Riccardo Di Liberto Struttura Complessa di Fisica Sanitaria Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo -Pavia

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1 Effetti biologici derivanti da dall interazione tra fasci laser utilizzati nelle applicazioni industriali ed il corpo umano Riccardo Di Liberto Struttura Complessa di Fisica Sanitaria Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo -Pavia 1

2 Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA) COERENTI Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 2

3 Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA) Il campo di applicazione della nuova normativa I luoghi di lavoro in cui esiste il rischio di esposizione a ROA I valori limite di esposizione I soggetti esposti e la valutazione dei rischi Le misure di prevenzione e protezione La sorveglianza sanitaria Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 3

4 Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA) Il campo di applicazione della nuova normativa D. Lgs. 81/ Capo V- art. 213 Stabilisce prescrizioni minime per la protezione dei lavoratori contro i rischi per la salute e la sicurezza che possono derivare dalla esposizione alle ROA durante il lavoro, con particolare riguardo ai rischi dovuti agli effetti nocivi sugli occhi e sulla cute. Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 4

5 Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA) Campo di applicazione: TITOLO VIII CAPO I AGENTI FISICI ROA Capo V Esposizione a radiazioni ottiche artificiali ultraviolette, visibili e infrarosse incoerenti e coerenti (LASER) Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 5

6 I luoghi di lavoro in cui esiste il rischio di esposizione a ROA ROA occhi pelle Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 6

7 I luoghi di lavoro in cui esiste il rischio di esposizione a Radiazioni Ottiche Artificiali ROA Le aree in cui è possibile il superamento dei limiti di esposizione vanno segnalate e, ove possibile, delimitate. Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 7

8 L assorbimento della radiazione laser nei tessuti umani dà origine a vari tipi di processi che possono essere schematicamente rappresentati nel seguente grafico (mappa di interazione medica) 8

9 A parità di flusso di energia erogato, al variare del tempo di esposizione e di lunghezza d onda ( ) della radiazione coerente si hanno interazioni di natura diversa: interazione fotochimica interazione fototermica interazione fotoablativa interazione fotomeccanica 9

10 Fattori di interazione laser-tessuto A) Lunghezza d onda del fascio diffusione (varia a seconda della composizione del tessuto), riflessione (dipende dal colore tessuto e dall angolo di incidenza del fascio), trasmissione (non genera effetti biologici: energia assorbita da tessuti sottostanti), assorbimento (azione di taglio) B) Focalizzazione del fascio (in base alla focalizzazione si hanno differenti effetti sui tessuti). 10

11 INTERAZIONE FOTOCHIMICA: l energia assorbita nel tessuto viene utilizzata per modifiche strutturali delle molecole esistenti e/o per la produzione di nuove sostanze in seguito a reazioni chimiche attivate dalla radiazione laser. Questo tipo di interazione diventa importante per esposizioni di bassa densità di potenza e di durata superiore al secondo ed è quasi esclusivamente limitata a < 600nm. 11

12 INTERAZIONE FOTOTERMICA: l energia assorbita nel tessuto viene trasformata in energia termica; la generazione di calore nei tessuti è determinata dall assorbimento locale di radiazione laser da parte dei cromofori presenti nei tessuti. A seconda della temperatura raggiunta dal tessuto si possono distinguere i seguenti regimi, tutti irreversibili tranne il primo: regime ipertermico (T<50 ) regime coagulativo (50 <T<100 ) regime di vaporizzazione (T 100 ) regime di carbonizzazione (T>150 ) regime di fusione (T>300 ) 12

13 INTERAZIONE FOTOTERMICA: questo tipo di interazione si verifica per laser ad emissione continua che eroghino densità di potenza superiori a 10 W/cm 2, o per laser impulsati con durata dell impulso superiore al microsecondo. Per esposizioni molto lunghe e per > 600 nm è l unico effetto che determina il danno termico. 13

14 La Teoria della fototermolisi selettiva (Anderson e Parrish, 1983), basata su un interazione di tipo fototermico, afferma che i cromofori presenti in un tessuto possono essere danneggiati in modo selettivo da radiazione laser che presenti le seguenti caratteristiche: abbia opportuna, cioè di colore complementare a quello del cromoforo bersaglio (NB: i colori complementari sono quelli che si trovano in posizioni opposte sul cerchio cromatico di Itten, qui riportato: venga erogata con impulsi di durata inferiore al Tempo di Rilassamento Termico (TRT) del bersaglio, definito come il tempo necessario al bersaglio stesso per dissipare il 50% del calore assorbito L effetto fototermico è l effetto più utilizzato in campo medico. 14

15 INTERAZIONE FOTOABLATIVA: l energia erogata dal laser provoca ablazione (rimozione esplosiva di materiale dal tessuto in seguito all irraggiamento) della zona trattata senza provocare effetti termici nei tessuti adiacenti. Questo tipo di interazione predomina nel caso di impulsi di elevata potenza, soprattutto nell ultravioletto. Nella fotoablazione laser sono comunque presenti processi di tipo fototermico, fotochimico e fotomeccanico. 15

