В последние десятилетия в промышленности, медицине, при научных исследованиях, в системе мониторинга состояния окружающей среды нашли применение лазеры. Их излучение может оказывать опасное воздействие на организм человека и в первую очередь на орган зрения. Лазерное излучение (ЛИ) генерируют в инфракрасной, световой и ультрафиолетовой областях неионизирующего ЭМИ.

Лазеры, генерирующие непрерывное излучение, позволяют создать интенсивность порядка 10 10 Вт/см 2 , что достаточно для плавления и испарения любого материала. При генерации коротких импульсов интенсивность излучения достигает величин порядка 10 15 Вт/см 2 и больше. Для сравнения отметим, что значение интенсивности солнечного света вблизи земной поверхности составляет всего 0,1‒0,2 Вт/см 2 .

В настоящее время в промышленности используется ограниченное число типов лазеров. Это в основном, лазеры, генерирующие излучение в видимом диапазоне спектра (λ = 0,44‒0,59 мкм; λ = 0,63 мкм; λ = 0,69 мкм), ближнем ИК-диапазоне спектра (λ = 1,06 мкм) и дальнем ИК-диапазоне спектра (λ = 10,6 мкм) . При оценке неблагоприятного влияния лазеров все опасности разделяют на первичные и вторичные. К первым относят факторы, источником образования которых является непосредственно сама лазерная установка. Вторичные факторы возникают в результате взаимодействия ЛИ с мишенью.

К первичным факторам вредности относят ЛИ, повышенное электрическое напряжение, световое излучение, акустические шумы и вибрация от работы вспомогательного оборудования, загрязнение воздуха газами, выделяющимися из узлов установки, рентгеновское излучение электроионизационных лазеров или электровакуумных приборов, работающих при напряжении свыше 15 кВ.

Вторичные факторы включают отраженное ЛИ, аэродисперсные системы и акустические шумы, образующиеся при взаимодействии лазерного излучения с мишенью, излучение плазменного факела.

ЛИ может представлять опасность для человека, вызывая в его организме патологические изменения, функциональные расстройства органа зрения, центральной нервной и вегетативной систем, а также влиять на внутренние органы, такие как печень, спинной мозг и др. Наибольшую опасность ЛИ представляет для органа зрения. Основным патофизиологическим эффектом облучения тканей ЛИ является поверхностный ожог, степень которого связана с пространственно-энергетическими и временными характеристиками излучения.

Воздействие лазерного излучения на глаза. Сравнительно легкая уязвимость роговицы и хрусталика глаза при воздействии электромагнитных излучений самых различных длин волн, а также способность оптической системы глаза увеличивать плотность энергии излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона на глазном дне на несколько порядков по отношению к роговице выделяют его в наиболее уязвимый орган. 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 орган зрения в основном приводит к поражению роговицы. Поверхностные ожоги роговицы лазерным излучением с длиной волны в пределах ультрафиолетовой области спектра устраняются в процессе самозаживления.

Для лазерного излучения с длиной волны 0,4‒1,4 мкм критическим элементом органа зрения является сетчатка. Она обладает высокой чувствительностью к электромагнитным волнам видимой области спектра и характеризуется большим коэффициентом поглощения электромагнитных волн видимой инфракрасной и ближней ультрафиолетовых 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.

Излучения с длинами волн более 1,4 мкм практически полностью поглощаются в стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры глаза. При умеренных повреждениях эти среды глаза способны самовосстанавливаться. Лазерное излучение средней инфракрасной области спектра может причинять тяжелое тепловое повреждение роговице.

Отметим, что лазерное излучение оказывает повреждающее действие на все структуры органа зрения. Основной механизм повреждений ‒ тепловое действие. Импульсное лазерное излучение представляет большую опасность, чем непрерывное.

Воздействие лазерного излучения на кожу. Повреждения кожи, вызванные лазерным излучением, могут быть различными: от легкого покраснения до поверхностного обугливания и образования глубоких дефектов кожи. Эффект воздействия на кожные покровы определяется параметрами излучения лазера и степенью пигментации кожи.

Пороговые уровни энергии излучения, при которых возникают видимые изменения на коже, колеблются в сравнительно широких пределах

(от 15 до 50 Дж/см 2).

Биологические эффекты, возникающие при облучении кожи лазерным излучением, в зависимости от длины волны приведены в табл. 5.

Таблица 5

Биологические эффекты, возникающие при облучении кожи лазерным излучением

Лазерное излучение является электромагнитным излучением, генерируемым в диапазоне длин волн l = 180…105 нм. Лазерные установки получили широкое распространение.

Лазерное излучение характеризуется монохроматичностью (излучения практически одной частоты), высокой когерентностью (сохранением фазы колебаний), чрезвычайно малой энергетической расходимостью луча и высокой концентрацией энергии излучения в луче.

Биологические эффекты воздействия лазерного излучения на организм определяются механизмами взаимодействия излучения с тканями и зависят от длины волны излучения, длительности импульса (воздействия), частоты следования импульсов, площади облучаемого участка, а также от биологических и физико-химических особенностей облучаемых тканей и органов. Различают тепловые, энергетические, фотохимические и механические (ударно-акустические) эффекты воздействия, а также прямое и отражённое (зеркальное и диффузное) излучения. Для глаз, кожи и внутренних тканей организма наибольшую опасность представляет энергонасыщенное прямое и зеркально отражённое излучения. Кроме того, наблюдаются негативные функциональные сдвиги в работе нервной и сердечно-сосудистой систем, эндокринных желез, изменяется артериальное давление, увеличивается утомляемость.

