نقش ایمنی در صنعت

ایمنی در کار با لیزر
نویسنده : محمد میلاد ناظران - ساعت ٢:٠٦ ‎ب.ظ روز جمعه ۱٤ فروردین ۱۳۸۸
 

تقسیم بندی لیزرها از نظر کلاس ایمنی

براساس استاندارد بین المللی کلیه لیزرها از نظرایمنی به 4 دسته اصلی تقسیم می شوند که آستانه ایجاد خطر لیزرها نامیده می شود. اساس طرح این تقسیم بر پایه توان اولیه پرتو و یا بازتاب پرتو اولیه در ایجاد صدمات بیولوژیکی به چشم یا پوست در طول استفاده از لیزر است. آستانه ایمنی برای لیزرها (MPE) نامیده می شود که در واقع بیشترین میزان پرتویی است که اجازه تابش دارد بدون اینکه منجر به آسیب شود .

تقسیم بندی کلی لیزرها به شرح زیر است.

  1. لیزرهای کلاس I (لیزرهای آزاد) یا لیزرهایی که معاف از بکار گیری وسایل ایمنی هستند: این دسته از لیزرها تابش پرتویی که منجر به خطر شود ندارند ( به طور معمول طول موج پیوسته با توان 4/0 دارند) به کاربردن لیزرهای کلاس I عموماً نیاز به استفاده از محافظ و یا نگهداری ویژه یا مهارکردن پرتو در طول زمان استفاده از آن ندارد. لیزرهای پرینتر یکی از نمونه های ملموس این کلاس لیزر هستند.

     

  2. کلاس IM : این کلاس شامل آن دسته از لیزرهایی می شود که محدوده طول موجی از 5/302 تا4000 نانومتررا پوشش می دهند. که تحت شرایط کنترل شده معمولی کاملاً ایمن هستند . فقط در صورتیکه کاربر از یک قطعه اپتیکی اضافه در مسیر عبور پرتو استفاده کند بازتاب آن می تواند خطر ناک باشد.
  3. کلاس II: (لیزرهای توان پائین در محدوده مرئی )

کلیه لیزرهای که در محدوده طول موج مرئی nm 700-400 تابش می کنند شامل این کلاس می شوند. در این دسته لیزرها چشم بطور طبیعی قدرت حفاظت از خویش را دارد و بطور ناخودآگاه مسیر خود را از مقابل برخورد پرتو منحرف می کند. این حفاظت را حتی با یک پلک زدن ساده هم می تواند انجام بدهد. این لیزرها تحت شرایط ایمنی کنترل شده حتی می تواند مشاهده شوند چرا که واکنش طبیعی انسان به اندازه ایی قدرت دارد که از کاربر محافظت کند. فقط زمانی استفاده از این لیزرها خطرناک است که بطور مستقیم برای یک بازه زمانی (و نه به صورت لحظه ای) مشاهده شود. لیزرهایی با توان 1mW در این کلاس هستند.

  1. کلاس III لیزرهایی که طول موج پیوسته دارند و میزان تابش آنها بیش از 5 برابر لیزرهای کلاس I و II است .

    به انضمام اینکه در برخی مواقع از شاخصه های استاندارد (MPE) خارج هستند. اما با این حال خطر بروز جراحت در این لیزرها پائین است. این لیزرها نمی توانند توانی بیشتر از 5mW در محدوده مرئی ایجاد کنند. ( میانگین توان این لیزرها برای طول موج پیوسته
    5-500mW و در پالس 10J/Cm2 است)

  2. کلاس IV لیزرهای توان بالا در این کلاس هستند.

    (بطور معمول از 500mW به بالا در طول موج پیوسته و بالای 10J/Cm2 در پالسی ) واگر بدون در نظر گرفتن شرایط ایمنی مورد استفاده قرار بگیرند خطرناک هستند( چه تابش مستقیم پرتو و چه حتی تابش پرتویی که پخش شده باشد) این لیزرها قابلیت ایجاد صدمات جدی به چشم و امکان ایجاد سوختگی و حریق دارند. تجهیزات ایمنی در این کلاس لیزرها باید شدیداً مورد استفاده قرار بگیرد.

