Лазерное излучение

2. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОРГАНИЗМ

2.1 Физиологическое действие лазерного излучения на глаза

При рассмотрении воздействия лазерного излу­чения на органы зрения необходимо отдельно рассматривать действие излучения с длинами волн в ин­тервале 400…1400 нм, для которых оптические среды глаза прозрачны, и длинами волн вне этого ин­тервала. Наиболее уязвимой частью глаза для из­лучений, видимого и ближнего ИК-диапазонов спектра является сетчатая оболочка, состоящая из огромного количества тончайших нервных клеток (палочек и колбочек), играющих роль приемни­ков излучения.

Световое излучение, прошедшее через оптиче­ские среды глаза, фокусируется на сетчатой обо­лочке, создавая на ней облученность, во много раз превышающую облученность роговицы. Коэффи­циент усиления оптических сред глаза, определенный как отноше­ние облученности сетчатки к облученности  рого­вицы, может достигать величин порядка 104...105. Для электромагнитного излучения с длинами волн короче 400 нм и длиннее 1400 нм оптические сре­ды глаза являются непрозрачными, и поэтому фо­кусирующее действие не имеет места.

На рисунке приведена зависимость относительного пропускания глазом электромагнитных волн различной длины и произведение пропускания глазной среды на  поглощение светового излучения эпителием сетчатки. Количество световой энергии, поступающей в глазное яблоко и фокусирующейся на сетчатке, регулируется изменением диаметра зрачка, играющего роль апертурой диафрагмы. Размер зрачка определяется осве­щенностью (естественной или искусственной) ро­говицы глаза. В дневное время при освещенности ро­говицы — 104 лк. диаметр зрачка составляет 2...3 мм, а в сумерках (при освещенности роговицы меньше 102 лк) — 7...8 мм.

Сравнительно легкая уязви­мость роговицы и хрусталика глаза при воздейст­вии электромагнитных излучений самых различных длин волн, а также способность оптической систе­мы глаза увеличивать плотность энергии (мощно­сти) излучения видимого и ближнего инфракрас­ного диапазона на глазном дне на несколько по­рядков по отношению к роговице выделяет его в наиболее уязвимый орган.

Взаимодействуя с элементами оптической сис­темы глаза, лазерное излучение может вызвать их повре­ждение. Степень повреждения глаза главным обра­зом зависит от таких физических параметров, как время облучения, плотность потока энергии, длина волны и вид излучения (импульсное или непрерыв­ное), а также индивидуальных особенностей глаза.

Воздействие ультрафиолетового излучения на органы зрения в основном приводит к поражению роговицы (кератит). Наибольшим фотокератическим действием обладает излучение с длиной вол­ны 288 нм. Излучение с длиной волны короче 320 нм почти полностью поглощается в роговице и водянистой влаге передней камеры глаза, а с дли­нами волн 320...390 нм - в хрусталике. За счет высокого коэффициента поглощения излучения в роговице и водянистой влаге передней камеры да­же на длине волны 320 нм минимальная величи­на энергии, необходимая для возникновения нежела­тельных химических реакций в хрусталике, в 2...3 раза больше, чем соответствующая энергия для рогови­цы. Поэтому помутнение хрусталика (катаракта) под влиянием ультрафиолетового излучения прак­тически, никогда не наблюдается. Поверхностные ожоги роговицы лазерным излучением с длиной волны в пределах ультрафиолетовой области спек­тра устраняются в процессе самозаживления.

Для лазерного излучения с длиной волны 400…1400 нм  критическим элементом органа зре­ния является сетчатка. Она представляет собой функционально наиболее значимый элемент глаза, 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 при уровнях, не намного меньших порога ожога, может вызывать необратимые изменения в ней. 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. Повре­ждения сетчатки под влиянием лазерного излуче­ния можно разделить на две группы. К первой от­носятся временные нарушения зрительной функ­ции глаза без видимых изменений глазного дна. Примером такого повреждения является ослепле­ние от яркой световой вспышки. Ко второй от­носятся повреждения, сопровождающиеся разру­шением сетчатки и проявляющиеся в виде термического повреждения ожогового или взрывного ха­рактера.

Ослепление от яркой световой вспышки явля­ется самым слабым проявлением поражающего действия лазерного излучения. Оно носит обрати­мый характер и выражается в возникновении "сле­пого пятна" в поле зрения. Результатом такого ос­лепления является полный распад зрительного пигмента в фоторецепторах сетчатки под действи­ем видимого света большой яркости. Ослепление наступает при наблюдении источника очень яркого све­та. Восстановление зритель­ного пигмента в фоторецепторах сетчатки иногда затягивается на несколько минут.