Лазерное излучение с длиной волны от 380 до 1400 нм наиболее опасно для сетчатой оболочки глаза, а излучение с длиной волны от 180 до 380 нм и свыше 1400 нм - для передних сред глаза. Повреждение кожи может быть вызвано излучением любой длины волны рассматриваемого диапазона (180…105 нм).

Ткани живого организма при малых и средних интенсивностях облучения почти непроницаемы для лазерного излучения. Поэтому поверхностные (кожные) покровы оказываются наиболее подверженными его воздействию. Степень этого воздействия определяется длиной волны и интенсивностью излучения.

При больших интенсивностях лазерного облучения возможны повреждения не только кожи, но и внутренних тканей и органов. Эти повреждения имеют характер отёков, кровоизлияний, омертвения тканей, а также свёртывания или распада крови. В таких случаях повреждения кожи оказываются относительно менее выраженными, чем изменения во внутренних тканях, а в жировых тканях вообще не отмечено каких-либо патологических изменений.

Биологические эффекты, возникающие при воздействии лазерного излучения на организм, условно подразделяют на группы:

а) первичные эффекты - органические изменения, возникающие непосредственно в облучаемых живых тканях (прямое облучение);

б) вторичные эффекты - неспецифические изменения, возникающие в организме в ответ на облучение (длительное облучение диффузно отражённым излучением).

При эксплуатации лазерных установок на человека могут воздействовать следующие опасные и вредные факторы, обусловленные как самим лазерным излучением, так и спецификой его формирования:

• лазерное излучение (прямое, отражённое, рассеянное);
• сопутствующее работе установки ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения структурных компонентов;
• высокое напряжение в цепях управления и электропитания;
• ЭМП промышленной частоты и радиочастотного диапазона;
• рентгеновское излучение от газоразрядных трубок и элементов, работающих при анодном напряжении более 5 кВ;
• шум и вибрация;
• токсичные газы и пары, образующиеся в элементах лазеров и при взаимодействии луча со средой;
• продукты взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемыми материалами;
• повышенная температура поверхностей лазерного изделия и в зоне облучения;
• опасность взрыва в системах накачки лазеров;
• возможность взрыва и пожара при взаимодействии луча с горючим материалом.

По степени опасности излучения для биологических структур человека лазеры подразделяются на четыре класса.

К лазерам 1 класса относят полностью безопасные лазеры. Их излучение не представляет опасности для глаз и кожи.

Лазеры 2 класса - это лазеры, луч которых представляет опасность при облучении кожи или глаз человека. Однако диффузно отражённое излучение безопасно как для кожи, так и для глаз.

Лазеры 3 класса представляют опасность при облучении глаз и кожи прямым, зеркально отражённым излучением. Диффузно отражённое излучение опасно для глаз на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности, но безопасно для кожи.

У лазеров 4 класса диффузно отражённое излучение на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности представляет опасность для глаз и кожи.

Лазеры классифицирует изготовитель по выходным характеристикам излучения.

При эксплуатации установок 2-4 классов следует предусматривать мероприятия по лазерной безопасности, дозиметрический контроль лазерного излучения, санитарно-гигиенические мероприятия и медицинский контроль.

Лазерная безопасность - это совокупность технических, санитарно-гигиенических, лечебно-профилактических и организационных мероприятий, обеспечивающих безопасные и безвредные условия труда при эксплуатации лазерных установок.

Нормирование лазерного излучения осуществляется по предельно допустимым уровням облучения (ПДУ) согласно «Санитарным нормам и правилам устройства и эксплуатации лазеров» № 5804-91 . ПДУ излучения при однократном воздействии могут привести к незначительной вероятности возникновения обратимых отклонений в организме работающего. ПДУ излучения при хроническом воздействии не приводят к отклонению в состоянии здоровья человека как в процессе работы, так и в отдалённые сроки жизни настоящего и последующих поколений.

Нормируемыми параметрами являются облучённость Е, энергетическая экспозиция Н, энергия W и мощность Р излучения.

Облучённость - это отношение потока излучения, падающего на малый участок поверхности, к площади этого участка, Вт/м2.

Энергетическая экспозиция определяется интегралом облучённости по времени, Дж/м2.

ПДУ лазерного излучения устанавливаются для трёх диапазонов длин волн (180…380, 381…1400, 1401…105 нм) и случаев облучения: однократного (с временем воздействия до одной смены), сериями импульсов и хронического (систематически повторяющегося). Кроме того, при нормировании учитывают объект облучения (глаза, кожа, глаза и кожа одновременно).

При использовании лазеров в театрально-зрелищных мероприятиях, для демонстрации в учебных заведениях, для подсветки и других целей в медицинских приборах, не связанных непосредственно с лечебным действием излучения, ПДУ для всех облучаемых устанавливаются в соответствии с нормами для хронического облучения.

К лазерным изделиям с учётом их классов опасности предъявляются различные требования. Например, лазеры 3 и 4 класса должны содержать дозиметрическую аппаратуру, а их конструкция должна

обеспечивать возможность дистанционного управления. Лазерные изделия медицинского назначения должны быть оборудованы средствами для измерения уровня излучения, воздействующего на пациента и персонал. Лазеры 3 и 4 классов запрещено использовать в театрально-зрелищных мероприятиях, в учебных заведениях и на открытых пространствах. Класс лазерного изделия учитывается в требованиях по его эксплуатации.

