effects. * UV-C* UV-B* UV-A* Ozoneproducing Germicidel Erythemal Far UV Near UV ( Black light ) 100 150 200 250 300 350 400 LASER-definitioner Beroende på vilken del av det elektromagnetiska spektrat: Infrarött Synliga spektrat Ultraviolett Tiden som radiansen är aktiv: Kontinuerlig våg Pulsad Ultra-kort pulsad Linköpings universitet 3
Olika typer av Lasrar Solid-state-lasrar har lasermaterialet i en fast matris (t.ex. rubin eller neodym: yttrium-aluminium-granat "YAG"). Blixtlampor är den vanligaste strömkällan. Nd: YAG-laser emitterar infrarött ljus vid 1064 nm (1.064 µm). Halvledarlasrar, som ibland även kallas diodlasrar, består av pn-övergångar. Strömkällor utgör pumpningsmekanismeen. Användningsområden: laserskrivare eller CD-spelare. Färgämneslasrar använder komplexa organiska färgämnen, såsom rhodamin 6G, i flytande lösning eller suspension som lasrande medium. De är avstämbara över ett brett spektrum av våglängder. Gas-lasrar pumpas av en strömkälla. Helium-Neon lases i det synliga och IR. Argon lasrar i det synliga och UV. CO2-lasrar avger ljus i infraröd (10,6 mm), och används för att skära i hårda material. Excimer-lasrar använder reaktiva gaser, såsom klor och fluor, blandat med inerta gaser såsom argon, krypton eller xenon. När stimuleras elektriskt, och en pseudo-molekyl (dimer) produceras. Excimers lasrar i UV. LASER synliga Violet Helium cadmium 441 nm Blue Krypton Argon 476 nm 488 nm Copper vapor 510 nm Argon 514 nm Green Krypton 528 nm Frequency doubled Nd YAG 532 nm Helium neon 543 nm Krypton 568 nm Yellow Copper vapor Rohodamine 6G dye (tunable) 570 nm 570 nm Helium neon 594 nm Orange Helium neon 610 nm Gold vapor Helium neon 627 nm 633 nm Red Krypton 647 nm Linköpings universitet Rohodamine 6G dye 650 nm 4 Ruby (CrAlO 3 ) 694 nm
Ögats känslighetskurva Ögat 400-1400 nm <400, >1400 nm Retinal damage <400, >1400 nm Burns, cataracts Linköpings universitet 5
Ögonskador Öga skadat av en pulsad Laser Linköpings universitet 6
Absorptionsspektrum för human vävnad 650 nm 1.3µm Brännskador på hud CO2 laser reflekterad i en metallyta Linköpings universitet 7
Farliga ljusreflektionsproblem Olika typer av reflektion Spekulär reflektion är en reflektion från en spegelblank yta. En laserstråle kommer att behålla all sin ursprungliga energi när den reflekteras på detta sätt. Observera att ytor, som är matta för ögat kan vara spegel-reflektorer förir-våglängder. Diffus reflektion är en reflektion från en matt yta. Observera att ytor som visas glänsande för ögat kan vara diffusa reflektorer för UV-våglängder. Diffust laserljus som reflekteras av en laser med hög effekt kan orsaka en ögonskada. Olika typer av ögonexponering Linköpings universitet 8
Påverkan av ögat vid olika våglängder 17 Ögats genomsläpplighet Linköpings universitet 9
Känslighet för skador: ögats transmission 19 Photobiological Spectral Domain (CIE Band) Ultraviolet C (200-280 nm) Ultraviolet B (280-315 nm) Ultraviolet A (315-400 nm) Visible (400-780 nm) Infrared A (780-1400 nm) Infrared B (1400-3000 nm) Infrared C (3000-1 million nm) Effekter av optisk strålning Eye Effects Photokeratitis Photokeratitis Photochemical UV Cataract Photochemical and Thermal Retinal Injury Color and Night Vision Degradation Retinal Burns Cataract Corneal Burn Aqueous Flare IR Cataract Corneal Burn Skin Effects Erythema (Sunburn) Skin Cancer Erythema (Sunburn) Accelerated Skin Aging Increased Pigmentation Pigment Darkening Skin Burn Skin Burn Photosensitive Reactions Skin Burn Skin Burn Skin Burn Linköpings universitet 10
Maximalt tillåten exponering (MTE) Exponeringsgränserna säkerställer, enligt tillgängliga undersökningsresultat, att skador inte uppstår. Gränserna har inbyggda säkerhetsfaktorer och skall därför inte uppfattas som skarpa gränser mellan farliga och ofarliga exponeringar. Ögat är det känsligaste organet för laserstrålning, särskilt vid exponering för strålning med sådana våglängder som når in till näthinnan, dvs. inom våglängdsområdet 400 1400 nanometer (nm). Näthinnan i sig är inte känsligare än annan biologisk vävnad, men ögats optik bryter ihop strålen till näthinnan så att effekttätheten kan ökas med en faktor 10 5 jämfört med effekttätheten framför ögat. MTE-värdena tar hänsyn till fokuseringseffekten och gäller mätt framför ögats hornhinna. Maximalt tillåten exponering (MTE) Maximal tillåten exponering (MPE) är den högsta nivån av strålning som en person kan exponeras utan skadliga effekter. Det största tillåtna felet är specificerad i W/cm 2 för kontinuerlig våg lasrar och i J/cm 2 för pulsad laser. Värdet är beroende av våglängden, exponeringstid och pulsrepetitionsfrekvens. Exponering för strålningsnivåer som överskrider den största tillåtna fel kommer att resultera i negativa biologiska effekter, såsom skada på huden och / eller ögonen. För jämförelse med MTE-värdena mäts eller beräknas effekttätheten (W/m 2 ) eller energitätheten (J/m 2 ) vinkelrätt mot strålbanan som medelvärden över cirkulära areor med de diametrar som anges Linköpings universitet 11