 

خطرهای مرتبط با پرتو لیزر

 

استفاده نامناسب از تجهیزات لیزری خطرات بزرگی را با خود به همراه دارد. این تأثیرات بد از سوختگی های سطحی پوست تا جراحات غیر قابل بازگشت در پوست و چشم را شامل می شود. اثرات بیولوژیکال ناشی از کارکرد نامناسب با لیزر باعث ایجاد صدمات می شود که به سه دسته حرارتی ، صوتی و فتو شیمیایی تقسیم می شود.

 

اثرات حرارتی ناشی از بالا رفتن درجه حرارت ودر نتیجه بالارفتن میزان جذب انرژی لیزراست. البته با توجه به بعضی از ویژگیها و شاخصها درصد این صدمات متفاوت است. مثلاً در معرض متداوم تابش لیزر قرارگرفتن، طول موج پرتو لیزر، انرژی پرتو و منطقه ای که پرتو لیزر به آن برخورد می کند و اینکه بافت آن قسمت از کدام دسته از بافتهای بدن است اثرات گوناگونی ایجاد می کند.

 

اثرات صوتی که حاصل از موج شکنهای مکانیکی هستند ((Shackwave ، زمانی که این موجها در داخل بافت منتشر می شوند باعث صدمه خوردن جدی آن بخش از بافت می گردد. این آسیب به این صورت اتفاق می افتد که پرتو لیزر در یک منطقه از بافت متمرکز می شود و اجزاء تشکیل دهنده آن بافت را تبخیر می کند، برای اینکه تصویر بهتری از ایجاد این آسیب داشته باشیم زمانی را تصور کنیم که یک سنگ پرتاب شده بر روی سطح آب حرکت می کند و اثرات موج گونه در سطح آب ایجاد می کند . این موج شکنها هم دقیقاً مثل موجهای ایجاد شده در سطح آب عمل می کنند.

قرار گرفتن در معرض پرتو همچنین باعث ایجاد تاثیرات فتو شیمیایی می شود که زمانی است که فوتونها با سلولهای بافت بر هم کنش پیدا می کند. تغییرات شیمیایی که بعد از این بر هم کنش در سلول ایجاد می گردد. ممکن است باعث ایجاد آسیب و تغییر در ساختار بافت گردد. تغییرات فوتو شیمیایی قویاً بستگی به طول موج دارند. جدول زیر نشان دهنده تأثیرات بیو لوژیکی ایجاد شده در پوست و چشم ناشی از قرار گرفتن در معرض پرتو در طول موجهای مختلف است .

 

پوست 

چشم 

اثر بیو لوژیکی در محدود

طیف مشخص است.

آفتاب سوختگی روی پوست

Erythema، سرطان پوست .

پیری زودرس پوست

Photokeratitis

سوختگی قرینه در ارتفاعات بالا (ناشی از نورخورشید)

Ultraviolet C

(200nm-280nm) 

لک و پیس

رنگ دانه ها برروی پوست

Photokeratitis

سوختگی قرینه در ارتفاعات بالا (ناشی از نورخورشید)

Ultraviolet B

(280nm-315nm) 

سوختگی پوست Pigment

لک و پیس تیره رنگ darkening

اثر فتوشیمیایی آب مروارید

Cataract 

Ultraviolet A

(315nm-400nm) 

لک و پیس تیره

سوختگی پوست

Photonsensitive

اثر فتو شیمیایی و حرارتی

صدمه در Retina

مرئی

 

(400nm-780nm) 

سوختگی پوست

آب مروارید و سوختگی Retina

A زیر قرمز

(780nm-1400nm) 

سوختگی پوست 

سوختگی قرنیه ، آب مروارید

سوختگی ناحیه شفاف رنگ بین عدسی و قرنیه

B زیرقرمز

 

سوختگی پوست 

فقط سوختگی قرنیه

C زیرقرمز

 

 

انواع قرار گرفتن در معرض پرتو

قرار گرفتن در معرض پرتو تنها به تابش مستقیم پرتو محدود نمی گردد. بویژه در توانهای بالای لیزر، حتی در معرض بازتاب پرتو قرار گرفتن نیز امکان ایجاد آسیب به همان شدت که بطور مستقیم در مقابل پرتو قرار بگیریم دارد.

Intrabeam : در معرض پرتو مهار نشده قرار گرفتن. یعنی چشم یا پوست بطور مستقیم در معرض تمام تابش پرتو لیزریا بخشی از تابش قرار بگیرد.

