Лазерный мир

Г. И.Желтов // Журнал Фотоника, №1, 2017, с: 10-35

Введение в 2009 году на территории СНГ копии европейского стандарта IEC 60825-1-2007 Safety of laser products параллельно с действующими Санитарными нормами и правилами положило начало неразберихе в нормативном законодательстве. Узаконенные нормативы содержат комплекс взаимно исключающих требований. Актуальность вопроса в том, что подобная нелепость общегосударственного уровня вообще стала возможной из-за игнорирования проблем безопасности людей, эксплуатирующих лазерную технику с наступлением периода «перестройки», то есть еще раньше введения стандарта лет на пятнадцать. В России отсутствует научное сопровождение этой проблемы, не существует
ответственной за ее решение действующей головной организации. Если оставить все как есть, ситуация будет динамично ухудшаться.

Adoption in the territory of the CIS in 2209 in the territory of the CIS of a copy of European standard IEC 60825-1-2007 Safety of laser products in parallel with the existing Sanitary Standards (Public Health Regulations) has laid the foundation to confusion in the normative legislation. The both of legalized standards contain the whole complex of mutually excluding requirements. Relevance of the issue is that this absurd of nation-wide level has become possible because of ignoring the problems of safety of the people operating laser technology after period of «perestroika» that is, for about fifteen years even earlier. In Russia there is no scientific maintenance of this problem, there is no operating parent organization responsible for the solution the problem. The situation will dynamically worsen unless resolved.

ВВЕДЕНИЕ
Защита от открытого лазерного излучения является частью большой проблемы, корни которой уходят глубоко в коммерческий характер индустриального использования лазерных технологий. Их внедрение привело к возникновению новых источников угроз здоровью человека, непривычных для классических методов обеспечения безопасности [1–7]. В предлагаемой статье обсуждается ряд вопросов, связанных с условиями безопасной эксплуатации лазерной аппаратуры и формированием соответствующей нормативной базы.

На территории России и союзных государств действует несколько противоречивых нормативных документов [1]. Причем запланированное на 2017 год издание обновленных Санитарных норм и правил – СанПиН 2.2.4.3359-16 [2] никоим образом ситуацию не нормализует. Источник противоречий – ввод в действие в 2009 году русскоязычной версии европейского стандарта Международной электротехнической комиссии IEC 60825-1-2007 Safety of laser products – Part 1: Equipment classification. Requirements and user guide. Он позиционировался как ГОСТ Р МЭК 60825-1-2009. Последняя версия этого стандарта с небольшим улучшением качества перевода – ГОСТ IEC 60825-1-2013 (далее – ГОСТ IEC).

ГОСТ IEC по многим параметрам неадекватен действующим в СНГ в период 1991–2016 годов «Санитарным нормам и правилам устройства и эксплуатации лазеров №5804-91» (далее СанПиН-91). Величины ПДУ облучения глаз, определяемые указанными документами, в отдельных случаях различаются на несколько порядков (!). Возникает масса вопросов о правовом статусе СанПиН и целесообразности использования ГОСТа IEC в предложенном виде. Совершенно очевидно, что введению нового стандарта, связанного с охраной здоровья людей, должен был предшествовать детальный анализ различий упомянутых документов и причин, обусловивших эти различия. Такой анализ с привлечением специалистов соответствующего профиля по моим данным не проводился. Таким образом, вопрос о том, чем мы платим за унификацию наших нормативов с западноевропейскими аналогами, проигнорирован. Проблема сопоставления и последующий прогноз потенциальных последствий неразберихи, вносимой совместным введением указанных документов, – достаточно объемная задача. В рамках журнальной статьи можно попытаться выделить часть наиболее острых моментов и пунктирно наметить возможные пути улучшения ситуации.

Приведенный в статье список литературы по обсуждаемой проблематике далеко не полон. Обширный объем информации о доступных публикациях можно найти, например, в объемной монографии [3]. В ней подробно представлены идеология и научная база как первых американских, так и более поздних западноевропейских нормативных документов, определяющих безопасные условия при работе с лазерами. Достаточно обширный список литературы приложен к докладу [4]. Из последних монографий, по-видимому, можно рекомендовать книгу [5], включающую раздел, посвященный безопасности при эксплуатации лазерной аппаратуры. История и принципы построения СанПиН-91 кратко изложены в статье [6]. Текущие корректировки европейских и американских нормативов, как правило, обсуждаются в журнале Health Physics и на сайте ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) http://www.icnirp.org/.

В предлагаемой статье основное внимание будет уделено разногласиям в оценке предельно допустимых значений энергетических характеристик излучения между СанПиН-91 и нормативами IEC, а также (по мере возможности) источникам этих разногласий. «Патогенез» разногласий тесно связан с историей создания обсуждаемых документов. Поэтому дублирование некоторых материалов из статьи [6] оказалось неизбежным. Мы ограничимся анализом проблем безопасности при однократном, прямом облучении глаз коллимированными потоками монохроматического излучения и будем использовать следующие термины и сокращения: ПДУ (предельно допустимый уровень) – значение энергетической характеристики излучения, воздействие которого, в данном случае, на глаза человека создает опасность потенциального необратимого повреждения нативной структуры тканей (и иных изменений в организме человека) с вероятностью, не превышающей 0,1%. Для обозначения соответствующих характеристик используются обозначения с индексом «пду»: Eпду (Вт/м 2) – облученность, Нпду (Дж/м 2) – энергетическая экспозиция, Qпду (Дж) – энергия излучения. МДЭ (максимально допустимая экспозиция) – термин, используемый в русскоязычной версии стандарта IEC, означающий по смыслу то же, что ПДУ. Далее, чтобы облегчить сравнение величин, рекомендуемых рассматриваемыми документами, мы будем именовать как МДЭ значения, относящиеся к стандарту IEC (Емдэ, Нмдэ, Qмдэ) и, соответственно, ПДУ, относящиеся к СанПиН-91 (Епду, Нпду, Qпду).