Лазерные изделия и зоны распространения лазерного излучения должны обозначаться знаками лазерной опасности с пояснительными надписями, зависящими от класса лазера.

Безопасность при работе с открытыми лазерными изделиями обеспечивается путём применения СИЗ. Безопасность при использовании лазеров в демонстрационных целях, в театрально-зрелищных мероприятиях и на открытом пространстве обеспечивается организационно-техническими мероприятиями (разработка схемы размещения лазеров, учёт траектории лазерных лучей, строгий контроль за соблюдением правил и др.).

При использовании очков для защиты от лазерного излучения уровни освещённости рабочих мест должны быть повышены на одну ступень согласно СНиП 23-05-95.

Средства защиты (коллективные и индивидуальные) применяются для снижения уровней лазерного излучения, действующего на человека, до значений ниже ПДУ. Выбор средств защиты осуществляется с учётом параметров лазерного излучения и особенностей эксплуатации. СИЗ от лазерного излучения включают в себя средства защиты глаз и лица (защитные очки, выбираемые с учётом длины волны излучения, щитки, насадки), средства защиты рук, специальную одежду.

Персонал, работающий с лазерными изделиями, должен проходить предварительные и периодические (раз в год) медицинские осмотры. К работе с лазерами допускаются лица, достигшие 18 лет и не имеющие медицинских противопоказаний.

Лазерное излучение в медицине представляет собой вынужденную или стимулированную волну оптического диапазона длиной от 10 нм до 1000 мкм (1 мкм=1000 нм).

Лазерное излучение имеет :
- когерентность - согласованное протекание во времени нескольких волновых процессов одной частоты;
- монохроматичность - одна длина волны;
- поляризованность - упорядоченность ориентации вектора напряженности электромагнитного поля волны в плоскости, перпендикулярной ее распространению.

Физическое и физиологическое действие лазерного излучения

Лазерное излучение (ЛИ) обладает фотобиологической активностью. Биофизические и биохимические реакции тканей на ЛИ различны и зависят от диапазона, длины волны и энергии фотона излучения:

ИК-излучение (1000 мкм - 760 нм, энергия фотонов 1-1,5 ЭВ) проникает на глубину 40-70 мм, вызывает колебательные процессы - тепловое действие;
- видимое излучение (760-400 нм, энергия фотонов 2,0-3,1 ЭВ) проникает на глубину 0,5-25 мм, вызывает диссоциацию молекул и активацию фотохимических реакций;
- УФ-излучение (300-100 нм, энергия фотонов 3,2-12.4 ЭВ) проникает на глубину 0,1-0,2 мм, вызывает диссоциацию и ионизацию молекул -фотохимическое действие.

Физиологическое действие низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) реализуется нервным и гуморальным путем :

Изменение в тканях биофизических и химических процессов;
- изменение обменных процессов;
- изменение метаболизма (биоактивация);
- морфологические и функциональные изменения в нервной ткани;
- стимуляция сердечно-сосудистой системы;
- стимуляция микроциркуляции;
- повышение биологической активности клеточных и тканевых элементов кожи, активизирует внутриклеточные процессы в мышцах, окислительно-восстановительные процессы, образование миофибрилл;
- повышает устойчивость организма.

Высокоинтенсивное лазерное излучение (10,6 и 9,6 мкм) вызывает :

Термический ожог ткани;
- коагуляцию биологических тканей;
- обугливание, сгорание, испарение.

Лечебное действие низкоинтенсивного лазера (НИЛИ)

Противовоспалительное, снижение отечности ткани;
- аналгезирующее;
- стимуляция репаративных процессов;
- рефлексогенное воздействие - стимуляция физиологических функций;
- генерализованное воздействие - стимуляция иммунного ответа.

Лечебное действие высокоинтенсивного лазерного излучения

Антисептическое действие, образование коагуляционной пленки, защитный барьер от токсических агентов;
- резание тканей (лазерный скальпель);
- сварка металлических протезов, ортодонтических аппаратов.

Показания НИЛИ

Острые и хронические воспалительные процессы;
- травма мягких тканей;
- ожог и отморожение;
- кожные заболевания;
- заболевания периферической нервной системы;
- заболевания опорно-двигательного аппарата;
- сердечно-сосудистые заболевания;
- заболевания органов дыхания;
- заболевания желудочно-кишечного тракта;
- заболевания мочеполовой системы;
- заболевания уха, горла, носа;
- нарушения иммунного статуса.

Показания к лазерному излучению в стоматологии

Заболевания слизистой оболочки полости рта;
- заболевания пародонта;
- некариозные поражения твердых тканей зубов и кариес;
- пульпит, периодонтит;
- воспалительный процесс и травма челюстно-лицевой области;
- заболевания ВНЧС;
- лицевые боли.

Противопоказания

Опухоли доброкачественные и злокачественные;
- беременность до 3-х месяцев;
- тиреотоксикоз, диабет 1 типа, болезни крови, недостаточность функции дыхания, почек, печени, кровообращения;
- лихорадочные состояния;
- психические заболевания;
- наличие имплантированного водителя ритма;
- судорожные состояния;
- индивидуальная непереносимость фактора.

Аппаратура

Лазеры - техническое устройство, испускающее излучение в узком оптическом диапазоне. Современные лазеры классифицируются :

По активному веществу (источник индуцированного излучения) -твердотельные, жидкостные, газовые и полупроводниковые;
- по длине волны и излучения - инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые;
- по интенсивности излучения - низкоинтенсивные и высокоинтенсивные;
- по режиму генерации излучения - импульсный и непрерывный.

