Basi razionali degli standard internazionali e i valori limite di esposizione

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1 Basi razionali degli standard internazionali e i valori limite di esposizione Alessandro Polichetti Dipartimento di Tecnologie e Salute Istituto Superiore di Sanità,, Roma alessandro.polichetti@iss.it

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3 La radiazione ottica assorbita negli organi esposti può indurre alterazioni fisiologiche nei sistemi biologici (effetti( biologici). Quando non sono compensate dall organismo, tali alterazioni possono tradursi in danni per la salute,, a meno che non si tratti di effetti benefici (sintesi della vitamina D nel caso della radiazione UV, fenomeno della visione nel caso della luce visibile) che, paradossalmente, possono rendere più complesse le strategie di protezione dagli effetti avversi delle radiazioni ottiche.

4 La radiazione ottica incidente sul corpo umano in parte viene riflessa, in parte penetra nel corpo e viene assorbita, con cessione di energia, negli organi più superficiali (pelle, occhi).

5 DESCRITTORI DEL RISCHIO Gli effetti sanitari delle radiazioni ottiche sono connessi all energia assorbita dalle strutture biologiche. Scarsa profondità di penetrazione della radiazione ottica: energia assorbita energia incidente

6 IRRADIANZA La prima grandezza fisica rilevante ai fini della descrizione del rischio che si introduce, dalla quale si derivano le altre, è l irradianza,, pari alla potenza incidente sull unit unità di superficie: E = dp da L unità di misura dell irradianza è il W/m 2

7 La profondità di penetrazione della radiazione ottica è fortemente dipendente dalla lunghezza d onda. d

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10 Effetti nocivi della radiazione ottica

11 Effetti fotochimici (UV e visibile) L assorbimento dei fotoni da parte di particolari molecole (cromofori) può dare luogo a rotture di legami chimici, formazione di nuovi legami e formazione di radicali liberi, specie chimiche altamente reattive. Questi eventi alterano le macromolecole biologiche con conseguenti possibili danni strutturali e funzionali nelle strutture biologiche esposte.

12 Legge di Bunsen-Roscoe Legge fondamentale della fotochimica, detta anche legge della reciprocità,, che si assume in prima approssimazione valida anche in fotobiologia, in relazione agli effetti connessi a reazioni fotochimiche: l effetto dipende dall energia ricevuta dal bersaglio biologico, prodotto della potenza per il tempo di esposizione.

13 Irradianza (E) = Potenza / Superficie (W/m 2 ) Esposizione radiante (dose,h) = Energia/Superficie (J/m 2 ) H = E(t) dt Se l irradianza è costante: A parità di dose: H = E (reciprocità) Per esempio, una dose di 100 J/m 2 può corrispondere a: E = t H t oppure: E = 1 W/m 2 E = 0,1 W/m 2 t = 100 secondi t = 1000 secondi

14 Effetti termici (visibile e IR) Nel caso degli effetti termici non è valido il principio della reciprocità.. A parità di esposizione radiante possono corrispondere risposte differenti, da nessun effetto ad un danno grave. Un piccolo aumento di temperatura (inferiore a circa 0,1 C) anche se protratto per molto tempo non produce effetti. Un aumento di temperatura di diversi gradi anche per un tempo breve può causare danni significativi. Le lesioni termiche dipendono dal trasferimento di calore dalla struttura irradiata a quelle circostanti, che a sua volta dipende dalle dimensioni della superficie irradiata.

15 Radiazione non coerente Radiazione coerente (laser)

16 Radiazioni ottiche coerenti e non coerenti: quali differenze in relazione ai rischi per la salute? A parità di potenza emessa, un laser può dare luogo a rischi molto maggiori di una sorgente non coerente in quanto, grazie alla coerenza spaziale, la potenza è concentrata in un fascio di piccole dimensioni: se il corpo umano intercetta il fascio, anche a distanze relativamente grandi, ne può derivare un danno immediato. D altra parte, la probabilità di essere esposti ad un fascio laser è bassa (esposizioni accidentali) mentre le sorgenti non coerenti, in linea di massima, danno luogo ad esposizioni anche di lunga durata, ma che non sono necessariamente dannose.

17 Nel caso di laser ad impulsi corti o ultracorti (di durata inferiore al millisecondo o al nanosecondo) con grande potenza di picco esistono anche altri effetti. Effetti fotomeccanici in cui il riscaldamento indotto dall irraggiamento causa rapide espansioni localizzate dando luogo ad onde d urto d che possono danneggiare il tessuto in cui si propagano (fotodistruzione( fotodistruzione). Fotoablazione: : rimozione di tessuti dovuta ad un processo di vaporizzazione estremamente rapido, con caratteristiche di natura esplosiva su scala microscopica.

18 Effetti nocivi della radiazione UV Effetti a breve termine Pelle Eritema Reazioni fototossiche e fotoallergiche Occhio Fotocheratite e fotocongiuntivite Fotoretinite in soggetti afachici Cataratta da esposizione a UVB Effetti a lungo termine Pelle Fotoinvecchiamento cutaneo (fotoelastosi( fotoelastosi) Carcinomi (basalioma( e spinalioma) Melanoma maligno Occhio Cataratta da esposizione a UVB e UVA (?) Melanoma oculare

19 Il rischio è una combinazione della gravità e della probabilità del danno. Effetti deterministici Eritema, fotocheratite, fotocongiuntivite,, cataratta Esiste una soglia per il fenomeno La gravità del danno aumenta con l esposizionel Fotoelastosi cutanea Non esiste una soglia per il fenomeno La gravità del danno aumenta con l esposizionel Effetti stocastici Tumori cutanei (carcinomi, melanoma maligno) Non esiste una soglia per il fenomeno La probabilità del danno aumenta con l esposizionel

20 Ai fini della prevenzione del rischio, o della sua riduzione nel caso degli effetti privi di soglia, è necessario conoscere le relazioni dose-risposta degli effetti sanitari identificati, anche in relazione alle lunghezze d onda d comprese nello spettro della radiazione incidente.

21 Spettro d azioned Gli effetti biologici della radiazione UV sono strettamente dipendenti dalla lunghezza d onda, d è stato percio introdotto il concetto di efficacia relativa spettrale o spettro d azioned azione: dove H λ è l esposizione necessaria per indurre un determinato effetto alle varie lunghezze d onda d λ,, e λ max è la lunghezza d onda d di massima efficacia nell indurre l effetto l considerato, per la quale l esposizione necessaria (H( λmax ) è minima. S λ = H λ H max λ

22 Spettro d azione d eritemale

23 Radiazione UV policromatica Assumendo la validità dell additivit additività degli effetti di diverse lunghezze d onda d contemporaneamente presenti nella radiazione UV, è possibile definire l irradianzal efficace come somma dei contributi delle varie lunghezze d onda, ognuno dei quali pesato con lo spettro d azione: d E eff = 400nm SλEλ λ 250nm Moltiplicando (o integrando) per il tempo di esposizione si ottiene la dose efficace per radiazione policromatica.

24 Minima dose eritemale (MED) La relazione dose-risposta per l eritema l viene valutata sulla base della presenza o assenza di arrossamento della pelle, determinando il valore di soglia della dose efficace eritemale necessaria per indurre il minimo segno visibile di eritema (MED( MED). Essendo la MED molto variabile da soggetto a soggetto è stato anche introdotto il concetto di dose eritemale standard (SED( SED) ) pari a 100 J eff /m 2. La MED nei vari soggetti può variare da qualche SED fino a SED nei soggetti di pelle più scura,

25 Fototipi cutanei Fototipo Colore della pelle non esposta Sensibilità alla radiazione UV Scottature solari/ abbronzatura MED (J eff /m 2 ) I Bianca Molto sensibile Si scotta sempre facilmente, non si abbronza mai II Bianca Molto sensibile Si scotta sempre facilmente, si abbronza minimamente III Bianca Sensibile Si scotta moderatamente, si abbronza gradualmente (marrone chiaro) IV Marrone chiaro Moderatamente sensibile Si scotta minimamente, si abbronza facilmente (marrone moderato) V Marrone Minimamente sensibile Si scotta raramente, si abbronza intensamente (marrone scuro) VI Marrone scuro, nera Insensibile Non si scotta mai, pigmentato profondamente (nero)

26 Spettri d azione d CIE per l eritema l e per i tumori cutanei non melanocitici

27 Per effetti deterministici a breve termine come eritema e fotocheratite esistono soglie di induzione, e ciò permette di definire dei limiti di esposizione per la prevenzione di tali effetti. Nel caso degli effetti a lungo termine non sono state identificate soglie di induzione. Un esposizione cronica alla radiazione laser è rara. L esperienza L nell uso dei laser non ha mostrato alcune evidenza di effetti ritardati.

