Radiazioni Ottiche Artificiali

Radiazioni Ottiche Artificiali:
cosa sono, dove sono presenti nei
luoghi di lavoro
Dr. Riccardo Di Liberto
Struttura Complessa di Fisica Sanitaria
Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo -Pavia
AGENTI DI RISCHIO FISICO CHE
INTERAGISCONO IN VARI MODI CON
L’ORGANISMO UMANO
• RUMORE (presenza di apparecchiature rumorose
durante il ciclo operativo e di funzionamento)con
propagazione dell’energia sonora nell’ambiente di
lavoro;
• VIBRAZIONI (presenza di apparecchiature e
strumenti vibranti) con propagazione delle
vibrazioni a trasmissione diretta o indiretta;
• ULTRASUONI e INFRASUONI
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AGENTI DI RISCHIO FISICO CHE
INTERAGISCONO IN VARI MODI CON
L’ORGANISMO UMANO
• MICROCLIMA(carenze nella climatizzazione
dell’ambiente di lavoro in relazione a
temperatura, umidità relativa, ventilazione,
calore radiante, condizionamento;
• ILLUMINAZIONE (carenze nei livelli di
illuminamento ambientale e dei posti di lavoro in
relazione alla tipologia della lavorazione;
illumino• VIDEOTERMINALI(posizionamento,
tecnica, postura, microclima).
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AGENTI DI RISCHIO FISICO CHE
INTERAGISCONO IN VARI MODI CON
L’ORGANISMO UMANO
• RADIAZIONI IONIZZANTI (raggi X, alfa
beta, gamma, neutroni)
• RADIAZIONI NON IONIZZANTI
(radiofrequenze,
microonde,
radiazioni
infrarosse,
radiazioni
visibili,
radiazioni
ultraviolette, radiazioni LASER, campi magnetici
statici e variabili, campi elettrici, campi
elettromagnetici)
Dr. R. Di Liberto –Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia
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Per RADIAZIONI OTTICHE ARTIFICIALI si
intendono le radiazioni elettromagnetiche di
lunghezza d’onda compresa tra
100 nm e 1 mm generate da sorgenti non naturali
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Radiazioni ottiche
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Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA)
L' ottica è la parte della fisica
che descrive il comportamento e
le proprietà della luce e
l'interazione della luce con la
materia.
L'ottica affronta quelli che sono
chiamati i fenomeni ottici, da un
lato per spiegarli e dall'altro per
ottenere risultati sperimentali
che le consentano di crescere
come disciplina fenomenologica e
modellistica.
Cyclopaedia: or, A Universal Dictionary of Arts
and Sciences , London, 1728
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Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA)
L'ottica
di
solito
studia
il
comportamento delle radiazioni con le
frequenze del visibile, dell'infrarosso
e
dell'ultravioletto;
tuttavia
si
incontrano fenomeni analoghi nelle
frequenze
dei
raggi
X,
delle
delle
onde
radio
microonde,
(o radiofrequenze) e di altre gamme
della radiazione elettromagnetica.
L'ottica può quindi essere considerata
come una parte
dell'elettromagnetismo.
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Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA)
Le radiazioni ottiche sono caratterizzate dalla
loro lunghezza d’onda (nm).
Sono divise in radiazioni infrarosse, visibili e
ultraviolette.
Possono essere emesse in modo “coerente” o
“incoerente” e continuo o pulsato.
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Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA)
Sono “coerenti” le radiazioni ottiche emesse
da una sorgente LASER
Sono “incoerenti” le radiazioni ottiche emesse
dal sole o dalle lampadine a incandescenza o a
scarica di gas o da una saldatrice ad arco
elettrico.
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Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA)
La “coerenza” è una caratteristica delle
radiazioni elettromagnetiche legate alla “fase”
dell’onda durante la propagazione.
In particolare nelle sorgenti coerenti gli atomi
si diseccitano tutti in fase tra loro.