Воздействие на глаз сверхпороговых интенсивностей излучения вызывает тепловой ожог глазно­го дна с необратимым повреждением сетчатки. Минимальное повреждение проявляется мельчай­шим, видимым в офтальмоскоп изменением сет­чатки, представляющим собой небольшое белое пятно из свернувшихся белков с областью крово­излияния в центре. Поврежденный участок окру­жен зоной отека. Спустя несколько дней на месте повреждения появляется рубец из соединительной ткани, не способный к зрительному восприятию.

Импульсное лазерное излучение представляет большую опасность, чем непрерывное, так как в этом случае повреждение глазного дна вызывает­ся комбинированным действием — тепловым и механическим. Механическое действие излучения проявляется в виде "взрыва" зерен меланина, при­чем сила "взрыва" такова, что зерна пигмента вы­брасываются в стекловидное тело.

Облучение менее интенсивными уровнями мо­жет вызывать начальные изменения, при которых восстановление зрительной функции возможно, однако считается, что повторное облучение при та­ких же, достаточно низких энергетических уровнях может привести к невосстанавливающимся повре­ждениям.

При воздействии лазерного излучения на сет­чатку особенно опасны повреждения центральной ямки и желтого пятна — наиболее важных функ­циональных областей глаза. Повреждение этих об­ластей сопровождается почти полной потерей зре­ния. Чем больше угол между зрительной осью и на­правлением падения лазерного луча, тем меньше степень нарушения функции зрения.

Непроизвольные движения глазного яблока приводят к тому, что отдельные участки сетчатки изменяют свое положение относительно падающе­го излучения много раз в секунду. Поэтому непре­рывное и импульсно-периодическое излучения вы­зывают повреждения сетчатки в области, большей чем площадь сфокусированного на ней изображе­ния, даже в том случае, если во время облучения пучок не отклоняется от прямой линии видения. В стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры задерживается около 5 % проходящей через них энергии электромагнитных волн видимой об­ласти спектра.

Поглощение энергии излучения различными структурами глаза растет с увеличением длины вол­ны излучения в ближней инфракрасной области. Излучения с длинами волн более 1400 нм 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 и не вызывают постоянных нарушений зрения. Тя­желые ожоги приводят к образованию рубцовой ткани, деформации радужной оболочки с потерей остроты зрения. Степень повреждения радужной оболочки лазерным излучением в значительной мере зависит от ее окраски. Например, зеленые и голубые глаза более чувствительны к повреждени­ям, чем карие.

Лазерное излучение средней инфракрасной об­ласти спектра может причинить тяжелое поврежде­ние роговице, сопровождающееся денатурацией белков и полной потерей прозрачности (образова­нием бельма). Главный механизм воздействия ин­фракрасного излучения — тепловой. Степень теп­лового повреждения роговицы зависит от погло­щенной дозы излучения, причем травмируется не сосудистая оболочка, расположенная глубже, 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. Хрусталик поврежда­ется около обожженных участков радужной обо­лочки. Это свидетельствует о том, что изменения в хрусталике носят вторичный характер, т. е. инфра­красное излучение поглощается пигментным эпи­телием радужной оболочки и, превращаясь в теп­лоту, приводит к повреждению соседних участков хрусталика.

Таким образом, лазерное излучение оказывает повреждающее действие на все структуры органа зрения. Основной механизм повреждений — теп­ловое действие.

Степень тяжести и характер повреждения глаз зависят от длины волны излучения, его энергии, длительности воздействия и других условий.

Воздействие ультрафиолетового (от 180 до 315 нм) или инфра­красного (св. 1400 до 106 нм) лазерного излучения может привести к повреждению роговицы.

Воздействие лазерного излучения видимого (св. 380 до 780 нм) или ближнего инфракрасного (св. 780 до 1400 нм) диапазонов спектра может вызвать повреждение сетчатки.

При повреждении роговицы появляется боль в глазах, спазм век, слезотечение, гиперемия слизистых век и глазного яблока, их отек, отек эпителия роговицы и эрозии. Тяжелые повреждения роговицы сопровождаются помутнением влаги передней камеры.

При повреждении сетчатки легкой степени на глазном дне на­блюдается небольшой участок помутневшей сетчатки. В тяжелых случаях имеется участок некроза сетчатки, разрыв ее ткани, возмо­жен выброс участка сетчатки в стекловидное тело. Эти повреждения сопровождаются кровоизлиянием в сетчатку, в пред- или подсетчаточное пространства или стекловидное тело.