Пороговые значения энергетических характеристик лазерного излучения – значения энергетических характеристик потока излучения, воздействие которого на ткани глаз вызывает минимальные (ниже уточним), офтальмоскопически наблюдаемые, необратимые изменения тканей с вероятностью 50%. Исходные характеристики светового потока измеряются в плоскости роговицы глаза. Фиксация повреждений сетчатки или роговицы осуществляется через определенный интервал времени (обычно через 1 час). Эти величины обозначаются как ED50 (облученность), НD50 (энергетическая экспозиция), QD50 (энергия излучения).
Напомним в общих чертах последовательность создания обсуждаемых нормативных документов. Первым шагом, очевидно, является экспериментальное исследование зависимостей пороговых энергетических характеристик лазерного излучения от условий воздействия и свойств облучаемого объекта. Применительно к однократному лазерному облучению глаз это зависимости ED50 (НD50) от длительности экспозиции τ в интервале примерно 10–13 < τ < 104 с, длины волны λ (180 < λ < 105 нм) и характеристического размера облучаемой области (диаметра лазерного пятна) – d (приблизительно 10–5 < d < 10–2 м). На первом этапе в качестве объектов облучения in vivo используют глаза лабораторных животных. В нашем случае это кролики пигментных пород (обычно – шиншилла серый) и затем в поверочном эксперименте – обезьяны (чаще всего макака резус).

Детальные экспериментальные исследования во всех указанных интервалах параметров – нереальная по объему задача. Поэтому методика состоит в поиске некоторых базовых зависимостей, например ED50(τ) при фиксированных λ, d в доступном для имеющейся лазерной техники интервале τ. Затем на основе теоретических моделей и фрагментарных исследований ED50(λ, d) при фиксированных τ формируют общую картину ED50(τ, λ, d). Далее, введя определенные коэффициенты гигиенического запаса η (опускаю подробности), рассчитывают ПДУ (МДЭ) как Епду = ED50/η (Eмдэ = ED50/η).

И в западных странах, и у нас было принято разрабатывать подобные нормативные документы в общедоступной форме, ориентируясь на пользователя с весьма умеренными аналитическими способностями. Поэтому указанные функциональные зависимости и для Епду, и для Емдэ аппроксимировали простыми функциями. Эти функции, в сущности, и составляли основу норматива. К чему приводят подобные аппроксимации, увидим ниже.
По-видимому, первым обстоятельным документом государственного уровня, посвященным обсуждаемой проблематике, был американский стандарт ANSI Z-136.1–1976 American National Standard for the Safe Use of Lasers. При разработке этого документа широко использовались результаты исследований, проведенных не только в США, но и в странах Западной Европы (Великобритании, Германии, Франции и Швеции). Физические и биологические основы американского стандарта наряду с экспериментальными наработками практически в полной мере использовались при создании соответствующих ранних стандартов IEC и их последующих модификаций. Поэтому данные, приведенные здесь со ссылкой на ANSI Z-136 как на первоисточник, в полной мере относятся к европейским нормативам (если нет соответствующей ремарки) и, естественно, к их российским дублям.

СПЕКТРАЛЬНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ПРОПУСКАНИЯ ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Ткани анатомических элементов зрительной системы глаза содержат с небольшими вариациями примерно 90% воды. Это определяет спектральную зависимость оптического пропускания нормального глаза человека (рис.1) на участке от роговицы до пигментного слоя сетчатки (ретинальный пигментный эпителий – РПЭ). РПЭ содержит мелано-протеиновые гранулы, поглощающие основную часть попавшего в глаз видимого излучения. именно этот участок повреждается в первую очередь, если облученность сетчатки превышает пороговое значение.

Излучение в интервалах λ < 350 нм и λ > 1 400 нм поглощается преимущественно роговицей. Диапазон примерно 450–900 нм является наиболее опасным с позиций потенциального фотоповреждения тканей глаз. Здесь световой поток с малыми потерями фокусируется на сетчатку. В фокусе лазерного пучка при широком зрачке увеличение плотности мощности на отрезке роговица – сетчатка может достигать (3–5) · 104. Спектральные диапазоны 350–450 нм и 900–1400 нм переходные. Здесь существует конечная вероятность фотоповреждения как сетчатки (ослабленным потоком излучения), так и элементов структуры глазного яблока (радужка, хрусталик, стекловидное тело).
В стандарте ANSI Z-136 принята и сохранена до сегодняшнего дня в стандартах IEC упрощенная дифференциация степени опасности лазерного излучения по спектральным диапазонам. В интервалах 180 < λ < 400 нм и λ > 1400 нм в ходе исследований определялись исключительно ED50(QD50) фотоповреждения роговицы, а затем на этой основе устанавливались адекватные величины МДЭ облучения глаз. В интервале 400 < λ < 1400 нм (видимый и ближний ИК-диапазон) значение МДЭ определялось аналогичным образом, но при этом учитывались условия фотоповреждения сетчатки и прилежащих структур и фокусировка потока излучения оптической системой глаза.

ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ГЛАЗА ИЗЛУЧЕНИЯ УФ-ДИАПАЗОНА СПЕКТРА