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Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA)
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Esempi di sorgenti di radiazioni ottiche artificiali
COERENTI
• qualsiasi tipo di LASER
NON COERENTI
• lampade o L.E.D. per fototerapia
• lampade scialitiche e per usi diagnostici/terapeutici
• lampade
per
luce
pulsata,
abbronzatura,
polimerizzazione di materiali, “curing” industriale,
termorestringimento, sterilizzazione, fotoincisione
• saldatrici ad arco voltaico
• riscaldatori radianti
• fornaci e corpi incandescenti
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Esempi di sorgenti ROA non coerenti
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Esempi di sorgenti ROA non coerenti
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Esempi di sorgenti ROA non coerenti
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Esempi di sorgenti ROA non coerenti
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Esempi di sorgenti ROA coerenti (LASER)
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Esempi di sorgenti ROA coerenti (LASER)
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Caratteristiche della radiazione laser
• Monocromaticità: i fotoni vengono emessi con la stessa
λ (lunghezza d’onda) ovvero la stessa frequenza.
• Unidirezionalità: il fascio di luce laser non diverge.
Questo consente di indirizzarlo con estrema precisione.
• Coerenza: le onde e.m. viaggiano in fase nella stessa
direzione. Ciò consente una elevata efficienza nel
processo di amplificazione.
• Brillanza: per brillanza si intende la potenza (in watt o
in joule al secondo) emessa per unità di superficie e
per unità di angolo solido.
(L'enorme brillanza del fascio Laser permette di raggiungere una densità di energia tale da
sublimare o fondere i metalli più duri o i materiali refrattari. Per avere un’idea del fenomeno
basti pensare che il rapporto tra brillanza del Laser focalizzato e brillanza del sole allo Zenit è
di circa 6.104 ).
Principali mezzi attivi dei laser :
CO2 – Nd:YAG – Er:YAG – Ho:YAG Argon – Diodo – Eccimeri -Fibra
Tipi di mezzi attivi
™ a stato solido: il materiale attivo è un cristallo o vetro (es:
Nd:YAG, Yb:YAG, Ho:YAG, Er:YAG).
™ a semiconduttore: la radiazione è dovuta alla stimolazione
conseguente alla ricombinazione di elettroni (es: laser a diodi).
™ a fibra: il materiale attivo è la stessa fibra ottica
(opportunamente drogata) che veicola il fascio e stimolata da
diodi LASER
™ a colorante: utilizzano soluzioni di opportuni coloranti organici
(ad es. cumarine) in vari solventi come alcool o acqua
™ a gas atomici neutri: il mezzo attivo è una miscela gassosa
eccitata da una scarica elettrica (He-Ne).
™ a gas ionizzati: il mezzo attivo è una miscela gassosa eccitata da
una scarica elettrica intensa (es:ARGON).
™ a gas molecolare: il mezzo attivo è una miscela gassosa eccitata
da scarica elettrica o ottica (es: CO2).
™ a eccimeri: il mezzo attivo è costituito da molecole instabili che si
formano durante la scarica di eccitazione.
Principali applicazioni mediche
• Uso chirurgico (generale, otorinolaringoiatria, ginecologia,
urologia, dermatologia, estetica, ortopedia, oculistica):
CO2 + DIODO +Nd:Yag + Ho:Yag + Argon + Eccimeri
• Vaporizzazione (otorinolaringoiatria, urologia, estetica,
dermatologia, ginecologia): CO2 + Er:Yag
• Fotocoagulazione (angiologia, dermatologia, ginecologia,
estetica): DIODO + Alessandrite + Nd:Yag
• Traumatologia
dello
+Nd:YAG+DIODI)
sport
e
fisioterapia
(CO2
• Diagnostica oncologica e funzionale (LIAF, LIF, NIRS,
OCT)
Principali applicazioni LASER industriali e civili
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Taglio
Saldatura
Marcatura
Foratura
Abrasione
Telecomunicazioni
Telemetria
Spettacolo
Commercio
Principali applicazioni LASER nella ricerca
• Restauro e pulitura di opere d’arte
• Generazione di plasmi
• Spettrometria
Classificazione dei laser
IEC 60825-1
• La pericolosità degli apparecchi LASER è
definita attraverso delle “classi” crescenti in
funzione dei rischi che generano:
classe 1 - 1M
classe 2 - 2M
classe 3R – 3B*
classe 4 *
Le variazioni di classificazione dei LASER
dalla norma IEC 60825-1:1993 alla norma IEC 60825-1:2001
CLASSE
SIGNIFICATO
Vecchia
classificazione
Nuova
classificazione
Classe 1
Normalmente
sicura
1
1
1M
1M - sorgente
divergente/a bassa
potenza che può
essere pericolosa se
focalizzata
Classe 2
Occhi protetti dal
riflesso
palpebrale
(solo visibile)
2
2
2M
2M – sorgente
divergente/a bassa
potenza che può
essere pericolosa se
focalizzata
Classe 3
Rischio oculare
3A & 3B*
3R
Rischio oculare
moderato, eliminata
la restrizione per la
densità di potenza
3B**
3B
Nessuna variazione
4
4
Nessuna variazione
Classe 4
Rischio oculare e
per la pelle
Variazione
Fonte: AURPO 2007
Lo spettro delle emissioni laser
Sistemi di trasmissione ed utilizzo del
fascio laser in ambito sanitario
• Trasmissione diretta
I laser di posizionamento del
paziente sono un esempio.