 

Specular reflection: این نوع تابش از سطح آینه می تواند به مضر بودن قرار گرفتن در مقابل تابش مستقیم باشد بویژه اگر سطح بازتاب شونده کاملاً صاف باشد. اما آینه هایی که تقریباً سطح منحنی شکل دارند باعث باز شدن پرتو می شوند. در این حالت دیگر چشم یا پوست تمام قدرت پرتو را جذب نخواهد کرد اما در عوض امکان قرار گرفتن در معرض پرتو در محدود بزرگتری (به خاطر پخش شدن پرتو) وجود دارد.

 

Diffuse Surface : صفحه منعکس کننده، سطحی است که پرتو لیزر را در جهات مختلف انعکاس می کند. سطوح آینه مانند که بطور کامل صاف نیستند، مثل جواهرات یا ابزارهای فلزی ممکن است مثل صفحه منعکس کننده پرتو رفتار کنند. بازتابها، تمام توان یا انرژی پرتو اولیه را انتقال نمی دهند، اما هنوز هم ممکن است که مضر باشند. بویژه زمانیکه با لیزرهای توان بالا سروکارداریم . دقت شود که در لیزرهای کلاس IV، این انعکاس پرتو، خود به تنهایی عامل ایجادآتش سوزی می شود.

 

حال چه در Diffuse Surface ویا Specula reflection در هر دو صورت طول موج نقش مهمی ایفا می کند. مثلاًسطحی که می تواند صفحه منعکس کننده برای پرتو مرئی باشد می توانند به عنوان Specula reflection برای پرتو زیر قرمز عمل کند.

 

چشم : بزرگترین خطر پرتو لیزر ورود به داخل چشم است . چشم عضوی است که بیشترین حساسیت را به نور دارد . درست همانطور که یک ذره بین می توان با نور خورشید یک چوب را به آتش بکشد، لنز چشم انسان هم می تواند پرتوی لیزر را بصورت یک نقطه کوچک که به راحتی می تواند وارد چشم شده و شبکیه( Retina ) را بسوزاند . پرتو لیزر با واگرایی کم وقتی وارد چشم می شود می تواند در یک منطقه به قطر 20-10 میکرون جمع شده و آن قسمت را بسوزاند.

قوانین ترمودینامیک توان لیزر را محدود نمی کند، طبق قانون دوم ترمودینامیک دمای سطحی که توسط پرتویی که از منبع گرمایی ساطع شده گرم می شود نمی تواند بیشتر از درجه حرارت منبع اصلی خود افزایش یابد . اما اینجا مساله این است که لیزر یک منبع غیر حرارتی است و قادر است که حرارتی به مراتب بیشتر از حرارت داخلی خود تولید کند.مثلاً یک لیزر با توان 30mW در درجه حرارت معمولی اتاق در صورتی که بر سطح مشخص متمرکز شود قادر است انرژی لازم برای آتش زدن یک ورق کاغذ را ایجاد کند.

براساس قانون بقای انرژی، چگالی انرژی (اندازه انرژی / واحد سطح ) هر چه
(
Spot Size) نقطه اثر کوچکتر شود چگالی انرژی پرتو لیزر افزایش پیدا می کند. این بدان معنی است که انرژی یک پرتولیزر می تواند شدتی تا میزان 100.000 برابر بر روی یک نقطه کوچک در چشم پیدا کند.

مثلاً اگر تابش پرتو درونی توانی به میزان 1mW داشته باشد توان پرتو تابیده شده برروی شبکیه به میزان 100W/Cm2 است. بنابراین حتی لیزرهای توان پائین در حد میلی وات هم می توانند با متمرکز شدن بطور مستقیم بر روی شبکیه باعث سوختگی در آن ناحیه بشوند. هرگز لیزر را هر چند هم که توان پائینی داشته باشد نباید مستقیماً به طرف چشم گرفت.

ساختار چشم : آسیب دیدگی در چشم بستگی به طول موج پرتویی که ساطع می گردد دارد. به منظور درک بهتر خطراتی که چشم را تهدید می کنند و دانستن آنها برای سلامتی چشم مهم است بهتر است که در ابتدا کارکرد مهمترین بخشهای چشم را بدانیم.