Воздействие на роговицу мощного УФ-излучения в интервале от 180 до (очень приблизительно) 300 нм вызывает глубокие, на молекулярном уровне, изменения структуры тканей. Эти изменения по характеру близки измемнениям, возникающим при воздействии ионизирующей радиации. Время естественной репарации велико, поэтому при повторном однократном или многократном облучении реализуется эффект накопления (суммирования) наблюдаемых деструктивных изменений. Как следствие (в тех случаях, когда энергия или мощность падающего на роговицу излучения меньше МДЭ однократного облучения лазерным импульсом рассматриваемой длительности τ), в стандарте ANSI, а далее и в СанПиН-91, устанавливаются предельно допустимые суточные дозы излучения. Они не зависят от τ и количества импульсов при их повторении. Строго термин «экспозиционная доза фотонного излучения» (Дж/кг) подразумевает суммарную энергию фотонов, поглощенных единицей массы вещества за фиксированный интервал времени. Для облегчения метрологического обеспечения в стандарте ANSI нормируется суммарная предельно допустимая энергия излучения Qмдэ, проходящая через ограниченную апертуру, тогда как в СанПиН-91 – суммарная энергетическая экспозиция на роговице Hпду.. Принципиальных различий здесь нет. Выбор единиц измерения был обусловлен номенклатурой и особенностями распространенной в СССР аппаратурой для измерения характеристик лазерного излучения. Действие УФ-радиации на биоткани, включая роговицу глаза, изучалось в Советском Союзе в достаточно широких масштабах. Результаты этих исследований не противоречат нормативам, установленным стандартами ANSI и позднее IEС в спектральном интервале от 180 до ≈350 нм. Различия предельных величин Нпду, рекомендуемых «Правилами», и соответствующих значений Qмдэ, заданных стандартом ГОСТ IEC 60825–1–2013 (IEC 60825–1–2007), минимальны. Определенные разногласия возникли при оценке степени опасности воздействия на глаза излучения в интервале 350–450 нм (см. рис.1). Они будут рассмотрены далее. В последние десятилетия исследован ряд фотодеструктивных процессов (в частности, мутагенность), специфичных для воздействия УФ-радиации на биоткани, не принятых во внимание при разработке обсуждаемых документов. Поэтому как стандарты IEC, так и в равной степени СанПиН-91 в части, определяющей МДЭ (ПДУ) воздействия УФ-излучения на глаза, нуждаются в существенной доработке.

ДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ВИДИМОГО И БЛИЖНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА СПЕКТРА

Стандарты ANSI, IEC На рис.2 показана упоминавшаяся выше базовая зависимость пороговой энергии лазерного излучения видимого и ближнего ИК-диапазона от длительности экспозиции, использованная в первой редакции стандарта ANSI. Подопытные животные – обезьяны резус. Зрачок расширен медикаментозно (мидриаз). Подразумевается, что диаметр лазерного пучка меньше диаметра зрачка глаза. Измерялась энергия импульса Q (Дж) излучения, входящего в зрачок. Методика измерения пороговых энергетических характеристик лазерного излучения предложена E. S. Beatriss & G. D. Frish в 1973 году [8]. Впоследствии она была развита, доработана и использована многими исследователями, в том числе и в нашей стране. В ходе эксперимента выбранный участок глазного дна животного облучался сериями (обычно – строчка из 7–10 импульсов) одиночных импульсов с пошаговым увеличением (уменьшением) энергии излучения от серии к серии. Через заданный интервал времени (10 минут и/или 1 час) в альтернативной форме «да»–»нет» фиксировалось наличие или отсутствие видимых нарушений структуры. Наличие изменений, например коагулят, проявлялось в виде серого пятна на относительно темном фоне пигментного слоя (РПЭ) сетчатки. Для используемой в тот период техники офтальмоскопирования (фундус-камера, ретинофот, безрефлексный офтальмоскоп, щелевая лампа плюс линза Голдмана) минимально различимым на фоне неоднородностей пигментации глазного дна считалось пятно диаметром do = 20–25 мкм. Диапазон перестройки энергий излучения подбирался таким образом, чтобы серии облучений включали как 100%-ное отсутствие видимых нарушений структуры тканей глазного дна, так и их 100%-ное наличие. Комплекс полученных результатов подвергался статистической обработке, на основе которой вычислялось значение энергии QD50 излучения, вызывающего офтальмоскопически видимое фотоповреждение тканей глазного дна с доверительной вероятностью 50%. Для получения одной экспериментальной точки на графике, представленном на рис.2, требуется примерно 40–50 аппликаций. Естественно, в последующие годы эти базовые зависимости пополнились новыми экспериментальными данными, в том числе в пикосекундном интервале τ [9]. Были поняты источники ошибок измерений, обусловивших кажущийся подъем пороговой энергии в наносекундном диапазоне длительностей экспозиций. При этом показанные на рис.2 аппроксимации для МДЭ остались неизменными до настоящего времени (в приведенном интервале τ) и благополучно перекочевали в стандарты IEC. При всем глубочайшем уважении к создателям экспериментальной базы и собственно стандарта ANSI Z 136 надо указать на некоторые ограничения использования результатов, представленных на рис.2. Напомню, что диаметр перетяжки гауссового пучка, сфокусированного оптической системой глаза, лежит в интервале от единиц до ≈10 мкм (R. Gubisch, 1966; М. А. Островская, 1969; Г. И. Желтов, 1989 и многие другие [4]). Ситуация, при которой реализуется предельно острая фокусировка лазерного излучения на сетчатку, достаточно тривиальна. В этом случае глаз должен быть аккомодирован на предмет, расположенный (с поправкой на хроматическую аберрацию) несколько ближе (дальше) перетяжки исходного гауссова лазерного пучка. В практике эксплуатации лазерной аппаратуры это в большинстве случаев аккомодация на предметы, расположенные внутри рабочего помещения. В 70–80-х годах прошлого века ни мы, ни наши коллеги на Западе и в США не располагали техническими средствами, обеспечивающими оперативный контроль локальных флюктуаций пигментации тканей и одновременно пространственных характеристик лазерного пучка с точностью до единиц микрометров. В эксперименте, как правило, использовалась частичная компенсация изменений рефракции глаз лабораторных животных при мидриазе (медикаментозном расширении зрачка) таким образом, чтобы диаметр d лазерного пучка на глазном дне имел порядок 50–80 мкм. В указанном интервале размеров облучаемой области локальные флюктуации оптической плотности пигментного эпителия сетчатки автоматически усреднялись, а зона деструкции тканей (упоминавшееся серое пятно диаметром 20–25 мкм) с небольшой погрешностью соответствовала максиму плотности мощности (энергии) лазерного пучка в приосевой области. Позже нами было показано (рис.3), что базовые экспериментальные данные о зависимости пороговой энергии лазерной фотодеструкции тканей глазного дна от длительности экспозиции, зафиксированные на рис.2, адекватны диаметру сфокусированного на сетчатку лазерного пучка в указанном выше интервале (50–80 мкм). Минимальный диаметр распределения облученности сетчатки по уровню exp (–1) при прямом облучении зрачка Гауссовым пучком видимого диапазона спектра, как упоминалось, имеет порядок 10 мкм [4]. Величина пороговой энергии фотоповреждения сетчатки Qпду(Qмдэ) в первом приближении пропорциональна квадрату облучаемой площади пигментного эпителия РПЭ или, иными словами, ≈d 2. Таким образом, имеются серьезные основания для утверждения, что импульс лазерного излучения с энергией, позиционируемой как пороговая на рис.2, при острой фокусировке (d ≈ 10 мкм) приведет к серьезной травме сетчатки с вероятностью 100%. Эти замечания неоднократно публиковались, обсуждались и открыто, и приватно на различных конференциях. Основные контраргументы против этих утверждений – низкая вероятность события создания предельно острой фокусировки пучка на сетчатке и наличие большого (порядка 10) коэффициента гигиенического запаса η при переходе от пороговой энергии излучения QD50 к Qмдэ. Возражений по существу проблемы не было. Собственно проблема жива и здравствует по-прежнему. Первые отечественные нормативы Исследования механизмов деструктивного действия мощного оптического излучения на различные биообъекты (на ткани глаз в первую очередь) велись в СССР в широких масштабах практически вслед за рождением лазеров. Уместно вспомнить, что первый в мире промышленный медицинский аппарат для лазерной офтальмохирургии (офтальмокоагулятор) был выпущен в СССР в 1962 году. Одна из первых в мире лазерная операция, положившая начало не только офтальмо-, но и лазерной хирургии вообще, была проведена в НИИ глазных болезней и тканевой терапии им. В. П. Филатова, Одесса (далее – НИИ Филатова) в октябре 1962 года. Проводивший ее доктор (впоследствии профессор) Л. А. Линник был удостоен соответствующего сертификата Американского общества офтальмологов. К середине 80-х годов усилиями ряда организаций медицинского и биофизического профилей был накоплен достаточно обширный экспериментальный материал и разработаны теоретические модели как деструктивного, так и терапевтического действия лазерного излучения на живые объекты. Условия безопасной эксплуатации лазерной техники диктовались локальными правилами, методическими рекомендациями и техническими условиями. Приоритет разработки отечественного нормативного документа по лазерной безопасности общегосударственного уровня, безусловно, принадлежит творческому союзу Государственного оптического института им.С. И. Вавилова (ГОИ) и кафедры офтальмологии Военно-медицинской академии им.С. М. Кирова (ВМА). В ходе этой работы были обобщены данные отечественных и зарубежных достижений в области обсуждаемой проблемы и проведены собственные экспериментальные исследования на животных в достаточно большом объеме. В эксперименте применен уникальный на тот период лазер, разработанный и изготовленный в ГОИ, обеспечивающий управление длительностью экспозиции в интервале 10–10–10–1 с. В ходе исследований были созданы методические рекомендации и усовершенствованы программы статистической обработки экспериментальных данных. Получен набор приоритетных результатов как при изучении механизмов деструктивного действия на биоткани сверхкоротких (порядка 10–10 с) импульсов излучения, так и в ряде других областей, близких к обсуждаемой тематике. Одним из итоговых достижений, имевших большое практическое значение, была завершенная в 1981 году разработка первых отечественных Санитарных норм и правил устройства и эксплуатации лазеров № 2392–81 (далее – СанПиН-81) Базовая зависимость QD50(τ), использованная при разработке указанного документа показана на рис.3. Результаты экспериментов, безусловно, надежны. Здесь, в отличие от данных, приведенных на рис.2, все измерения выполнены на одной лазерной установке, имеющей стабильные, не зависящие от длительности экспозиции пространственные характеристики потока излучения. Исследования проведены по единой методике одной и той же группой исследователей (исключается субъективный фактор). При этом использовались животные одной генетической линии, содержащиеся в одинаковых условиях. Эти результаты имеют непреходящее значение как вклад в общую базу экспериментальных данных о деструктивном действии лазерного излучения на сетчатку глаза. К сожалению, аналогично данным американских и западноевропейских коллег (рис.2), представленные зависимости имеют ограничения применимости для оценки ПДУ. Эти ограничения обусловливаются достаточно большой величиной диаметра облучаемой в эксперименте области сетчатки (здесь d ≈ 150 мкм). Как видно из сопоставления зависимостей QD50(τ ), представленных на рис.2 и 3, увеличение (уменьшение) d приводит к изменениям не только собственно значений QD50, но и к серьезным «деформациям» характера зависимости QD50 от длительности экспозиции τ. Очевидно, что при корректной постановке задачи базовые зависимости пороговой энергии (или иных пороговых энергетических характеристик излучения) от длительности экспозиции должны быть адекватны условиям, предельно опасным с позиций потенциального фотоповреждения облучаемого объекта. Ни стандарты ANSI и IEC, ни отечественные СанПиН-81 этому требованию, к сожалению, не удовлетворяют. Нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров №5804-91 (СанПиН-91) Нормативы по лазерной безопасности второго поколения разрабатывались в нашей стране в конце 90-х годов в рамках обширной и многогранной Государственной программы, посвященной обеспечению безопасности персонала при эксплуатации лазерной техники практически во всех сферах ее применения (наука, промышленность, медицина, армия и т. д.). Рассматривался широкий перечень проблем – от биофизических основ взаимодействия лазерного излучения с живыми объектами до потенциальных профессиональных заболеваний и технического (метрологического) обеспечения контроля на рабочих местах. Программа по глубине проработки и перечню согласованно решаемых задач не имела и, думаю, не имеет до настоящего времени мировых аналогов. В выполнении задания по разделу Программы «Предельно допустимые уровни облучения глаз и кожи» участвовало порядка 10 организаций.