16 INTERAZIONE FOTOMECCANICA: si verifica quando la radiazione laser è focalizzata ad alta fluenza ( 1000J/cm2) su un tessuto, usando impulsi brevissimi (dell ordine dei nanosecondi o dei picosecondi). L elevatissimo campo elettrico associato all impulso laser, porta alla generazione di elettroni liberi che assorbendo l energia ottica incidente producono una ionizzazione secondaria a valanga. Si crea così un microscopico volume di plasma ionizzato con temperatura (>10000 C) e pressione (>10000 bar) elevatissime. La rapidissima espansione del plasma dà origine ad un onda d urto che può portare a rottura meccanica localizzata dei tessuti investiti. 16

17 EFFETTI BIOLOGICI Gli organi maggiormente esposti a rischio da radiazioni ottiche sono gli occhi e la pelle. Il rischio di danno oculare è particolarmente elevato nel caso di radiazioni visibili ( nm) o nell infrarosso vicino ( nm), perché l occhio è in grado di focalizzarle sulla retina. Le densità di potenza o di energia sulla retina sono tipicamente centomila volte più elevate di quelle in arrivo sull occhio a livello di cornea. La penetrazione della pelle è massima per lunghezze d onda intorno al micron (μm). 17

18 EFFETTI BIOLOGICI Il meccanismo di danneggiamento dei tessuti varia con λ. Le radiazioni ultraviolette hanno un azione prevalentemente fotochimica che porta alla distruzione delle cellule epiteliali causando nell occhio congiuntiviti o addirittura cataratte nel caso di maggiore penetrazione del fascio e, nella pelle, dermatiti con possibili effetti mutageni ad alte dosi. 18

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20 Effetti sui tessuti Denaturazione delle proteine Irradiamento 500 (W/cm2) Coagulazione Vaporizzazione Incisione 1000 (W/cm2) (W/cm2) 20

21 Andamento della penetrazione in funzione della lunghezza d onda (cute) 21

22 Andamento della penetrazione in funzione della lunghezza d onda (occhio) 22

23 Andamento della penetrazione in funzione della lunghezza d onda (occhio) nm (UV A) cristallino 23

24 Andamento della penetrazione in funzione della lunghezza d onda (occhio) nm (visibile) retina nm (IR A) 24

25 Andamento della penetrazione in funzione della lunghezza d onda (occhio) nm (UV B+C) 1400 nm 1 mm (IR B+C) cornea 25

26 Andamento della penetrazione in funzione della lunghezza d onda (occhio) 26

27 Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA) I valori limite di esposizione Sono definiti i valori limite di esposizione per gli occhi e la cute. I limiti di esposizione sono riportati nell allegato XXXVII: parte I per le radiazioni incoerenti parte II per le radiazioni coerenti (LASER) Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 27

28 Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA) I valori limite di esposizione Il rispetto dei limiti di esposizione garantisce i lavoratori esposti a ROA dagli effetti nocivi sugli occhi e sulla cute. I limiti sono definiti per: [E] = Irradianza (W/m 2 ) [H] = Esposizione radiante (J/m 2 ) [L] = Radianza (W/m 2 sr) Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 28

29 Definizioni di grandezze fisiche Irradianza o densità di potenza: la potenza radiante incidente per unità di area su una superficie, espressa in watt per unità di area (W/m 2 ) Radianza: potenza radiante emessa per unità di area e che si propaga nell unità di angolo solido, espressa in watt per unità di area irradiata per steradianti (W/m 2 sr) Esposizione radiante: integrale nel tempo della Radianza, espressa in Joule per unità di area irradiata (J/m 2 ) Potenza radiante: potenza emessa, trasmessa o ricevuta sotto forma di radiazione, espressa in watt (W) 29

30 Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA) I valori limite di esposizione Queste grandezze non sono facili da misurare e richiedono una complessa e articolata elaborazione partendo dai dati sperimentali. Irradianza (W/m 2 ) Esposizione radiante (J/m 2 ) Radianza (W/m 2 sr) Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 30

31 Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA) Le misure di prevenzione e protezione Se la valutazione dei rischi evidenzia il possibile superamento dei valori limite di esposizione, il DDL deve mettere in atto un programma di azioni che comprenda misure tecniche e organizzative destinate ad evitare esposizioni superiori ai limiti consentiti. Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 31

32 Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA) Le misure di prevenzione e protezione A tal fine il DDL deve tenere conto di: altri metodi di lavoro che comportano una minore esposizione alle radiazioni ottiche (ROA) attrezzature che emettano meno ROA, tenuto conto del lavoro da svolgere misure tecniche per ridurre l emissione delle ROA, incluso, quando necessario, l uso di dispositivi di sicurezza, schermatura o analoghi meccanismi di protezione della salute opportuni programmi di manutenzione delle attrezzature di lavoro, dei luoghi e delle postazioni di lavoro Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 32

33 Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA) Le misure di prevenzione e protezione A tal fine il DDL deve tenere conto di: progettazione e struttura dei luoghi e delle postazioni di lavoro limitazione della durata e del livello di esposizione disponibilità di adeguati DPI istruzioni del fabbricante delle attrezzature Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 33

34 Taglio e foratura metalli 34

35 Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA) Quindi, nelle installazioni laser industriali, oltre al rischio diretto di emissioni LASER: va valutato il rischio da emissioni ottiche non coerenti (visibile e UV) spesso associate ai processi di lavorazione e anche molto intense; va valutato il rischio relativo alla emissione di fumi e particolato, durante la lavorazione, che possono costituire un agente di rischio chimico; Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 35

36 Grazie per la vostra attenzione! Dr. R. Di Liberto Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo - Pavia 36