  1. قرنیه : یک بخش ازلایه شفاف بافتی است که چشم را می پوشاند. آسیبهایی که به قرنیه می رسد ممکن است که ناخوشایند و دردناک باشد (احساس شبیه به زمانیکه شن داخل چشم است.) اما معمولاً خیلی سیع التیام پیدا می کنند. اما صدمه به لایه های عمیق تر قرنیه ممکنه باعث جراحتهای دائمی شود.
  2. عدسی چشم: نور را بصورت تصویر بر روی شبکیه می اندازد هر چه از عدسی بیشتر استفاده شود قابلیت انعطاف آن کمتر می شود و تمرکز آن بر روی اشیای نزدیک سختتر
    می شود. هر چه سن بالاتر می رود. عدسی چشم تیره می شود و در نهایت به کدری و تاری منجر می شود. این پدیده به نام آب مروارید شناخته شده است همه عدسی های چشم در نهایت دچار آب مروارید می شوند.
  3. آن بخشی از چشم که حساس ترین اعصاب بینایی را دارد Fovea (حفره ، گودال یا لکه مرکزی) نامیده می شود (همچنین به نام Macula هم معروف می باشد) این بخش در واقع 4% تا 3% از منطقه شبکیه را می پوشاند اما بیشترین و جزئی ترین توان بینایی را دارد به انضمام اینکه اعصاب مربوط به تشخیص رنگها در این قسمت متمرکز است. دلیل اینکه چشم حرکت می کند این است که وقتی ما چیزی را می خوایم یا وقتی که به چیزی نگاه می کنیم این قسمت فعال می شود و تصویر مجبور است که برای دقت بیشتر بر روی جزئیات روی fovea متمرکز شود پایداری شبکیه می تواند باعث مشاهده کردن نور و حرکت شود اما نمی تواند جزئیات را نمایش دهد. (دید پیرامون)

اگر سوختگی ناشی از لیزر در fovea اتفاق بیفتد، بیشترین صدمه بینایی ( مربوط به خواندن و کار کردن) برای ما اتفاق می افتد و در یک لحظه ما قدرت بینایی مان را از دست می دهیم. اگر سوختگی لیزر در نقاط پیرامونی عصب (Peripheral vision) به وجود بیاید ممکن است تنها بصورت جزئی در بینائی تأثیر بگذارد و یا ممکن است که اصلاً تأثیری نداشته باشد.

اما تکرار سوختگی ها در شبکیه منجر به نابینایی می شود.

خوشبختانه چشم مکانیزم دفاع خود به خودی دارد.( بازو بسته شدن پلک ها). وقتی که یک نور روشن به چشم می خورد ، چشمها طور ناخودآگاه تمایل به چشمک زدن یا برگرداندن خود از طرف منبع نوراند. (واکنش ناسازگاری) که این اتفاق ظرف کمتر ازربع ثانیه می افتد. این عمل دفاعی چشم را فقط در برابر لیزرهای با توان پائین حفاظت می کند ونمی تواند برای لیزرهای توان بالا کارآیی داشته باشد. چرا که در لیزرهای توان بالا آسیب جدی برای چشم در کمتر از این زمان اتفاق می افتد و سیستم دفاعی چشم نمی تواند وارد عمل شود.

علائم ناشی از سوختگی لیزر در چشم شامل سردرد، بلافاصله بعد از قرارگرفتن در معرض پرتو ، آبریزش چشم بیش از حد معمولی و نیز ظاهر شدن ناگهانی اجسام معلق در جلوی دید ماست ، این اجسام معلق اشیایی هستند که می چرخند و بصورت رندم بعد از هر پلک زدن یا وقتی که چشمها بسته هستند برای چند ثانیه دیده می شوند. این اجسام معلق ناشی از ایجاد سلولهای مرده در بافت چشم هستند که از سطح شبکیه جدا می شوند و در سطح آبگینه ای چشم معلق می مانند.

اغلب چشم پزشکان درصد کمی از بیماران ناشی از جراحات لیزر را می پذیرند چرا که کاربسیار سختی است که صدمات داخل شبکیه را تشخیص داد و از بین برد. بخشی از سوختگی قرنیه باعث احساس وجودشن و یا ریگ در حال حرکت در داخل چشم می شود.

چندین شاخصه که در درجه جراحت چشم ناشی از لیزر تأثیر می گذارد عبارتست از :

  1. اندازه مردمک :

    انقباض قطر مردمک ، انرژی نهایی منتقل شده به سطح شبکیه را کاهش می دهد. ابعاد مردمک از قطرmm 2 در برابر تابش شدید تا mm8 در تاریکی مطلق تغییرمی کند.

  2. درجه تیرگی لکه ها:

    بیشتر لکه های سیاه رنگ (Melanin) ناشی از جذب حرارت بیشتر پرتو لیزرهستند.

  3. اندازه تصویر بر روی شبکیه: هر چه ابعاد تصویر بزرگتر باشد میزان صدمات وارد شده بیشتر است چرا که برای رسیدن به تعادل درجه حرارت باید منطقه بزرگتری را تحت تاثیر قراردهد.. سرعت رسیدن به تعادل حرارتی نسبت مستقیم به ابعاد تصویر افتاده برروی شبکیه دارد.
  4. هرچه تداوم پالس کوتاهتر باشد.(ns در برابر ms) امکان صدمه دیدن بیشتر است.
  5. سرعت تکرار پالسها هرچه سریعتر باشد امکان کمتری برای تفرق (پراکندگی) و پخش گرما وجود دارد.
  6. طول موج : بسته به اینکه انرژی ناشی از لیزر در کجا می نشیند و چه مقدار بر روی مرکز اعصاب ما تأثیر می گذارد متفاوت است.

جذب طول موجها توسط لیزر:

لیزرها در محدوده نور مرئی و نزدیک به زیر قرمز بیشترین توان جذب و آسیب رسانی برروی شبکیه دارند. چرا که قرنیه و عدسی این طول موجها را منتقل می کنند و عدسی دقیقاً توان لیزر را بر روی شبکیه متمرکز می کنند بیشترین جذب توان لیزر بر روی شبکیه در محدوده (nm550-400)اتفاق می افتد. لیزرهای آرگون و یاگ می توانند در این محدوده عمل نمایند که باعث می شود آنها خطرناک ترین لیزرها برای آسیب رسانی به چشم هستند . طول موجهای کمتر از nm550 می تواند باعث بروز صدمات فتو شیمیایی شبیه آفتاب سوختگی شوند. این اثرات فتو شیمیایی در صورت قرار گرفتن بیشتر از 10 ثانیه در مقابل پرتو پخش شده به شدت افزایش پیدا می کند جدول شماره 2 سعی در نشان دادن شایعترین تأثیراتی که قرار گرفتن در مقابل پرتو لیزر را ایجاد می کند دارد.

 

TISSUE EFFECTED 

BIOEEFECT

Process 

WAVELENGTH

 

Laser Type 

Retina 

Lens 

Cornea 

Skin 

     
   

X 

X 

Thermal 

10.6 

CO2 

   

X 

X 

Thermal

2.7 

HF1 

   

X 

X 

Thermal

1.54 

Erbium-YAG 

X 

X 

X 

X 

Thermal

1.33 

Nd:YAG(a) 

X 

   

X 

Thermal

1.06 

Nd:YAG 

X 

   

(b) 

Thermal

0.78-0.84 

Gas(diode) 

X 

   

(b) 

Thermal

0.633 

He Ne 

X[C] 

   

X 

Thermal/photochemical 

0.488-0.514 

Ar 

X 

 

X 

X 

photochemical

0.351 

XeF1 

   

X 

X 

photochemical

0.308 

XeC1 

 

 

نمودار شماتیک چشم انسان

 

 

 

 

 

در شکل فوق نقاط حساس نسبت به پرتو لیزر مشخص گردیده است که از جمله آنها

1-Pupil : مردمک چشم

2-iris : عنبیه

3- Cornea : قرنیه

4- Lens : عدسی

5- Fovea: لکه سیاه

6- retina : شبکیه

 

 

 

 

 

مطابق با تصاویر فوق عدسی چشم انسان پرتو هایی را که طول موجی در محدوده (400-1400nm) دارند، جذب کرده و کاملاً روی لکه سیاه چشم که حساسترین سلولهای مربوط به تشخیص و تفکیک اجسام را دارد متمرکز می کند.

بنابراین در این گستره طول موج باید بیشترین دقت را در فراهم کردن تجهیزات ایمنی چشم در نظر گرفت.

 

 

  • گردآوری : شرکت مهندسی لیزر و الکترواپتیک پراش نور

(ساناز ثمرین)