Аппараты комплектуются излучающими головками и специализированными насадками - стоматологические, зеркальные, акупунктурные, магнитные и др., обеспечивающие эффективность проводимого лечения. Сочетанное использование лазерного излучения и постоянного магнитного поля усиливает лечебный эффект. Серийно производятся в основном три вида лазерной терапевтической аппаратуры:

1) на базе гелий-неоновых лазеров, работающих в непрерывном режиме генерации излучения с длиной волны 0,63 мкм и выходной мощностью 1-200 мВт:

УЛФ-01, «Ягода»
- АФЛ-1, АФЛ-2
- ШАТЛ-1
- АЛТМ-01
- ФАЛМ-1
- «Платан-М1»
- «Атолл»
- АЛОК-1 - аппарат лазерного облучения крови

2) на базе полупроводниковых лазеров, работающих в непрерывном режиме генерации излучения с длиной волны 0,67-1,3 мкм и выходной мощностью 1-50 мВт:

АЛТП-1, АЛТП-2
- «Изель»
- «Мазик»
- «Вита»
- «Колокольчик»

3) на базе полупроводниковых лазеров, работающих в импульсном режиме генерации излучения с длиной волны 0,8-0,9 мкм, мощностью импульса 2-15 Вт:

- "Узор", "Узор-2К"
- "Лазурит-ЗМ"
- "Люзар-МП"
- "Нега"
- "Азор-2К"
- "Эффект"

Аппараты для магнитолазерной терапии:

- "Млада"
- АМЛТ-01
- "Светоч-1"
- "Лазурь"
- "Эрга"
- МИЛТА - магнито-инфракрасный

Техника и методика лазерного излучения

Воздействие ЛИ проводят на очаг поражения или органа, сегментарно-метамерной зоны (накожно), биологически активной точки. При лечении глубокого кариеса и пульпита биологическим методом облучение проводят в области дна кариозной полости и шейки зуба; периодонтита - световод вводят в корневой канал, предварительно механически и медикаментозно обработанный, и продвигают до верхушки корня зуба.

Методика проведения лазерного облучения - стабильная, стабильно-сканирующая или сканирующая, контактная или дистанционная.

Дозирование

Ответные реакции на ЛИ зависят от параметров дозирования:

Длина волны;
- методика;
- режим работы - непрерывный или импульсный;
- интенсивность, плотность мощности (ПМ): низкоинтенсивное ЛИ -мягкое (1-2 мВт) применяют для воздействия на рефлексогенные зоны; среднее (2-30 мВт) и жесткое (30-500 мВт) - на область патологического очага;
- время воздействия на одно поле - 1-5 мин, суммарное время не более 15 мин. ежедневно или через день;
- курс лечения 3-10 процедур, повторный через 1-2 месяца.

Техника безопасности

Глаза врача и пациента защищают очками СЗС-22, СЗО-33;
- нельзя смотреть на источник излучения;
- стены кабинета должны быть матовыми;
- нажимать на кнопку «пуск» после установки излучателя на патологический очаг.