Klass 1 Klass 1 Lasrar i klassen är ofarliga även vid lång tids exponering. Antingen är lasrarna så svaga att de inte kan ge några skaderisker oavsett hur de hanteras, eller också rör det sig om apparater som innehåller lasrar som i sig kan vara av en farligare klass men som är inbyggda och förseglade så att ingen farlig strålning kommer ut. Den maximalt tillåtna strålningseffekten eller pulsenergin för lasrar i klassen är direkt kopplad till exponeringsgränsvärdena. Den övre klassgränsen är naturligtvis rigoröst definierad, men låter sig inte beskrivas enkelt. Klass 1M Klass 1M Lasrar vars totala effekt eller pulsenergi överskrider vad som tillåts i klass 1 (gäller såväl ultraviolett strålning, synlig strålning som infraröd strålning), men där strålen inte är smal utan utbredd. På så sätt kan exponeringsgränserna för ett oskyddat öga eller oskyddad hud inte överskridas. Om strålknippet samlas t.ex. med en kikare eller en fiberände och betraktas med en lupp, kan dock säkerheten inte garanteras. M står för "magnifyer".. Linköpings universitet 12
Klass 2 Klass 2 Klassen innehåller bara lasrar som avger synlig strålning varmed i laserstandarden menas strålning inom intervallet 400-700 nm. Exponering av ett oskyddat öga ger upphov till bländning och ögonlocket sluts reflexmässigt. Den naturliga avvärjningsreaktionen är tillräckligt snabb för att hindra överexponering av näthinnan. För cw-lasrar, dvs. sådana som kan lysa med konstant strålningseffekt, är den övre klassgränsen 1 mw. Klass 2M Klass 2M Klassen omfattar bara lasrar som avger synlig strålning (400-700 nm), Klass 2-gränsen får överskridas totalt, om strålknippet är utbrett enligt samma principer som för klass 1M. Genom pupillen i ett skyddat öga får det inte passera mer än 1 mw. Om strålknippet inte fokuseras med hjälp av någon optik gäller alltså samma riskbedömning som för klass 2, dvs blinkreflexen skyddar näthinnan. Linköpings universitet 13
Klass 3 Klass 3R Klassen omfattar lasrar som avger upp till 5 gången klassgränsen för klass 1 vid motsvarande våglängder eller pulstider, om strålningen är osynlig. För synlig strålning tillåts upp till 5 gånger gränsen för klass 2. Här finns inget krav på utbredd stråle utan gränsvärdena för exponering av oskyddade ögon kan överskridas, men de innehåller sådana säkerhetsmarginaler att skador i praktiken inte uppstår. R står för "restricted". Klass 3B Klass 3B Om strålen är smal och har högre effekt eller pulsenergi än vad som tillåts i klass 3R är nästa högre klass 3B. Sådana lasrar betraktas som riskabla vid direkt exponering, även för hud närmare den övre klassgränsen. Reflexer från en matt yta är dock ofarlig att betrakta. För cw-lasrar är den övre klassgränsen 0,5 watt. Linköpings universitet 14
Klass 4 Omfattar alla lasrar som är starkare än klass 3B. Här kan det även vara farligt att oskyddad betrakta en upplyst fläck på en matt yta, åtminstone i något möjligt exponeringsfall. Klassen saknar övre gräns. Lasrar är av hög effekt (vanligtvis upp till 500 mw eller mer om CW, eller 10 J cm -2 om pulsad). Kan orsaka kronisk ögonskada, kan ha tillräcklig energi för att antända material, och kan orsaka betydande skador på huden. Exponering av ögat eller huden för både de direkta laserstrålen och att spridda strålar, även de som produceras genom reflektion från att diffundera ytor, måste undvikas vid alla tidpunkter. Potentiella ögonskador De biologiska skador som orsakas av lasrar består i termiska, akustiska och fotokemiska processer. Termiska effekter orsakas av en temperaturhöjning efter absorption av laserenergi. Hur allvarlig skadan är beroende av flera faktorer, bland exponeringens varaktighet, våglängd hos strålen, energi av strålen, och området och typ av vävnad utsätts för strålen. Akustiska effekter uppstår när laserpulser med en löptid kortare än 10 ms framkallar en chockvåg i näthinnans vävnad. Permanent skada. Akustisk skador är mer destruktiva än en termisk brännskada. Akustisk skada påverkar vanligen en större del av näthinnan, och tröskelenergi för denna effekt är väsentligen lägre. Fotokemiska effekter uppstår när fotoner interagerar med vävnadsceller. Fotokemiska effekter är starkt beroende av våglängden. 30 Linköpings universitet 15
Risker vid laserbestrålning av hud Huden kan tolerera en mycket större exponering för laserstrålens energi än vad ögat kan utsättas för. Den biologiska effekten av bestrålning av huden med laser som verkar i de synliga och infraröda spektrala regionerna kan variera från en mild hudrodnad till svåra blåsor. En askgrå förkolning är vanliga i vävnader där absorptionen är stor efter exponering för mycket korta pulsade, hög toppeffekts lasrar. Pigmentering, sår och ärrbildning i huden och skador på underliggande organ kan uppstå från extremt hög irradians. I våglängdsområdet 1500 nm till 2600 nm, biologiska studier av tröskelvärdet tyder på att risken för hudskada följer ett liknande mönster som i ögat. 31 www.liu.se Linköpings universitet 16