2014-03-11
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
2014-03-11
Anvädning av ljus inom medicinen
Diagnostisk användning av ljus
Terapeutisk användning av ljus
•
X-ray
•
•
Medical infrared imaging
•
Contrast microscopy
•
Blood gas analysis
•
Temperature
Fotofysikaliska
•
•
•
•
•
Spectral imaging
•
Fluorescent imaging
•
Ballistic photon imaging
•
Optical coherence tomography
•
Multiphoton imaging
•
Optoacoustic imaging
•
Behandling av vattenkoppor
Fotokemisk
Oxygen radikaler
Fotokoagulation
•
Fotonenergi övergår till mekanisk
energi
•
Fotodynamisk terapi
Fotobiologi strålning
Vad är ljus?
X-rays
380-770
nm
Ultraviolet
100-400 nm
2
100
Linköpings universitet
Microwaves
Visible
light
3
4
Infrared
770-1000000 nm
5 6 7 89
Wavelength λ
1000
2
3
4
5 6 7 89
nanometers
10000
2
2014-03-11
Korta våglängder
CIE:
UV-C
UV-B
UV-A
(100-280 nm)
(280315 nm)
(315-400 nm)
Definitions
based on
biological
effects. *
UV-C*
Ozoneproducing
Germicidel
UV-B*
Erythemal
Near UV
(“Black light”)
Far UV
100
150
200
250
UV-A*
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
2014-03-11
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
Krypton
476 nm
Argon
488 nm
Copper vapor
510 nm
Argon
514 nm
Krypton
528 nm
Frequency doubled Nd YAG
532 nm
Helium neon
543 nm
Krypton
568 nm
Copper vapor
570 nm
Rohodamine 6G dye (tunable)
570 nm
Helium neon
594 nm
Helium neon
610 nm
Gold vapor
627 nm
Helium neon
633 nm
Krypton
647 nm
Rohodamine 6G dye
650 nm
Ruby (CrAlO3)
694 nm
Blue
Green
Yellow
Orange
Red
Linköpings universitet
4
2014-03-11
Ögats känslighetskurva
Ögat
400-1400 nm
<400, >1400 nm
Retinal damage
<400, >1400 nm
Burns, cataracts
Linköpings universitet
5
2014-03-11
Ögonskador
Öga skadat av en pulsad Laser
Linköpings universitet
6
2014-03-11
Absorptionsspektrum för human vävnad
650 nm
1.3µm
Brännskador på hud
• CO2 laser reflekterad i en metallyta
Linköpings universitet
7
2014-03-11
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
2014-03-11
Påverkan av ögat vid olika våglängder
17
Ögats genomsläpplighet
Linköpings universitet
9
2014-03-11
Känslighet för skador: ögats transmission
19
Effekter av optisk strålning
Photobiological Spectral
Domain (CIE Band)
Ultraviolet C
(200-280 nm)
Ultraviolet B
(280-315 nm)
Eye Effects
Skin Effects
Photokeratitis
Ultraviolet A
(315-400 nm)
Visible
(400-780 nm)
Photochemical UV
Cataract
Photochemical and Thermal
Retinal Injury
Color and Night Vision
Degradation
Retinal Burns
Cataract
Corneal Burn
Aqueous Flare
IR Cataract
Corneal Burn
Erythema (Sunburn) Skin
Cancer
Erythema (Sunburn)
Accelerated Skin Aging
Increased Pigmentation
Pigment Darkening Skin Burn
Infrared A
(780-1400 nm)
Infrared B
(1400-3000 nm)
Infrared C
(3000-1 million nm)
Linköpings universitet
Photokeratitis
Skin Burn
Photosensitive Reactions
Skin Burn
Skin Burn
Skin Burn
10
2014-03-11
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 105 jämfört med
effekttätheten framför ögat. MTE-värdena tar hänsyn till
fokuseringseffekten och gäller mätt framför ögats hornhinna.
Maximalt tillåten exponering (MTE)
Linköpings universitet
•
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/cm2 för kontinuerlig våg
lasrar och i J/cm2 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/m2) eller energitätheten (J/m2) vinkelrätt mot strålbanan som
medelvärden över cirkulära areor med de diametrar som anges
11
2014-03-11
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
2014-03-11
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
2014-03-11
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
2014-03-11
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
2014-03-11
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