Лазерное излучение — электромагнитное излучение оптического диапазона, источником которого являются оптические квантовые генераторы — лазеры. Для объяснения сущности и принципов получения лазерного излучения можно воспользоваться планетарной моделью атома, предложенной Э. Резерфордом. Согласно этой модели атомы представляют собой квантово-механические системы, состоящие из ядра и вращающихся вокруг него электронов, занимающих строго определенное, дискретное энергетическое положение. ПеСхема спонтанного (а) и вынужденного (б) излучений атомов реход из одного энергетического состояния в другое осуществляется скачкообразно и сопровождается поглощением или выделение кванта энергии.
Получение лазерного излучения базируется на свойстве атомов (молекул) под влиянием внешнего воздействия переходить в возбужденное состояние. Это состояние неустойчиво, и спустя некоторое время (примерно через 10-8 с) атом может самопроизвольно (спонтанно) или вынужденно под влиянием внешней электромагнитной волны перейти в состояние с меньшим запасом энергии, излучая при этом квант света (фотон). Согласно сформулированному А. Эйнштейном (1917) принципу энергия возбужденными атомами или молекулами будет излучаться с той же частотой, фазой и поляризацией и в том же направлении, что и возбуждающее излучение. При определенных условиях (наличие большого количества падающих квантов и большого числа возбужденных атомов) может происходить процесс лавинообразного увеличения числа квантов за счет вынужденных переходов. Лавинообразный переход атомов из возбужденного состояния, совершаемый за очень короткое время, и приводит к образованию лазерного излучения. Оно отличается от света любых других известных источников монохроматичностью, когерентностью, поляризованностью и изотропностью потока излучения.
Когерентность (от лат. cohaerens находящийся в связи, связанный) — согласованное протекание во времени нескольких колебательных волновых процессов одной частоты и поляризации; свойство двух или более колебательных волновых процессов, определяющее их способность при сложении взаимно усиливать или ослаблять друг друга. Обычные источники генерируют некогерентное излучение, а лазеры — когерентное. Благодаря когерентности лазерный луч максимально фокусируется, он более способен к интерференции, имеет меньшую расходимость и возможность получения более высокой плотности падающей энергии.
Монохроматичность (греч. monos — один, единственный + chroma — цвет, краска) — излучение одной определенной частоты или длины волны. Условно за монохроматическое можно принимать излучение с шириной спектра 3-5 нм.
Поляризация — симметрия (или нарушение симметрии) в распределении ориентации вектора напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне относительно направления ее распространения. Если две взаимно перпендикулярные составляющие вектора напряженности электрического поля совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз, такая волна называется поляризованной. Если изменения происходят хаотично, то волна является неполяризованной. Лазерное излучение — высокополяризованный свет (от 75 до 100 %).
Направленность — важное свойство лазерного излучения. Под направленностью лазерного пучка понимается его свойство выходить из лазера в виде светового луча с чрезвычайно малой расходимостью.
Основными характеристиками лазерного излучения являются длина волны и частота, а также энергетические параметры. Все они являются биотропными характеристиками, определяющими действие лазерного излучения на биологические системы.
Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за один период колебаний. В медицине чаще выражают в микрометрах (мкм) или нанометрах (нм). От длины волны зависит отражение, глубина проникновения, поглощение и биологическое действие лазерного излучения.
Частота, являясь величиной обратной длине волны, указывает на число колебаний, совершаемых в единицу времени. Принято выражать в герцах (Гц) или кратных величинах. Чем больше частота, тем выше энергия кванта света. Различают собственную частоту излучения, которая для конкретного источника неизменна, и частоту модуляции, которая в медицинских лазерах чаще всего может изменяться от 1 до 1000 Гц. Весьма важны энергетические характеристики лазерного облучения.
Мощность излучения (потокизлучения, поток лучистой энергии, Р) — средняя мощность электромагнитного излучения, переносимая через какую-нибудь поверхность. Измеряют в Вт или кратных величинах.
Плотность излучения (плотность потока мощности, или ППМ, интенсивность излучения, Е). Е = P/S, измеряется в Вт/м2 или мВт/см2.
Энергетическая экспозиция (доза излучения, Н) — энергетическая облученность за определенный промежуток времени. Н = Е t = Р t: S, измеряется в Дж/м2 (1 Дж = 1 Вт с).
При использовании лазерного излучения в медицине, в частности в лазеротерапии, важно ориентироваться на параметры не излучения, а облучения (см. Лазерная терапия).
При использовании непрерывного лазерного излучения по контактным методикам доза облучения (Д) равна энергии излучения(W) и измеряется в джоулях: Д = W = Р t.
Для импульсных воздействий дозу облучения рассчитывают в Дж по формуле:
Димп = Римп t f tau,
где Римп — мощность одиночного импульса в Вт; t — время воздействия в с; f — частота повторения импульсов в Гц; tau — длительность лазерного импульса в с.
В отличие от дозы облучения, поглощенная доза, которая и определяет действие лазерного излучения, всегда будет меньше, что связано с отражением части энергии от облучаемой поверхности. Величину отраженной энергии, которая может варьировать в значительных пределах, определяют с помощью биофотометров.
Поглощенная биообъектом доза лазерного излучения определяется по следующей формуле:
Дпогл = Р t (l — Котр) ,
где Котр — коэффициент отражения кожи или других тканей.
Соответственно для импульсного лазерного излучения эта формула будет выглядеть так:
Дпогл = PИМП t f tau (1 — К) .
При отсутствии биофотометров пользуются усредненными данными: для красного лазерного излучения коэффициент отражения у кожи равен 030, у слизистых оболочек 0,45; для инфракрасного лазерного излучения они соответственно равны 0,40 и 0,35.
