I danni agli occhi provocati dalla
radiazione laser
Giuseppe Crescenzio
Introduzione
La prevenzione da incidenti agli occhi causati dai laser è di fondamentale importanza poiché anche
quantità relativamente piccole di luce laser possono portare a lesioni permanenti agli occhi.
Laser anche di moderata potenza sono potenzialmente pericolosi perché possono bruciare la retina
dell'occhio. A livello internazionale si definisce la "classe" del laser a seconda della loro potenza e
lunghezza d'onda. Sono quindi stati scritti regolamenti per l’uso dei laser che prescrivono particolari
misure di prevenzione che vanno dall’ architettura dell’apparecchio all’utilizzo di adeguati occhiali
protettivi. La radiazione laser provoca lesioni oculari prevalentemente attraverso gli effetti termici.
Anche laser di potenza moderata possono provocare lesioni agli occhi mentre laser ad alta potenza
possono anche bruciare la pelle. Alcuni laser sono così potenti che anche la riflessione diffusa da
una superficie può essere pericolosa per l'occhio.
Ciò che rende così pericolosa per l’occhio la radiazione laser sono proprio le proprietà di questa
ovvero l’elevata brillanza, la coerenza e il basso angolo divergenza. Inoltre il meccanismo di
messa a fuoco dell'occhio può concentrare la radiazione laser in una regione estremamente ristretta
sulla retina. Un aumento improvviso di soli 10 ° C può distruggere i fotorecettori della retina. Se il
laser è abbastanza potente possono verificarsi danni permanenti nel tempo di una frazione di
secondo ossia in un tempo più rapido della risposta del corpo umano alla radiazione (prima che si
riesca a chiudere gli occhi).
I laser a infrarossi sono particolarmente pericolosi, in quanto sistema di autoprotezione del corpo
"blink reflex" (riflesso di chiusura delle palpebre) viene attivata solo dalla luce visibile mentre la
radiazione infrarossa è invisibile all’occhio. La radiazione infrarossa può quindi danneggiare la
retina senza che la persona se ne accorga. Un rumore proveniente dal bulbo oculare può essere
l'unica indicazione che si è già verificato un danno retinico. Questo rumore significa che la retina è
stata riscaldata a più di 100 ° C con conseguente esplosione localizzata accompagnata dalla
creazione immediata di un posto cieco permanente.
Per questo motivo i laser infrarossi, vengono usati in medicina associati ad un puntatore rosso che ci
avvisa che il nostro occhio è in pericolo e permette all’operatore di evitare errori e pericoli.
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Meccanismo di danneggiamento dell’occhio
Il laser può causare un danno nei tessuti biologici. I processi che portano al danneggiamento dei
tessuti sono principalmente di tre tipi:
il danno fototermico: si verifica quando i tessuti vengono riscaldati fino al punto in cui si
verifica l'alterazione delle proteine. Questo effetto dipende fortemente dalla potenza della
radiazione incidente;
danno fotochimico: dove la luce innesca reazioni chimiche nei tessuti. Questo tipo di
danno si verifica per la maggior parte con lunghezze d'onda corte, come il blu e l’
ultravioletto. In questo caso a provocare il danno sono impulsi temporalmente lunghi che
non provocano un aumento di temperatura. L’effetto dipende dall’energia totale piuttosto
che dalla potenza (come l’effetto fototermico);
Effetto Fotoacustico (o da onda d’urto): E’ provocato da impulsi laser brevi e di alta
energia come ad esempio la radiazione emessa da un laser Q-switch. Una dose significativa
di energia è assorbita in tempi brevi rispetto alla diffusione termica. Ablazione e rapida
espansione del materiale (ossia esplosione e onda d’urto) provocano un danno esteso alla
retina. Gli effetti sono proporzionali all’energia dell’impulso.
Figura 1
Come già detto l’effetto di focalizzazione dell’occhio amplifica notevolmente il danno provocato
dalla luce laser sulla retina. Un fascio laser viene focalizzato sulla retina con una energia fino a 2 ×
105 volte superiore rispetto al punto sulla cornea in cui il raggio laser colpisce l'occhio. La maggior
parte della luce visibile viene assorbita dai pigmenti di melanina a livello dell'epitelio pigmentato,
proprio dietro i fotorecettori, e provoca ustioni della retina. Facciamo un esempio pratico: la
visione diretta di un fascio laser He-Ne (0.6328 nm) da 2 mW con uno spot di 16 µm fa sì che
l’intensità sulla cornea sia di 5 mW/cm2. Ma allora l’intensità sulla retina sarà di 1000 W/cm2!
Oltre alla potenza, come abbiamo detto anche la lunghezza d’onda ha un ruolo importante. Questo è
dovuto al fatto che luce a diverse λ ha energia diversa (crescente dal rosso al blu) e che le diverse
parti dell’occhio assorbono in maniera differente le diverse lunghezze d’onda.
La radiazione nel visibile e nel vicino infrarosso (400-1400 nm) penetra il bulbo oculare, giunge
alla retina e può causare il riscaldamento della retina. L'esposizione a radiazioni laser con lunghezza
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d'onda inferiore a 400 nm e superiore a 1400 nm è in gran parte assorbita dalla cornea, e può portare
allo sviluppo di cataratta o ustioni
Figura 2
Nella seguente tabella riassumiamo i particolari danni cusati da laser di varie lunghezze d’onda.
Intervallo di
lunghezze d’onda
180–315 nm (UV-B,
UV-C)
315–400 nm (UV-A)
400–780 nm (visible)
780–1400 nm (near-IR)
1.4–3.0μm (IR)
3.0 μm–1 mm
Effetto patologico
Fotocheratite (infiammazione della cornea)
Cataratta fotochimica (appannamento della lente dell’occhio)
Danni fotochimici della retina, bruciamento della retina
Cataratta, bruciamento della retina
Aqueous flare (torbidità dell’umor acqueo causato da una crescita del livello di
proteine), cataratta, bruciamento della retina
Bruciamento della cornea
Riassumendo si può dire che a seconda della lunghezza d’onda della radiazione diverse parti
dell’occhio risultano essere soggette al danneggiamento, dipende da quali tessuti assorbono di più
in quella determinata regione:
l’UV e l’IR sono assorbiti principalmente a livello della cornea
l’UV vicino, il visibile e il vicino IR vengono trasmessi e sono assorbiti a livello della
retina
Il danneggiamento della retina dipende dall’intensità dell’immagine focalizzata sulla retina
stessa.
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Tempi di esposizione massimi permessi
I tempi di esposizione massimi dipendono dalla lunghezza d’onda e chiaramente dall’ intensità
(W/cm 2 ) della radiazione incidente. L’OSHA (Amministrazione per la salute e sicurezza nel lavoro
Americana) li riassume come segue nella tabella in cui viene preso in considerazione l’MPE
(Maximum Permissible Exposure) ossia l’esposizione massima diretta dell’occhio alla radiazione
laser in funzione dell’irradianza (W/cm 2) sulla cornea. Vengono qui considerati i laser di maggiore
diffusione in campo medico (Nd:YAG, Diodi laser) e industriale (CO2 , Ar+).
I tempi presi in considerazione hanno un significato ben preciso:
0.25 secondi: “blink reflex” Il tempo di reazione umana all’abbagliamento in termini di
chiusura delle palpebre. Questo è considerato la "prima linea di difesa" per una inaspettata
esposizione a radiazione laser.
10 secondi: Questo è il limite minimo di esposizione a radiazione infrarossa, dopo il quale
domina il naturale movimento dell’occhio.
600 secondi: che rappresenta il tempo medio di visione di radiazione visibile riflessa in
lavori come allineamento di strumenti di laboratorio.
30000 secondi: Il periodo che rappresenta una intera giornata di lavoro di 8 ore.
-------------- MPE level (W/cm2) -------------Laser type
W.L.(µm) 0.25 sec
10 sec
600 sec
30000 sec
CO2 (CW)
10.6
-100.0 × 10-3 -100.0 × 10-3
Nd: YAG (CW) 1.33
-5.1 × 10-3
-1.6 × 10-3
Nd: YAG (CW) 1.064
-5.1 × 10-3
-1.6 × 10-3
Nd:
YAG 1.064
-17.0 × 10-6 -2.3 × 10-6
(Q-switched)
GaAs
0.840
-1.9 × 10-3
-610.0 × 10-6
(Diode/CW)
HeNe (CW)
0.633
2.5 × 10-3 -293.0 × 10-6 17.6 × 10-6
Krypton (CW)
0.647
2.5 × 10-3 -364.0 × 10-6 28.5 × 10-6
0.568
31.0 × 10-6 -2.5 × 10-3
18.6 × 10-6
0.530
16.7 × 10-6 -2.5 × 10-3
1.0 × 10-6
Argon (CW)
0.514
2.5 × 10-3 -16.7 × 10-6 1.0 × 10-6
XeFl
0.351
---33.3 × 10-6
(Excimer/ CW)
XeCl
0.308
---1.3 × 10-6
(Excimer/ CW)
Le irradianze permesse ovviamente variano con la lunghezza d’onda e con i tempi di esposizione.
Per tempi lunghi tutte le lunghezze d’onda sono prese in considerazione e come detto in
precedenza a tempi lunghi la radiazione a lambda corte è molto dannosa.
A 0.25 sec si considera solo la radiazione visibile in quanto le altre non provocano reazione
perché non viste.
A 10 sec. Viene considerata solo la radiazione infrarossa
A 600 sec. Solo la visibile in quanto è l’unica che si usa negli allineamenti di laboratorio
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Classi e precauzioni per la salvaguardia dell’occhio
Il centro CDRH ,Center for Devices & Radiological Health (Centro per i Dispositivi & Salute
Radiologica), ha classificato i laser in diverse categorie basate sulla intensità e sulla lunghezza
dell’onda.
Classe I:
La classe laser 1 è considerata dalla attuale conoscenza medica
sicura. Esempi di laser di Classe 1 sono quelli usati comunemente
nelle stampanti laser e nei lettori di CD-Rom. Nel range visibile
sono laser con potenza inferiore a 0.4 W.
Classe II:
Il ‘blink reflex’, riflesso palpebrale dell’occhio umano previene
danni agli occhi, a meno che la persona deliberatamente guardi
nella direzione del fascio per un periodo prolungato. Potenza di
uscita può essere fino a 1 mW. Questa categoria comprende solo i
laser che emettono luce visibile. Alcuni puntatori laser sono in
questa categoria.
Una regione nella fascia bassa potenza della classe II in cui
servono almeno 1000 secondi di visione continua per produrre
una bruciatura alla retina. Scanner laser Supermercato si trovano
in questa sottoclasse.
Classe IIa
Class IIIa:
Laser in questa classe sono per lo più pericolosi, se usati in
combinazione con strumenti ottici che cambiano il diametro del
fascio o densità di potenza come per esempio telescopi, o sistemi
di condensazione. Potenza di uscita non è superiore a 5 mW. In
questa categoria ci sono i puntatori laser.
Classe IIIb: Laser di questa classe causano sempre danni se colpiscono
direttamente l'occhio. I laser di questa classe hanno potenze
comprese tra 5-500 mW. Possono causare danni permanenti agli
occhi, con esposizioni di 1/100 di un secondo o meno a seconda
della potenza del laser. Una riflessione diffusa, non è
generalmente pericolosa ma la speculare può essere altrettanto
pericolosa di quella diretta. I Laser di più alta potenza di questa
classe possono bruciare la pelle leggermente.
Classe IV:
Laser in questa classe hanno potenze di uscita oltre i 500 mW e
possono causare gravi danni permanenti agli occhi o alla pelle.
Questo anche senza tenere conto della amplificazione introdotta
dall’ottica dell’occhio. Anche se diffusa questa radiazione può
essere pericolosa per gli occhi. Molti laser industriali, scientifici,
militari e medici sono in questa categoria.
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Procedure e mezzi di controllo dei rischi
Vi sono vari sistemi di segnalazione del rischio e di controllo della luce laser che bisogna tenere in
considerazione. Nella valutazione dei rischi e nell’applicazione delle misure di controllo vanno
presi in considerazione tre aspetti:
La possibilità per il laser o il sistema laser di nuocere alle persone
L’ambiente nel quale il laser viene utilizzato
Il livello di formazione del personale che fa funzionare il laser o che può essere esposto alla
sua radiazione
Classe I:
Utilizzo senza prescrizioni
Classe II:
a) Evitare una visione continua del fascio diretto
b) Non dirigere il fascio laser deliberatamente sulle persone
Class IIIa: a) Evitare l’uso di strumenti ottici quali binocoli o teodoliti
b) Affiggere un segnale di avvertimento laser
c) Allineamento laser tramite mezzi meccanici o elettronici
d) Terminare il fascio laser in una zona esterna al luogo di lavoro
o delimitare tale zona
e) Fissare la quota del raggio laser molto al di sopra o al di sotto
dell’altezza dell’occhio
f) Evitare che il fascio laser sia diretto verso superfici riflettenti
g) Immagazzinare il laser portatile non in uso in un luogo
inaccessibile alle persone non autorizzate
Classe IIIb: Può causare danni a un occhio non protetto. Valgono le
precauzione della classe 3 A e inoltre
a) Funzionamento solo in zone controllate dagli operatori
b) Evitare assolutamente riflessioni speculari
c) Far terminare il fascio su un materiale atto a disperdere calore e
riflessione
d) Indossare le protezioni oculari
Classe IV:
Causa danni a un occhio sia tramite il fascio diretto, riflessioni
speculari e diffuse.
Rappresentano anche un potenziale pericolo di incendio. Valgono
le precauzione della classe 3 B e inoltre
a) Tragitti dei fasci protetti da un riparo
b) Durante il funzionamento presenza solo di personale tecnico
munito di protettori oculari e idonei vestiti protettivi
c) Per evitare la presenza di personale sarebbe preferibile se
fossero comandati a distanza
d) Preferibili bersagli metallici non piani e adeguatamente
raffreddati
e) Per evitare riflessioni indesiderate nella parte invisibile dello
spettro per la radiazione laser situata nell’infrarosso lontano, il
fascio e la zona di impatto dovrebbero essere avvolte da un
materiale opaco per la lunghezza d’onda del laser
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Occhiali protettivi:scelta e utilizzo
Diamo infine un breve accenno alle protezioni oculari solitamente usate dagli utilizzatori di laser.
Gli occhiali protettivi, necessari dalla classe IIIb in su si devono scelgliere acuratamente tenendo in
considerazione due parametri principali :
la lunghezza d’onda a cui lavora il laser
l’attenuazione degli occhiali a tale :
L’attenuazione è espressa in termini di Densità Ottica (OD) con la seguente formula
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𝐸𝑖
𝑂𝐷 = 𝑙𝑜𝑔10 ( ) = 𝑙𝑜𝑔10 ( )
𝑇
𝐸𝑡
Dove T è la trasmissione, Ei intensità del fascio in ingresso, Et intensità del fascio in uscita
Ad esempio OD=4.0 trasmette 1/104 del fascio. Quindi un occhiale del genere può filtrare un fascio
di 10 mW (λ=0.6328 nm) e ridurlo a 1 µW facendo così scendere il laser dalla classe IIIb dannosa
all’occhio alla classe I.
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Riferimenti bibliografici:
[1] United States Department of Labor , Occupational Safety & Health Administration
http://www.osha.gov/dts/osta/otm/otm_iii/otm_iii_6.html
[2] U.S. Food and Drugs Administration
http://www.fda.gov/default.htm
[3] Wikipedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_safety
[4] Appunti e dispense dal corso di Laboratorio di Ottica I docente Vania da Deppo, Master in
Ottica Applicata, a.a. 2008/2009
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