Первая помощь при повреждении роговой оболочки заключает­ся в наложении стерильной повязки на пострадавший глаз и направ­лении пострадавшего в глазной стационар.

В случае повреждения сетчатки своевременно оказанная первая помощь направлена на создание благоприятных условий формиро­вания хориоретинального рубца за счет уменьшения вторичных яв­лений, сопутствующих повреждению, и в первую очередь на ослаб­ление отека тканей.

После оказания первой помощи пострадавшего направляют в глазной стационар.

2.2 Воздействие лазерного излучения на кожу

Кожа является первой линией защиты организма от повреждения лазерным излу­чением. Кожа представляет собой не просто меха­нический барьер, а важный, физиологически ак­тивный орган, обширные повреждения которого могут привести к гибели организма.

Степень повреждения кожи зависит от первона­чально поглощенной энергии. Повреждения кожи, вызванные лазерным излучением, могут быть раз­личными: от легкой эритемы (покраснения) до по­верхностного обугливания и, в конечном счете, до образования глубоких дефектов кожи.

Эффект воздействия на кожные покровы опре­деляется, с одной стороны, параметрами излучения лазера (длина волны, частота следования импуль­сов, интенсивность излучения и т. д.), а с другой — степенью пигментации кожи, состоянием кровооб­ращения. Установлено, что при прочих равных ус­ловиях темнопигментированная кожа (особенно родимые пятна) значительно больше поглощает ла­зерных лучей, чем светлая кожа. Однако отсутствие достаточно выраженной пигментации создает ус­ловия для более глубокого проникновения лучей в кожу и даже под кожу, вследствие чего поражения могут носить более выраженный характер, затраги­вая и некоторые образования, расположенные под кожей: сосуды, нервы. Следовательно, пигмент ко­жи является как бы своеобразным защитным экра­ном от глубокого проникновения лучей. Порог по­вреждения темнопигментированной кожи значи­тельно ниже, чем светлой кожи. Особенно надо быть осторожным при работе с лазерами инфра­красного диапазона. Пороговые уровни энергии излучения, при которых возникают видимые изме­нения в коже, колеблются в сравнительно широких пределах (от 15 до 50 Дж/см2).

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 небольшая область покраснения. Пузыри, образующиеся при воздействии лазерного излучения, располагаются в эпидермисе, а не под ним. Вблизи поврежденных участков обнаружива­ются свободные радикалы и другие признаки иони­зации, что позволяет предполагать наличие кроме теплового других механизмов повреждения кожи.

С повышением энергии излучения происходит увеличение размеров очагов поражения. Облуче­ние кожи несфокусированным 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, на­блюдается образование в коже свободных радика­лов. Гистохимические и люминесцентно-микроскопические исследования кожных покровов после воздействия лазерного излучения позволяют обна­ружить определенные нарушения в углеводном и липидном (жировом) обменах кожи.

Длительное воздействие на кожу ультрафиоле­тового излучения ускоряет ее старение и может служить предпосылкой для злокачественного пере­рождения клеток. Облучение обширных участков кожи вызывает определенные сдвиги в обмене ве­ществ, системе кроветворения, внутренних орга­нах. Пороговые уровни энергии лазерного излуче­ния, воздействующие на кожу, значительно выше пороговых уровней, воздействующих на глаза.

Минимальное повреждение кожи образуется при воздействии лазерного излучения УФ-диапазона спектра с плотностью энергии ≈ 1 Дж/см2 (в зависимости от степени окраски кожи и длитель­ности воздействия). Наибольшее биологическое воздействие оказывает лазерное излучение с дли­нами волн 280...320 нм. Оно наиболее глубоко проникает в кожу и обладает выраженным канце­рогенным действием.

Ожоги кожи лазерным излучением, подобно термическим ожогам, могут быть разделены по глубине поражения на четыре степени:

1 степень — эритема кожи;

2 степень — появление пузырей;

3 а степень — некроз поверхностных слоев кожи;

3 б степень — некроз всей толщи кожи;

4 степень — некроз тканей на различной глубине за пределами кожи.

Характер терапевтических мероприятий при ожоге кожи лазерным излучением определяется не только глубиной, но и распространенностью повреждения кожи. Оказание первой помощи должно быть направлено на предотвращение загряз­нения и травматизации ожоговой поверхности.

2.3 Действие лазерного излучения на внутренние органы