В клинической медицине лазерное излучение используется по хирургическому и физиотерапевтическому направлениям. По первому направлению применяют более мощное лазерное излучение, вызывающее микродеструкцию тканей, являющуюся основой лазерной хирургии. Характерными эффектами действия интенсивного лазерного излучения являются коагуляция, сильный нагрев и испарение, абляция, оптический пробой, гидравлический удар и др. В физиотерапии используется низкоинтенсивное лазерное излучение, механизмы действия которого более разнообразны и сложны, но менее известны. Несомненно лишь то, что основу его действия составляют фотофизические и фотохимические процессы, происходящие при молекулярном поглощении энергии излучения и приводящие к различным фотобиологическим эффектам. Важно подчеркнуть, что за счет триггерных механизмов локальные молекулярные изменения трансформируются в системную приспособительную реакцию с ее различными проявлениями на всех уровнях жизнедеятельности организма.
Среди первичных механизмов действия лазерного излучения на биологические системы решающую роль отводят происходящим в митохондриях.
Один из возможных механизмов воздействия лазерного излучения на клетку заключается в ускорении переноса электронов в дыхательной цепи благодаря изменению редокс-свойств ее компонентов. При этом ключевая роль отводится ускоренному переносу электронов в молекулах цитохром-Соксидазы и НАДН-дегидрогеназы. Одновременно из каталитического центра может освободиться оксид азота, играющий, как и повышение дыхательной активности, важную роль в регуляции многих жизненно важных процессов.
За счет различных механизмов лазерное излучение может вызывать усиленную генерацию синглетного кислорода, являющегося химически и биологически высокоактивным соединением. Его образование усиливается при повышении рО2 в тканях. Синглетный кислород инициирует перекисное окисление липидов, изменяет проницаемость мембран, увеличивает транспорт ионов, вызывает ускорение пролиферации клеток и др. Высказывается предположение, что синглетный кислород может вызывать минимальные (додеструктивные) повреждения, выводящие систему из равновесия и стимулирующие ее деятельность в дальнейшем. Это прежде всего относится к мембранам клеток крови.
Фотоакцепторами лазерного излучения могут быть многие витамины, ферменты, в т.ч. рибофлавин (440 нм), каталаза (628 нм), цитохромрксидаза (600 нм), сукцинатдегидратеназа и супероксиддисмутаза. При терапевтических дозировках их активность и содержание в различных тканях повышается, одним из следствий чего является повышение антиоксидантного статуса в тканях и снижение ПОЛ.
Лазерное излучение может прямо или косвенно влиять на мембраны, изменять их конформацию, ориентацию на них рецепторов и состояние фосфолипидных компонентов. К следствиям таких изменений относят повышение проницаемости мембран в отношении Са2+, а также увеличение активности аденилатциклазной и АТФ-азной систем, сказывающееся на биоэнергетике клетки.
Многие авторы первичное действие лазерного излучения объясняют его влиянием на структуру воды, а через нее на реакции, протекающие в водных системах, и на белки, микроокружение которых представлено молекулами воды.
В последнее время активно разрабатывается фотодинамический механизм первичного действия низкоинтенсивного излучения. Согласно ему, хромофорами лазерного излучения являются эндогенные порфирины, содержание которых подвергается изменению при многих заболеваниях. Порфирины, поглощая излучение, индуцируют свободнорадикальные реакции, приводящие к предстимуляции (праймингу) клеток. Повышение активности клеток сопровождается увеличением различных биологически активных соединений (оксид азота, супероксидный анион-радикал, гипохлорит-ион, цитокины и др.), влияющих на микроциркуляцию, иммуногенез и другие физиологически значимые процессы.
Под влиянием лазерного излучения существует возможность локализованного нагрева абсорбирующих хромофоров, что может сопровождаться структурными изменениями биомолекул и их активности. Лазерное излучение кроме того может приводить к возникновению неоднородного температурного поля в биологических тканях вследствие неравномерного распределения поглощающих структур. Такая неравномерность нагрева может оказать существенное влияние на обменные процессы в тканях и клетках. Результатом многих первичных реакций является изменение редокс-статуса клетки: смещение в сторону более окисленного состояния связано со стимуляцией жизнеспособности клетки, смещение в сторону более восстановительного состояния — с ее подавлением.
Названные и другие первичные эффекты низкоэнергетического лазерного излучения сопровождаются спектром вторичных изменений, которые и определяют его физиологическое и лечебное действие. Оно зависит от многих факторов, среди которых важнейшими являются длина волны используемого излучения (и, соответственно, энергия его фотонов) и длительность воздействия. Поскольку в лазеротерапии применяют почти исключительно низкие плотности мощности лазерного излучения (до 100 мВт/см2), то влияние этого фактора менее существенно. В настоящее время наиболее востребованными являются биостимулирующий эффект лазеротерапии. Он определяет наиболее широкий диапазон терапевтического действия и максимально выражен у лазеров красного и ближнего инфракрасного спектров с длиной волны от 620 до 1300 нм. Важно отметить, что лазерная биостимуляция возникает лишь при непродолжительных (до 3-5 мин) воздействиях. Ингибирующий эффект лазеротерапии, присущий в основном коротковолновому излучению УФ-спектра, наблюдающийся при длительной экспозиции, используется значительно реже.
Вызванные поглощением энергии лазерного излучения фотохимические и фотофизические процессы развиваются прежде всего в месте его воздействия (кожа, доступные слизистые оболочки), поскольку глубина его проникновения зависит от длины волны и не превышает нескольких сантиметров. Основное звено в биостимулирующем эффекте лазеротерапии — активация ферментов. Она является следствием избирательного поглощения энергии лазерного излучения отдельными биомолекулами, обусловленного совпадением максимумов их спектра поглощения с длиной волны лазерного излучения. Так, лазерное излучение красного спектра поглощается преимущественно молекулами ДНК, цитохрома, цитохромоксидазы, супероксиддисмутазы, каталазы. Энергия лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона поглощается в основном молекулами кислорода и нуклеиновых кислот. В результате увеличивается содержание свободных (более активных) биомолекул и радикалов, синглетного кислорода, ускоряется синтез белка, РНК, ДНК, возрастает скорость синтеза коллагена и его предшественников, изменяется кислородный баланс и активность окислительно-восстановительных процессов. Это приводит к ответным реакциям клеточного уровня — изменению заряда электрического поля клетки, ее мембранного потенциала, повышению полиферативной активности, что определяет такие процессы, как скорость роста и пролиферации тканей, кроветворение, активность иммунной системы и системы микроциркуляции, затем ответная реакция организма переходит на тканевой, органный и организменный уровни.