L’energia laser viene trasmessa
direttamente dall’apertura di
emissione al tessuto (con o
senza lenti di focalizzazione).
Sistemi di trasmissione ed utilizzo del
fascio laser in ambito sanitario
• Braccio articolato
Poiché il fascio generato da
un laser a CO2 viene
assorbito dal materiale delle
fibre
ottiche
per
la
trasmissione si utilizza un
braccio articolato dotato al
suo interno di un sistema di
specchi riflettenti.
Sistemi di trasmissione ed utilizzo del
fascio laser in ambito sanitario
• Guida d’onda cava
Grazie allo sviluppo di questa
tecnologia si sono potuti
superare molti limiti del
braccio articolato. Questi
dispositivi consistono di una
piccola cannula con un
rivestimento
riflettente
interno attraverso cui il fascio
laser può essere trasmesso
ed eventualmente deviato
con un piccolo specchio in
punta.
Sistemi di trasmissione ed utilizzo del
fascio laser in ambito sanitario
• Fibra ottica
L’energia del fascio laser
viene focalizzata con una
lente ed accoppiata ad
una fibra ottica. Il fascio
all’estremità distale potrà
divergere, convergere o
diffondersi sfericamente a
seconda della forma della
punta
• Fibra ottica
Manipoli e applicatori
• Applicatori con lenti di
focalizzazione
Il fascio laser viene focalizzato con
una lente ed accoppiato ad una fibra
ottica a sua volta collegata ad un
applicatore
con
lente
di
focalizzazione. La dimensione del
fascio applicato può variare a
seconda della focalizzazione.
¾Punte
a contatto di zaffiro,
metalliche o ceramiche
Micromanipolatori
Diffusori e sonde per terapia fotodinamica
Scanner (dispositivi a scansione)
Gli scanner utilizzano specchi mobili
per deflettere il fascio lungo un’area
pre-definita in modo controllato. Tali
sistemi in genere fanno uso di motori
passo-passo gestiti da apposite
interfacce elettroniche programmabili
dall’operatore.
La verifica della loro funzionalità è
quindi molto importante.
Scanner a diodi
LASER a Nd:YAG
LASER a DIODI
LASER a CO2
LASER ad
eccimeri
Principali impieghi laser in campo industriale
e civile
• Taglio
• Saldatura
• Marcatura
• Foratura
• Abrasione
• Telecomunicazioni
• Telemetria
• Spettacolo
• Commercio
Esempi di sorgenti laser in campo industriale
LASER a disco
Lavorazione tessile
Incisione su metalli
Taglio e foratura metalli
Esempi di applicazioni industriali: metalli
Esempi di applicazioni industriali: materie plastiche
Esempi di applicazioni industriali: tessuti
Esempi di applicazioni industriali: vetro
Esempi di applicazioni industriali: legno
Esempi di applicazioni industriali: cuoio
Esempi di applicazioni industriali:
ceramiche e pietre dure
Tipiche potenze emesse da sorgenti
LASER
Medicali: da 10-3 Watt a 102 Watt
Industriali: fino a 104 Watt
Ricerca: da 10-3 Watt a 104 Watt
Le sorgenti di ROA fin qui trattate devono
essere valutate dal punto di vista dei rischi
che possono generare per i lavoratori.