Экспериментальные исследования на животных (кроликах)

Экспериментальные исследования на животных (кроликах) проводили тандемы ГОИ –ВМА, Институт биофизики МЗ – ЦНИИ ТОЧМАШ, ИФ НАН Беларуси – НИИ В. П. Филатова. Эксперименты на приматах выполняла последняя пара организаций на базе НИИ экспериментальной патологии и терапии (НИИ ЭПиТ, Питомник обезьян, г. Сухуми) с приглашением специалистов из ведущих учреждений СССР медицинского и биофизического профилей. Объем финансирования обеспечил не только проведение экспериментальных исследований (в том числе на выезде), но и создание специальной аппаратуры, включающей лазеры с перестройкой длительности экспозиции и спектрального состава излучения, системы транспорта и наведения потоков излучения в экспериментах на животных и ряд других. Исходная концепция новой редакции СанПиН-91 – продукт коллективного обсуждения организаций-участников, включая, безусловно, разработчиков СанПин-81. Основной пункт в этой концепции – создание базовой зависимости ED50(QD50) от длительности экспозиции для условий наиболее неблагоприятной аккомодации глаз (предельно «острой» фокусировки потока излучения на глазное дно). Как отмечено выше, мы не располагали техническими средствами, обеспечивающими оперативный контроль первичных, малых фотоповреждений сетчатки непосредственно при проведении эксперимента. Однако к началу проекта уже была разработана и опробована экспериментально-аналитическая методика измерения зависимости ED50(QD50) от диаметра лазерного пятна на глазном дне [4]. Диаметр пятна d варьировался в доступных для измерений пределах (~40–500 мкм). Величина пороговой энергетической характеристики для d = 10 мкм вычислялась методом экстраполяции. Для иллюстрации метода на рис.3 приведены результаты экспериментов по измерению QD50 при облучении глазного дна обезьян и кроликов лазером с длиной волны 1,064 мкм при длительности импульса 2 · 10–3 с. По результатам всех измерений, приведенных на рис.3, получена только одна (!) точка на графике базовой зависимости QD50 (τ), соответствующая λ = 1 064 нм, τ = 2 · 10–3 (QD50 = 4 · 10–4 Дж). Замечу в порядке примечания, что для получения информации (рис.3) в эксперименте использовано 6 крупных обезьян – резус, весом 6–8 кг, одного помета. К этому нужно добавить примерно 10 кроликов. Вспомним, что для получения подобной информации по традиционной на тот период методике (рис.2 и 4) было достаточно 40–50 лазерных аппликаций в одном глазике одного животного. Таким образом, принятие концепции о наиболее неблагоприятной аккомодации требовало существенного увеличения объема исследований и, соответственно, затрат. И тем не менее эта концепция была принята. Заключительным аккордом дискуссии о целесообразности принятия указанной концепции послужила информация о фиксации офтальмологами множественных точечных скотом (коагулятов) в парамакулярной области сетчатки глаз у лиц, профессионально связанных с юстировкой газовых лазеров, использующих распространенный в тот период коллиматорный метод. Речь шла о гелий-неоновых лазерах, мощность которых была существенно ниже МДЭ, установленного стандартом IEC. При обсуждении концепции, разумеется, учитывалась практическая ценность унификации отечественных нормативов с зарубежными стандартами. Приоритет по степени значимости был отдан заботе о здоровье людей. Полученные в процессе экспериментальных исследований результаты достаточно хорошо вписывались в имеющуюся на тот период базу данных, созданную отечественными и зарубежными коллегами. На рис.3 показаны результаты измерений QD50, взятые непосредственно из графиков на рис.2 и 4 для τ = 2 · 10–3 с. Эти данные адекватны значениям диаметров лазерного пятна на глазном дне в первом случае предсказанному d = (5–8) · 10–5 м, во втором – измеренному d = (15–16) · 10–5 м. Констатируем тот факт, что базовые значения QD50, полученные в предположении о наиболее неблагоприятном состоянии аккомодации глаза, оказались примерно в 5 раз ниже тех, что использованы в стандартах ANSI и IEC (рис.3). На рис.5 показан фрагмент результирующих зависимостей Hпду(Нмдэ) от длительности экспозиции. Как следствие разности подходов, рассмотренных выше, Hпду в 3–10 раз ниже Нмдэ для различных условий облучения глаз. Эти вариации отчасти обусловлены выбором величины гигиенического коэффициента запаса η разработчиками стандартов ANSI и IEC. Этот выбор в известных мне комментариях к этому стандарту не обсуждается. Основные определения классов опасности лазеров в СанПиН-91 и стандарте IEC близки. Однако, установленные предельно допустимые энергетические параметры для лазеров 1, 2 и 3-го классов отличаются адекватно различиям ПДУ – МДЭ. Оба рассматриваемых документа, как отмечалось, ориентированы на упрощение их использования посредством аппроксимации реальной, достаточно «мягкой» зависимости ED50(τ) (рис.2, 4) простыми линейными или степенными функциями. При этом в местах «изломов» аппроксимаций (здесь интервалы 10–5–10–3 и 10–10–10–8 с) величина гигиенического коэффициента запаса искусственно увеличена примерно в 3–5 раз без физически и физиологически обоснованной необходимости. Пример решения конкретной задачи на основе ГОСТ IEC В качестве примера применения стандарта IEC рассмотрим простую задачу о выборе предельной мощности двух лазерных указок с длинами волн излучения 534 и 640 нм. Будем ориентироваться на возможность естественной защиты глаз при прямом облучении лазером на основе мигательного рефлекса с характерным временем запаздывания t = 0,25 с (2 класс опасности по ГОСТ IEC). Согласно этому стандарту (Таблица A1 документа), МДЭ излучения в спектральном интервале 500–700 нм при длительности экспозиции от 10–3 до 10 с определяется соотношением Нмдэ = 18 · t 0,75 Дж/м 2. Откуда легко показать, что безопасная для глаз мощность лазеров, используемых в указках, не должна превышать, примерно, 1 мВт. Это относится к излучению с длинами волн как 534, так и 640 нм. С позиций современных представлений о действии лазерного излучения на глаза, как процедура расчета, так и конечный результат имеют в основе три серьезные ошибки. В частности, как отмечалось выше, базовым принципом норматива IEC является предположение о фокусировке потока лазерного излучения на сетчатку в пятно диаметром 50–70 мкм. Такой размер пятна характерен для глаз человека с нарушением рефракции 0,5–1 диоптрии, забывшего надеть очки и задумчиво взирающего в бесконечность. Возможность предельно острой фокусировки излучения, например, при использовании лазерной указки в относительно небольших помещениях, безусловно, реальна. В этом случае случайное попадание в глаз слушателя лазерного излучения мощностью 1 мВт травмоопасно. Второй фактор. Лазерное излучение в зеленой области спектра (здесь – 534 нм) однозначно более опасно для глаз, чем в красной. Это обусловлено тем, что показатель поглощения меланина, определяющего спектральные свойства пигментного эпителия сетчатки примерно в два раза выше для λ = 534 нм, чем для λ = 640 нм. При поглощении излучения тканями адекватно возрастает (при прочих равных условиях) скорость нагрева среды и существенно увеличивается скорость денатурации протеинов клеток пигментного эпителия. При отсутствии информации о позиции разработчиков стандарта IEC равновероятными представляются две ошибки. Если нормированное значение МДЭ предполагалось безопасным для излучения в зеленой области спектра, гигиенический коэффициент запаса η в районе 600–700 нм неоправданно завышен в несколько раз. В противном случае вероятность фотоповреждения глаз слушателей излучением указки λ = 534 нм дополнительно возрастает. И третье, на наш взгляд, немаловажное обстоятельство. Необходимо вспомнить, что время защитного мигательного рефлекса (0,15–0,25 c) при разработке стандарта ANSI было определено при условиях воздействия мощной, яркой вспышки белого света, адекватной атомному взрыву или аналогам [3]. Аналогичные, серьезные исследования реакции глаз на специфическое лазерное воздействие мне не известны. Основные коренные отличия от указанных условий обусловлены лазерным (монохроматическим) облучением малых участков сетчатки (в предельном случае, измеряемом в десятках микрометров). По опыту коллег (в отдельных случаях печальному) воздействие видимого лазерного излучения в особенности на периферические отделы сетчатки не вызывает ощущения дискомфорта. Отсутствием безусловного мигательного рефлекса на воздействие коллимированного потока лазерного излучения, по-видимому, можно объяснить упомянутые выше точечные парамакулярные травмы сетчатки у юстировщиков газовых лазеров. Очевидно, рассматриваемая проблема заслуживает обстоятельного изучения, а понятие «естественная защитная реакция» применительно к воздействию лазера на глаза требует уточнения. Пример решения конкретной задачи на основе СанПиН-91 Опуская детали расчета, приведем конечные рекомендации СанПиН-91 для предельной мощности лазеров в условиях, рассмотренных выше. Они следующие: Pпду(λ = 534 нм) = 10–4 Вт; Pпду (λ = 640 нм) = 2 · 10–4 Вт. Здесь учтена возможность «острой» фокусировки потока излучения на сетчатку и смягчено различие в степени опасности излучения для двух областей спектра. Время мигательного рефлекса (с тяжелым сознанием собственного бессилия в попытке предложить что-то лучшее) оставлено аналогичным, принятому в ANSI (IEC). СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИНТЕРВАЛЫ 350–450 И 900–1400 НМ Стандарт IEC При распространении потока лазерного излучения внутри глазного яблока конкурируют два процесса: с одной стороны, увеличение плотности мощности (облученности среды E, Вт/м 2), обусловленное фокусировкой, и с другой, уменьшение этой величины, определяемое спектральным показателем поглощения k(λ), м–1. В видимой области спектра k мало, и действием этого фактора по существу пренебрегают. В ближних УФ- и ИК-диапазонах, где значения k имеют порядок примерно 10–1–10–3 м–1, такое пренебрежение недопустимо. В зависимости от соотношения указанных факторов действие лазерного излучения может быть опасным не только для роговицы и/или сетчатки глаза, но и для промежуточных интраокулярных структур, таких как радужка, хрусталик, стекловидное тело. Патогенным действием такого излучения на глаза является, например, распространенное и у нас, и на Западе [3] профессиональное заболевание – лучевая катаракта как у стеклодувов (УФ-фон), так и у работников горячих цехов в металлургии, кузнечных мастерских и других (ИК-фон). В ANSI Z136 и далее в стандартах IEC эти факторы не учитываются. По-видимому, еще при разработке концепции американского стандарта было решено принять в качестве границы между видимым и УФ-диапазонами спектра длину волны λ = 400 нм. Последующее стремление упростить пользование нормативом привело к допущению о том, что лазерное излучение с длиной волны λ > 400 нм опасно только для сетчатки. Соответственно, при λ < 400 рассматривается потенциальная возможность фотоповреждения только роговицы.
Для иллюстрации «работы» этого допущения рассмотрим значения мксимально допустимых экспозиций (Нмдэ, Дж/м2), взятые «на вскидку» из последней редакции стандарта IEC для λ = 400 ± Δλ нм (Δλ мало) и длительности лазерного импульса τ = 10–4 c, характерной для полупроводниковых лазеров. Расчетное значение Нмдэ для λ = 400 + Δλ нм составит 5 . 10–3 Дж/м2, и аналогично для λ = 400 – Δλ нм – 560 (!) Дж/м2.
По-видимому, комментарии здесь излишни: отношение Нмдэ для соседствующих спектральных областей здесь превышает 5 порядков. При увеличении длительности экспозиции это отношение дополнительно растет. Такой «скачок» адекватен многократному, также не имеющему обоснования локальному увеличению (уменьшению) гигиенического коэффициента запаса в пограничной области.
Кроме того, необходимо принять во внимание, что спектральное пропускание оптической системы глаза для излучения с длиной волны 400 нм имеет порядок 4–5% (см. рис.1). Следовательно, при энергетической экспозиции на роговице Нмдэ = 560 Дж/м 2 лучевая нагрузка на сетчатку эквивалентна воздействию внешнего потока излучения в видимой области спектра с величиной H примерно 20 Дж/м 2. Предельно допустимая энергетическая экспозиция для такого потока излучения, сфокусированного на сетчатку, как показано выше, составляет (5 . 10–3 Дж/м 2, то есть на 3–4 порядка меньше). Таким образом, допустимые пределы излучения (ДПИ), установленные стандартом IEC (ANSI) для УФ-диапазона в окрестности 400 нм, обеспечивают безопасность роговицы глаза, но при этом гарантирует с вероятностью 100% тяжелейшую травму сетчатки. Близкие, но менее ярко выраженные шероховатости имеют место и в переходном ИК-диапазоне.

СанПиН-91

К началу разработки СанПиН-91 отмеченные выше погрешности стандартов ANSI и IEC, безусловно, были выявлены и обнародованы. Принять американский сценарий в первозданном виде было неприемлемо. С другой стороны, отечественные разработчики находились в условиях ряда ограничений, связанных со сроками выполнения задания, объемами финансирования (исследования воздействия на глаза излучения в интервале 350–450 нм первоначально не планировались). Определенную роль, по-видимому, играла чисто психологическая ориентация на унификацию документа с западными стандартами и уже обсуждавшаяся установка сделать норматив предельно доступным для пользователя.

В итоге обсуждения было принято компромиссное решение сдвинуть границу раздела видимого и УФ-диапазонов от 400 до 380 нм. При этом предлагалось оставить в силе принципы нормирования ПДУ, исходя из условий фотоповреждения роговицы УФ-излучением с одной стороны, и деструктивного действия на сетчатку видимого света, с другой.
Поскольку пропускание оптической системы глаза в диапазоне 380 нм близко к нулю [7], проблема обеспечения безопасности сетчатки была решена. Однако, перенос указанной границы раздела увеличил область неоправданно завышенного коэффициента гигиенического запаса на 20 нм за счет аппроксимации реальной зависимости Hпду(λ). Осталось в несколько смягченном виде резкое (противоречащее законам живой природы) изменение ПДУ в районе 380 нм. Остались (и остаются) неизученными и неучтенными условия фотоповреждения интраокулярных структур в переднем отрезке глазного яблока как УФ-, так и ближним ИК-излучением.

Эти и ряд аналогичных задач предполагалось решить в процессе последующей доработки СанПиН. Однако, как известно, после 1991 года работы в обсуждаемой области были прекращены. Американцы и идущие в их кильватере европейцы не внесли (или почти не внесли) предложенные нами поправки в свои нормативы. Обсуждение причин выходит за рамки настоящей статьи. Однако отметим, что в более поздних разработках американских стандартов безопасности (например, ICNIRP, Guidelines on Limits of Exposure to Broad-band Incoherent Optical Radiation (0,38–3 мкм), 1997) граница УФ-диапазона перенесена к 380 нм.
ОБСУЖДЕНИЕ, ВЫВОДЫ, РЕКОМЕНДАЦИИ
На наш взгляд оба сравниваемых документа: ANSI-Z136 (позже IEC) и СанПиН-91 – заслуживают в высшей степени уважительного отношения. За ними стоит большая и нелегкая работа в новой для человечества области знаний. Поэтому на первых шагах какие-то просчеты и шероховатости неизбежны. В этом плане СанПиН-91 занимает более выгодную позицию как норматив второго поколения, использующий опыт разработки и применения на практике стандартов ANSI и СанПиН-81. Ряд обсуждаемых выше неточностей, обусловленных уровнем понимания проблемы в тот период, был устранен. Добавлены новые разделы и нормативы, основанные на результатах уникальных, не имеющих аналогов на Западе, исследований состояния здоровья лиц, профессионально работающих с лазерной аппаратурой. Эти исследования проводились, в частности, Московским НИИ им.Ф. Ф. Эрисмана, ЦНИИ охраны труда ВЦСПС, Ленинградским НИИ гигиены труда на предприятиях, использующих лазеры в технологических процессах (сварка, резка материалов), в часовой промышленности, в научных и медицинских учреждениях и других областях. По результатам этих исследований впервые в мировой практике в СанПиН-91 определены безопасные условия работы специалистов, постоянно использующих лазерную технику. На Западе и в США эти условия сегодня нормируются специальными документами, часто имеющими более низкий правовой статус, чем государственный стандарт.

Таким образом, есть все объективные основания отдать предпочтение СанПиН-91 при разрешении спорных вопросов, связанных с оценкой степени опасности и условий труда при работе с конкретной лазерной аппаратурой. Далее предлагается взглянуть на проблемы и российских, и европейских нормативов по лазерной безопасности под несколько иным углом зрения.
С позиций, соответствующих современным достижениям в разработке измерительной (диагностической) аппаратуры и лазерной техники, методы измерения ЕD50 и последующего расчета ПДУ (МДЭ), так подробно описанные в предыдущих разделах, выглядят примитивными и архаичными. Измерения по существу делались «на глазок», статистическая обработка улучшала ситуацию, но не изменяла ее принципиально. Очевидна необходимость проверить, хотя бы фрагментарно, полученные зависимости с использованием, например, ОКТ (оптической когерентной томографии), ультразвуковых методов высокого разрешения, современных систем визуализации и фоторегистрации глазного дна.

Общенаучная, в том числе физическая база (я имею в виду совокупность представлений о механизмах взаимодействия лазерного излучения с биообъектами) обсуждаемых документов соответствует уровню 70–80-х годов. Последние десятилетия подарили немало серьезных достижений и новых возможностей развития этого научного направления. Отмеченные достижения связаны, в частности, с существенным расширением применения лазеров в медицине. Здесь рассматривались физические и физиологические проблемы воздействия лазерного излучения с самыми различными параметрами на ткани и органы – как локально, так и на уровне реакций организма в целом. Развитые концепции и современные методы исследований, безусловно, могут быть использованы при обновлении нормативов по лазерной безопасности.