Низкоэнергетическое лазерное излучение является неспецифическим биостимулятором репаративных и обменных процессов в различных тканях. Лазерное облучение ускоряет заживление ран, что обусловлено улучшением локального кровотока и лимфооттока, изменением клеточного состава раневого отделяемого в сторону увеличения количества эритроцитов и полинуклеаров, увеличением активности обменных процессов в ране, торможением перекисного окисления липидов. При облучении пограничных тканей по краям раны наблюдается стимуляция пролиферации фибробластов. Кроме того известно о бактерицидном эффекте лазерного излучения, связанного с его способностью вызывать деструкцию и разрыв оболочек микробной клетки. Активация гормонального и медиаторного звена общей адаптационной системы, наблюдающаяся при применении лазерного излучения, также может рассматриваться как один из механизмов стимуляции репаративных процессов.
При лазерном облучении стимулируется регенерация костной ткани, что послужило основанием для использования его при переломах костей, в т.ч. и с замедленной консолидацией. Под влиянием лазерного излучения улучшается регенерация в нервной ткани, снижается импульсная активность болевых рецепторов. Наряду с уменьшением интерстициального отека и сдавления нервных проводников, это определяет болеутоляющее действие лазеротерапии.
Лазерное излучение обладает выраженным противовоспалительным эффектом, который, вероятно, прежде всего обусловлен улучшением кровообращения и нормализацией нарушенной микроциркуляции, активацией метаболических процессов в очаге воспаления, уменьшением отека тканей, предотвращением развития ацидоза и гипоксии, непосредственным влиянием на микробный фактор. Существенную роль также играет активация иммунной системы, выражающаяся в повышении интенсивности деления и росте функциональной активности иммунокомпетентных клеток, увеличением синтеза иммуноглобулинов. Противовоспалительному эффекту способствует стимулирующее влияние лазерного излучения на эндокринные железы, в частности на глюкокортикоидную функцию надпочечников. Важно подчеркнуть, что как при бактериальном загрязнении раневой поверхности, так и при обострении хронического воспалительного процесса более целесообразно применение лазеров УФ-диапазона (использование ингибирующего эффекта для подавления альтерации и экссудации), а в стадии пролиферации и регенерации — красного и инфракрасного диапазонов. При вялотекущих воспалительных и при дегенеративно-дистрофических процессах следует воздействовать излучением только красного и инфракрасного спектра.
Под влиянием лазерного низкоэнергетического излучения происходит увеличение количества эритроцитов и ретикулоцитов, наблюдается усиление митотической активности клеток костного мозга, активируется противосвертывающая система, снижается СОЭ. Это действие на кроветворение развивается как прямым, так и косвенным путями. В первом случае генерируемый лазером свет, поглощаясь порфиринами эритроцитов, приводит к уменьшению резистентности и даже к распаду небольшого количества их. Продукты распада, очевидно, и активируют костно-мозговое кроветворение. Косвенное действие лазерного излучения реализуется вследствие активации деятельности эндокринных желез, прежде всего гипофиза и щитовидной железы, которые имеют непосредственное отношение к регуляции функции кроветворения.
Лазерное излучение, увеличивая энергетический потенциал клетки, способствует повышению устойчивости организма в целом к действию неблагоприятных факторов, в т.ч. и к ионизирующей радиации.
В общем, наиболее выраженными эффектами лазеротерапии, возникающими преимущественно в месте воздействия, являются: трофико-регенераторный, улучшающий микроциркуляцию, противовоспалительный, иммуностимулирующий, десенсибилизирующий, противоотечный, болеутоляющий.
При лазеротерапии регистрируются не только изменения в месте облучения, но и наблюдается общая ответная реакция организма. Генерализация местного эффекта происходит благодаря нейрогуморальным реакциям, которые запускаются с момента появления эффективной концентрации биологически активных веществ в облученных тканях, а также за счет нервно-рефлекторного механизма. Возникающие сдвиги основных показателей деятельности ЦНС, сердечно-сосудистой системы, ряда биохимических процессов носят, как правило, отсроченный характер и проявляются через некоторое время (минуты, часы) после процедуры. При этом они наиболее выражены при облучении акупунктурных зон.
Лазерное излучение с его уникальными свойствами нашло широкое и разнообразное использование в медицине. Источниками его являются квантовые генераторы — лазеры с различными физическими характеристиками (см. Лазер). Медицинские лазеры излучают в УФ-, видимом (чаще всего в красной области) и инфракрасном диапазонах оптического спектра, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. По терапевтическому направлению используется низкоинтенсивное лазерное излучение, генерируемое чаще всего гелий-неоновыми и полупроводниковыми лазерами (см. Лазерная терапия). Лазеротерапию применяют в самых различных клиниках при очень многих заболеваниях.
Показания: Высокоинтенсивное лазерное излучение, вызывающее видимые изменения тканей, используется по хирургическому направлению. Такое излучение способно вызывать резку и сварку тканей, коагуляцию, абляцию и гемостаз. С этой целью наиболее часто используют лазеры на аргоне, парах меди, на красителях, углекислоте, неодимовые и близкие к ним лазеры. Эксимерные лазеры нашли широкое применение в офтальмохирургии. Лазерное излучение (чаще средней интенсивности) применяется в так называемой фотодинамической терапии. Использование в этой технологии фотосенсибилизатора облегчает динамическую деструкцию патологически измененной клетки, но отнюдь не является обязательным условием ее. Фотодинамическая терапия сегодня наиболее широко применяется в лечении онкологических заболеваний, но границы ее применения постепенно расширяются. Весьма своеобразная область использования лазерного излучения — лазерная косметология. В косметологии наиболее часто пользуются углекислыми и эрбиевыми лазерами, а также лазерами на алюмо-иттрий-гранатовом кристалле. Лазерные технологии в косметологии применяют для таких косметологических процедур, как дермабразия, лифтинг, удаление гемангиом и телеангиоэктазий на лице, эпиляция волос и др. Лазерное излучение начинают использовать в программах эфферентной терапии, в лабораторных технологиях, а также в галографии. Совершенно очевидно, что возможности медицинской лазерологии далеко не исчерпаны.