Tuttavia,
esistono
sorgenti
che
non
presentano rischi particolari legati alla
emissione di radiazioni ottiche nelle normali
condizioni di installazione e di utilizzo.
Dr. R. Di Liberto –Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia
Effetti sulla salute e sulla sicurezza
La pericolosità delle sorgenti ROA è relativa
all’energia emessa dalla sorgente e/o ricevuta dal
lavoratore, alla lunghezza d’onda, alla modalità di
impiego, al tempo di esposizione.
Organi a rischio
Il razionale dei limiti di esposizione
(ICNIRP 1997)
Gli occhi e la pelle sono gli organi più suscettibili di un
danneggiamento da radiazioni ottiche. Il tipo di effetto, le
soglie di danno ed i meccanismi di danneggiamento variano
in funzione della lunghezza d’onda della radiazione.
Il razionale dei limiti di esposizione
(ICNIRP 1997)
Poiché la pelle è meno sensibile al
danno da radiazione visibile ed
infrarossa, i limiti per l’esposizione
degli occhi sono molto più
restrittivi di quelli per la pelle.
Spettro CIE per l’eritema della pelle
Ocular injury action spectra: Guidelines on limits of
exposure to UV radiation, 2004
Regione spettrale
Ultravioletto C
(da 100 nm a 280 nm)
Ultravioletto B
(da 280 nm a 315 nm)
Occhio
Fotocheratite
Fotocongiuntivite
Ultravioletto A
(da 315 nm a 400 nm)
Cataratta
fotochimica
Visibile
(da 400 nm a 780 nm)
Lesione fotochimica
e termica della
retina
Cataratta
bruciatura della
retina
Infrarosso A
(da 780 nm a 1400 nm)
Infrarosso B
(da 1400 nm a 3000
nm)
Cataratta,
bruciatura della
cornea
Infrarosso C
(da 3000 nm a 1 mm)
Bruciatura della
cornea
Pelle
Eritema
(scottatura della pelle)
Tumori cutanei
Processo
accelerato di
invecchiamento
della pelle
Reazione di
fotosensibilità
Bruciatura della
pelle
Effetti biologici
Possono essere
ultraviolette:
essenzialmente
2
per
le
radiazioni
1. Danno
fotochimico
o
termico
per
l’occhio
(fotocongiuntivite, fotocheratite, cataratta) (180-400
nm).
2. Eritema, invecchiamento precoce, tumore per la pelle
(180-400 nm)
Effetti biologici
Possono essere essenzialmente 5 per le radiazioni visibili e
infrarosse:
1. Danno termico della retina (380-1400 nm).
2. Danno fotochimico della retina per esposizione a “luce
blu”(380-550 nm e 300-550 per gli afachici)
3. Danno termico al cristallino (800-3000 nm-IR vicino)
4. Danno termico (ustione) della pelle (380-1 mm) e della
cornea (1400 nm- 1 mm)
5. Danno da fotosensibilizzazione della pelle (315-780 nm)
Andamento della penetrazione in funzione della
lunghezza d’onda (occhio)
retina
315-400 nm (UV A)
cristallino
cornea
Andamento della penetrazione in funzione della
lunghezza d’onda (occhio)
350 -550 nm (luce blù)
retina
400 -780 nm (visibile)
780-1400 nm (IR A)
cornea
Andamento della penetrazione in funzione della
lunghezza d’onda (occhio)
200-315 nm
(UV B+C)
retina
1400 nm – 1 mm
(IR B+C)
cornea
cornea
Andamento della penetrazione in funzione della
lunghezza d’onda (occhio)
Particolare attenzione va posta agli effetti
“indiretti” delle radiazioni ottiche.
Sorgenti molto intense
causare
abbagliamento,
incendi o esplosioni.
possono infatti
disorientamento,
L’esposizione a ROA può essere determinante
per indurre reazioni di fotosensibilità.
La valutazione del rischio deve tenere conto
dei soggetti “particolarmente sensibili”.
Grazie per la vostra attenzione !
[email protected]
Dr. R. Di Liberto –Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia