ГОСТ Р 54840-2011/IEC/TR 60825-14:2004 Безопасность лазерной аппаратуры. Часть 14. Руководство пользователя

Приложение С
(справочное)

     
Учет биофизических факторов

С.1 Анатомия глаза (см. рисунок С.1)

1 - бровь; 2 - ресница; 3 - склера; 4 - вена сетчатки; 5 - оптический диск; 6 - веко; 7 - радужная оболочка; 8 - роговая оболочка (стекловидная передняя поверхность глаза); 9 - зрачок; 10 - водянистое тело; 11 - конъюктива; 12 - выход оптического нерва; 13 - артерия сетчатки; 14 - кровеносные сосуды; 15 - хрусталик; 16 - стекловидное тело; 17 - фовеа; 18 - склера; 19 - свет; 20 - рецепторные клетки (палочки и колбочки); 21 - эпителий пигмента; 22 - сосудистая оболочка; 23 - сетчатка; 24 - склера; 25 - свет; 26 - рецепторные клетки (колбочки); 27 - сосудистая оболочка; 28 - эпителий пигмента

Рисунок С.1 - Анатомия глаза

С.1.1 Рисунок С.1 (А) Анатомия глаза

Диаграмма внешнего вида левого глаза. Края век ограничивают поле зрения глаза до формы миндаля. Основные части передней поверхности глаза на схеме снабжены надписями и указаны пунктирными линиями и стрелками.

С.1.2 Рисунок С.1 (В) Схема повреждения биологических структур лазером

Схема горизонтального сечения левого глаза. Глаз разделен на две части: переднюю камеру, которая ограничена роговой оболочкой, радужной оболочкой и хрусталиком, и заднюю камеру, которая ограничена сетчаткой и содержит желеобразное стекловидное вещество.

С.1.3 Рисунок С.1 (С)

Внутренняя полость неповрежденного глаза, видимая через офтальмоскоп. Этот прибор направляет пучок света через зрачок и освещает внутреннюю полость глаза, позволяя видеть глазное дно, которое имеет красноватый оттенок, однако хорошо видны главные сосуды сетчатки. Другими важными частями являются беловатый оптический диск и центральная ямка. Центральная ямка представляет собой небольшое углубление в сетчатке, которое может быть более интенсивно окрашено, чем окружающая сетчатка; она является областью наиболее острого зрения.

С.1.4 Рисунок С.1 (D)

Структура сетчатки в разрезе [см. рисунок С.1 (В)], увеличенная по сравнению с натуральной примерно в 320 раз. Сетчатка состоит из ряда слоев нервных, а также фоточувствительных клеток: палочек и колбочек, т.е. свет, падающий на поверхность сетчатки, проходит через слои нервных клеток, а затем достигает фоточувствительных клеток. Под слоем палочек и колбочек находится слой, который называется "пигментным эпителием" и содержит коричневато-черный пигмент - меланин; ниже находится слой с тонкими кровеносными сосудами хориокапиллярами.

Конечным поглощающим слоем является хороид, который содержит как пигментные клетки, так и кровеносные сосуды.

С.1.5 Рисунок С.1 (Е)

Структура области центральной ямки, увеличенная примерно в 150 раз. В ней представлены только колбочки. Нервные клетки расположены радиально в этой области наиболее острого зрения. Пигмент пятна, наиболее сильно поглощающий излучение в диапазоне от 400 до 500 нм, расположен в волоконном слое Хенла.

С.2 Влияние лазерного излучения на биологическую ткань

Механизм повреждения лазерным излучением аналогичен для всех биологических систем и может включать в себя тепловые воздействия, термоакустические переходные процессы, фотохимические процессы и нелинейные эффекты. Степень участия каждого из этих воздействий в повреждении ткани может быть связана с определенными физическими параметрами источника облучения, наиболее важными из которых являются длина волны, длительность импульса, размер изображения, облученность и энергетическая экспозиция.

При экспозициях выше пороговых доминирующее воздействие связано с длительностью импульса облучения. Так, при увеличении длительности импульса, т.е. при наносекундных и субнаносекундных облучениях, основными являются акустические переходные процессы и нелинейные эффекты; при длительностях от 1 мс до нескольких секунд - тепловые эффекты; при длительностях свыше 10 с - фотохимические эффекты.

Лазерное излучение отличается от большинства других известных видов излучения коллимированностью пучка. Этот фактор совместно с высокой начальной энергией приводит к передаче тканям большого количества энергии. Основным моментом при повреждении лазерным излучением любого типа является поглощение излучения биологической структурой. Поглощение происходит на атомарном или молекулярном уровне и зависит от длины волны. Таким образом, длина волны определяет, какая ткань может быть повреждена от излучения конкретного лазера.