Лазерное излучение и защита от него на производстве

Лазерное излучение — это электромагнитные излучения с длиной волны 0,2...1000 мкм: от 0,2 до 0,4 мкм — ультрафиолетовая область; свыше 0,4 до 0,75 мкм — видимая область; свыше 0,75 до 1 мкм — ближняя инфракрасная область; свыше 1,4 мкм — дальняя инфракрасная область.

Источниками лазерного излучения являются оптические квантовые генераторы — лазеры, которые нашли широкое применение в науке, технике, технологии (связи, локации, измерительной технике, голографии, разделении изотопов, термоядерном синтезе, сварке, резке металлов и т.п.).

Лазерное излучение характеризуется исключительно высоким уровнем концентрации энергии: плотность энергии — 1010...1012 Дж/см3; плотность мощности — 1020..1022 Вт/см3. По виду излучения оно разделяется на прямое (заключенное в ограниченном телесном угле); рассеянное (рассеянное от вещества, находящегося в составе среды, сквозь которую проходит лазерный луч); зеркально отраженное (отраженное от поверхности под углом, равным углу падения луча); на диффузно отраженное (отражается от поверхности по всевозможным направлениям).

В процессе эксплуатации лазерных установок обслуживающий персонал может подвергнуться воздействию большой группы физических и химических факторов опасного и вредного воздействия. Наиболее характерными при обслуживании лазерной установки являются следующие факторы: а) лазерное излучение (прямое, рассеянное или отраженное); б) ультрафиолетовое излучение, источником которого являются импульсивные лампы накачки или кварцевые газоразрядные трубки; в) яркость света, излучаемого импульсивными лампами или материалом мишени под воздействием лазерного излучения; г) электромагнитные излучения диапазона ВЧ и СВЧ; д) инфракрасное излучение; ж) температура поверхностей оборудования; з) электрический ток цепей управления и источника питания; и) шум и вибрации; к) разрушение систем накачки лазера в результате взрыва; л) запыленность и загазованность воздуха, происходящие в результате воздействия лазерного излучения на мишень и радиолиза воздуха (выделяются озон, окислы азота и другие газы).

Одновременность воздействия этих факторов и степень их проявления зависят от конструкции, характеристики установки и особенностей выполняемых с ее помощью технологических операций. В зависимости от потенциальной опасности обслуживания лазерных установок они подразделены на четыре класса. Чем выше класс установки, тем выше опасность воздействия излучения на персонал и тем большее число факторов опасного и вредного воздействия проявляется одновременно.

Если для 1-го класса опасности лазерной установки обычно характерна лишь опасность воздействия электрического поля, то для 2-го класса характерна еще и опасность прямого и зеркального отраженного излучения; для 3-го класса — еще и опасность диффузного отражения, ультрафиолетового и инфракрасного излучения, яркости света, высокой температуры, шума, вибраций, запыленности и загазованности воздуха рабочей зоны.

Лазерная установка 4-го класса опасности характеризуется полным наличием потенциальных опасностей, перечисленных выше.

В качестве основных критериев для нормирования лазерных излучений избрана степень изменения, происходящего под их влиянием в органах зрения и кожи человека. Безопасность при работе с лазерами оценивается вероятностью достижения того или иного патологического эффекта, определяемой:

Рбез = 1 - Рпат (3.47)

где Рбез — вероятность безопасности работы с лазером в конкретных условиях; РПат — фактический патологический эффект, измеренный при воздействии лазерного излучения.

В настоящее время доказано, что при воздействии лазерного излучения (особенно при разовом) существует однозначная связь между количественным показателем интенсивности воздействия поля и производимым им эффектом.

В целях обеспечения безопасных условий труда персонала установлены предельно допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения, которые при ежедневном воздействии на человека не вызывают в процессе работы или в отдаленные сроки отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами медицинских исследований.

1 — лазер, 2 — бленда, 3 — линза, 4 — диафрагма, 5 — мишень

Биологические эффекты воздействия лазерного излучения зависят не только от энергетической экспозиции, поэтому ПДУ лазерного излучения установлены с учетом длины волны излучения, длительности импульсов, частоты их повторения, времени воздействия и площади облучаемых участков, а также от биологических и физико-химических особенностей облучаемых тканей и органов.

Контроль уровней опасных и вредных факторов при эксплуатации лазеров проводится периодически (не реже одного раза в год), при приеме новых установок, при изменении конструкции лазерной установки или средств защиты, при организации новых рабочих мест.

В зависимости от класса лазерной установки используются различные защитные средства, включающие порядок эксплуатации установки, определенные «Санитарными нормами и правилами устройства и эксплуатации лазеров».

Комплекс мер, обеспечивающих безопасность работы с лазером, включает технические, санитарно-гигиенические и организационные мероприятия и направлен на предотвращение облучения персонала уровнями, превышающими ПДУ.

Достигается это обеспечением лазеров приспособлениями, исключающими воздействие прямого и отраженного излучения (экраны); использованием средств дистанционного управления, сигнализации и автоматического отключения; созданием специальных помещений для работ с лазером, их правильной компоновкой с обеспечением необходимого свободного пространства, систем контроля уровней облучения; оборудованием рабочих мест местной вытяжной вентиляцией.

В качестве экранирующих устройств от прямого и отраженного излучения на пути луча устанавливают бленды, а возле облучаемого объекта — диафрагмы.

К обслуживанию лазеров допускаются лица не моложе 18 лет, не имеющие медицинских противопоказаний, прошедшие инструктаж и обученные безопасным методам работы (имеют соответствующую квалификационную группу по технике безопасности).

В процессе эксплуатации установок на администрацию возложены обязанности контроля за безопасным ведением работ, а также предотвращение использования запрещенных приемов работ.

К средствам индивидуальной защиты от лазерного излучения, используемым только в комплексе со средствами коллективной защиты, относятся защитные очки и маски со светофильтрами.

Их выбор в каждом конкретном случае осуществляется с учетом длины волны генерируемого излучения.