Актуальными остаются исследования, проведенные в недостаточном объеме в период разработки СанПиН-91, вследствие, как правило, отсутствия в тот период лазерной техники с необходимыми параметрами. Это касается механизмов и условий фотоповреждения тканей излучением в переходных спектральных интервалах, в ближней и дальней ИК-областях спектра, а также, безусловно, условий фотоповреждения тканей лазерными импульсами пико- и фемтосекундного диапазона длительности. Форма представления данных в приведенных здесь документах, включающая рассмотренные упрощения и аппроксимации, совершенно неадекватна уровню современного пользователя, осваивающего компьютер практически с пятилетнего возраста.
Общий вывод очевиден. Анализируемые нормативные документы как отечественные, так и западноевропейские нуждаются в коренной реконструкции. Такая реконструкция требует формирования сопутствующей программы исследований и соответствующего финансирования.
Приемлемым решением, на мой взгляд, может стать создание нормативного документа, составной частью которого будет несложная, доступная для узаконенных модификаций, компьютерная программа. Необходимо совершенно отказаться от всех упрощающих допущений и нынешних аппроксимаций. В основе программы должны быть реальные экспериментальные и/или расчетные зависимости пороговой энергии (или других пороговых энергетических характеристик) от параметров источника излучения. В дальних УФ- и ИК-областях должны определяться пограничные условия фотоповреждения роговицы, в видимой области – соответственно, сетчатки без каких либо упрощений функции оптического пропускания [7]. В переходных спектральных интервалах целесообразно использовать две, если нужно три, зависимости, определяющие условия фотоповреждения роговицы, сетчатки или иных интраокулярных структур и выбрать наиболее потенциально опасный вариант. При этом выбор условной границы УФ–видимого диапазона спектра не влияет на конечный результат и имеет чисто информационно–справочный характер. На входе программы вводятся паспортные данные источника излучения, на выходе – результаты расчета ПДУ, класса опасности, дистанция, в пределах которой источник опасен для глаз, и любая другая востребованная информация. Разумеется приведенные выше соображения – это только эскиз. Есть подозрение, что включение компьютерной программы в состав нормативного документа может противоречить какому-либо ГОСТу «времен Очакова и покоренья Крыма». Нужно быть готовыми к сопротивлению патологическому чиновничьему бюрократизму.
Отметим, что подобная программа, ориентированная на зависимости, заданные СанПиН –91, создавалась примерно в 1990 году под руководством профессора Б. Н. Рахманова. Это была очень полезная разработка, оставшаяся в ограниченном круге пользователей, видимо, только потому, что не было принято должных мер по ее распространению.Сегодня задачу по созданию нормативного документа в предложенном выше виде еще можно решить. Через несколько лет, когда мы потеряем по естественным причинам многих разработчиков СанПиН (светлая память уже ушедшим), решить такую задачу будет значительно сложней. Это во многом обусловлено тем, что в связи с сокращением объема обсуждаемых исследований у нас (кстати, и на Западе тоже) не выращено среднее звено (возраст 30–40 лет) специалистов по проблемам взаимодействия излучения с биообектами (laser-tissue interaction). Обучение нового поколения требует времени.

Идеальным (простите за строительство замков на песке) представляется формирование координированной европейско-российской программы по обеспечению безопасности при работе с лазерами, включающей базовые исследования, корректировку существующих документов и последующую совместную разработку обновленных международных стандартов. Такое решение предлагает как обеспечение безопасности персонала, так и бесконфликтную унификацию нормативов. Целесообразным может быть привлечение «Третейского судьи», например Китая, проявлявшего в недалеком прошлом большой интерес к обсуждаемой проблематике.

Более реальным (а по существу – настоятельно необходимым) сегодня является стимулирование в государственном масштабе исследований, направленных на обеспечение безопасной эксплуатации лазерной техники. Одним из важнейших практических результатов таких исследований должно стать доказательное, научно обоснованное обновление безнадежно устаревших нормативов в сфере лазерной безопасности. Заметим, что при разработке Государственной «Стратегической программы по тематике фотоники и ее применений», принятой в 2014 году и всесторонне охватывающей важнейшие направления развития лазерной техники (в том числе медицинской), об охране здоровья людей, обслуживающих эту технику, по-видимому, не подумали.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рахманов Б. Н., Кибовский В. Т.  Лазерная безопасность. Документы новые – проблемы старые. – Лазер Информ № 21–22, ноябрь 2016.
Rahmanov B. N., Kibovskij V. T.  Lazernaya bezopasnost». Dokumenty novye – problemy starye. – Lazer Inform № 21–22, noyabr» 2016.
2. Минаев В. П. О новых СанПиН. – Лазер Информ № 19–20, октябрь 2016.
Minaev V. P. O novyh SanPiN. – Lazer Inform № 19–20, oktyabr» 2016.
3. Sliney D., Wolbarsht M. Safety with Lasers and Other Optical Sourses. A Compehensive Handbook. – N.Y. & London: Plenum Press, 1982.
4. Желтов Г. И.  Воздействие интенсивного оптического излучения на ткани глаз: исследования и приложения. – Минск, 1996. Библиотека авторефератов и диссертаций по физико-математическим и химическим наукам. URL: http://fizmathim.com/read/510958/a?#?page=1 (дата обращения: 09.01.2017).
ZHeltov G. I.  Vozdejstvie intensivnogo opticheskogo izlucheniya na tkani glaz: issledovaniya i prilozheniya. – Minsk, 1996. Biblioteka avtoreferatov i dissertacij po fiziko-matematicheskim i himicheskim naukam. URL: http://fizmathim.com/read/510958/a?#?page=1 (Date of access 09.01.2017).
5. Frankhauser F., Kwasnewska S., Laser in Ophthalmology. Basic, diagnostic and surgical aspects. – Hague, Niderland, 2003.
6. Желтов Г. И. О нормативных документах по лазерной безопасности. ч.1.– В кн: Как это было. – М.: Изд-во ФИАН, 2006, с.347–350.
ZHeltov G.I. O normativnyh dokumentah po lazernoj bezopasnosti. Ch.1.– V kn: Kak ehto bylo. – M.: Izd-vo FIAN, 2006, s.347–350.
7. Geeraets W. J., Berry E. R.  Ocular spectral characteristics as related to hazard from laser and other optical sources. – Am. J. Ophthalmol., 1968, v. 66, № 1, p. 15–23.
8. Beatriss A. I., Frish G. D.  Retinal Laser DamageThresholds as a Function of Image Diameter. – Arch. Environ. Health, 1973, v.27, № 11, p. 322–326.
9. Lund D. J., B. J. Lund. The Determination of Laser-induced Retinal Injury Thresholds. – ILSC 2015 Conference Proceedings, Laser Safety Session, p.69–73, March 2015.

Источник: http://www.photonics.su/journal/article/5857