Тепловые эффекты

Если структура поглотила достаточное количество энергии излучения, то колебания составляющих ее молекул увеличиваются, а это означает увеличение количества тепла. Повреждения от лазерного излучения в большинстве случаев связаны с нагревом поглощающей ткани или тканей. Обычно такое термическое повреждение имеет ограниченную площадь, расположенную по сторонам участка поглощения лазерной энергии с центром в месте падения пучка. Клетки в пределах этой области имеют признаки ожога, и повреждение ткани связано, главным образом, с разрушением протеина. Как показано выше, действие вторичных механизмов повреждения при воздействии лазерного излучения может быть связано с временем реакции нагрева ткани, т.е. непосредственно с длительностью импульса лазера (см. рисунок С.2) и временем поглощения тепла. Термохимические реакции происходят во время нагревания и во время охлаждения и определяют зависимость размера пятна от теплового поражения. Если на ткань направлен непрерывный лазер или лазер, генерирующий длинные импульсы, то вследствие проводимости площадь структуры, испытывающей воздействие повышенной температуры, постепенно увеличивается. Такой распространяющийся тепловой фронт создает возрастающую зону повреждения, т.к. все большее число клеток нагревается выше теплового предела. Размер изображения пучка также имеет большое значение, поскольку степень периферийного распространения вследствие проводимости является функцией размера, а также температуры начальной области нагрева ткани. Такой тип теплового повреждения обычно связан с воздействием непрерывных лазеров, лазеров с длинными импульсами, но также возможен и от лазеров с короткими импульсами. Для облучаемых поверхностей с размером пятна 1-2 мм или менее от лучевого теплового потока определяется размер поврежденного пятна.

а - лазерная энергия поглощается биологической структурой; b - поглощенная энергия создает тепло, которое распространяется в окружающие ткани; с - при воздействии непрерывных лазеров или лазеров с длинными импульсами сохранение теплового фронта постепенно увеличивает область поражения; d - при воздействии лазеров с короткими импульсами высокая плотность мощности создает взрывное разрушение клеток и повреждение в результате физического смещения

Рисунок С.2 - Схема повреждения биологических структур лазером

Фотохимические эффекты

Степень повреждений может быть также обусловлена поглощением света молекулами. Этот процесс вызывается поглощением света с определенной энергией. Однако помимо освобождения энергии вещество также подвергается воздействию химической реакции, присущей этому состоянию. Эта фотохимическая реакция способна нанести повреждение и при низких уровнях воздействия. В этом процессе некоторые биологические ткани, такие как кожа, хрусталик глаза и, в особенности, сетчатка, могут показать необратимые изменения, вызванные длительным воздействием облучения ультрафиолетом и светом коротких длин волн. Такие фотохимические изменения могут привести к повреждению структуры, если длительность облучения является чрезмерной или кратковременные облучения повторяются в течение длительного времени. Отдельные фотохимические реакции, вызываемые лазерным облучением, могут носить характер патологии или ухудшения. Фотохимические реакции в общем следуют закону Бунзена и Роско и для длительности примерно от 1 до 3 ч или менее (играют роль соответствующие механизмы) пороговой величиной является энергетическая экспозиция в постоянном или широком диапазоне по длительности воздействия. Зависимость размера пятна, как происходит в случаях с тепловыми эффектами, при тепловой диффузии не существует.

Нелинейные эффекты

Лазеры с короткими импульсами, характеризующиеся высокой пиковой мощностью (например, с модулированной добротностью или синхронизацией мод), могут вызывать повреждение ткани при различных комбинациях механизмов передачи энергии. Энергия воздействует на биологическую мишень в течение очень короткого времени, и поэтому создается высокая облученность. Ткани мишени нагреваются так быстро, что жидкие компоненты клеток преобразуются в газ. В большинстве случаев эти фазовые изменения происходят так быстро и имеют такой взрывной характер, что клетки разрываются. Перепады давления, возникшие в результате, создают вокруг ожогового центра круглую зону разрыва. Подобные перепады давления могут создаваться тепловым расширением и приводить к травмам тканей, удаленных от поглощающих слоев, в результате объемного физического смещения. При облучении с субнаносекундной длительностью приблизительно между 10 пс и 1 нс вследствие самофокусировки глаз в них концентрируется энергия коллимированного пучка лазера, что приводит к понижению порога безопасной экспозиции. Также проявляются другие нелинейные оптические механизмы, которые играют роль в повреждении сетчатки глаза в субнаносекундном диапазоне.

Все описанные выше механизмы повреждения воздействуют на сетчатку, влияют на точки прерывания программы или изменяют значение уровней безопасной экспозиции, приведенных в настоящем стандарте.