28 Health Physics, 71(5): (1996) Health Physics, 87(2): (2004)

29 Limiti di esposizione ICNIRP

30 Spettro d azione d UV ICNIRP

31 I limiti di esposizione ICNIRP, relativi a periodi di 8 ore giornalieri, sono limiti assoluti per l occhio, l e corrispondono ad una dose efficace di 30 J eff /m 2 calcolata per mezzo dello spettro d azione d UV ICNIRP. Per la protezione dell occhio deve anche essere rispettato un limite sull esposizione radiante fisica nella regione degli UVA pari a 10 kj/m 2. Per quanto riguarda la pelle, individui esposti anche ripetutamente al valore di 30 J eff /m 2 non sono a rischio di effetti a breve termine, e presentano un rischio trascurabile di effetti a lungo termine.

32 Dipendenza degli effetti a lungo termine dall esposizione alla radiazione UV Nel caso di un effetto a lungo termine deterministico quale il fotoinvecchiamento cutaneo la gravità dell effetto effetto aumenta con l esposizione. l Nel caso degli effetti a lungo termine stocastici,, quali i tumori cutanei,, la probabilità dell effetto effetto aumenta con l esposizione: l nel caso del carcinoma spinocellulare il rischio è correlato con l esposizione l complessiva; nel caso del melanoma maligno il rischio sembra associato al numero di episodi di intensa esposizione (con eritemi e ustioni), soprattutto se occorsi in età giovanile.

33 Gli effetti a lungo termine delle esposizioni alla radiazione UV possono, in linea di principio, verificarsi anche se sono rispettati i limiti di esposizione. Tuttavia, la limitazione delle esposizioni al di sotto delle soglie di induzione degli effetti acuti contribuisce a diminuire la dose che il lavoratore esposto accumula durante la sua vita lavorativa, e riduce la probabilità (per gli effetti stocastici) o la gravità (per gli effetti deterministici) degli effetti a lungo termine.

34 Health Physics, 73(3): (1997) Health Physics, 79(4): (2000)

35 Danni alla retina da luce e IR-A Fotoretinite, danno su base fotochimica dovuto alla luce che raggiunge la retina: massima efficacia attribuibile alla luce blu e viola (danno( da luce blu). Danno retinico di natura termica (visibile( e IR-A). Grandezza fisica rilevante: radianza efficace.

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37 d r = d s f e u

38 RADIANZA La grandezza fisica rilevante ai fini della descrizione dei rischi dovuti alla radiazione che raggiunge la retina è la radianza, pari alla potenza incidente sull unit unità di superficie per unità di angolo solido: E dp = dadω L unità di misura della radianza è il W/m 2 /sr

39 Per una sorgente estesa, l irradianzal retinica E r è proporzionale alla radianza L E r = πlτd 4f 2 e 2 p La radianza della sorgente (misurabile) è pertanto connessa all irradianza retinale (non misurabile), e rappresenta quindi il descrittore più appropriato per i rischi di danno alla retina.

40 Sorgenti puntiformi Quando una sorgente sottende un angolo sempre più piccolo, la sua immagine retinica non tende a diventare puntiforme, ma esiste un angolo minimo α min al di sotto del quale le dimensioni dell immagine retinica cessano di diminuire. Per α<α min la sorgente si assimila ad una sorgente puntiforme, cui corrisponde un immagine retinica di dimensione d min, e l irradianzal retinica E r è connessa all irradianza corneale E: E r = E d d p min 2 τ

41 Per sorgenti puntiformi, la grandezza fisica esterna al corpo rilevante per la valutazione del rischio torna ad essere l irradianzal irradianza. L angolo minimo sotteso dalla sorgente è pari a 1,5-1,7 1,7 mrad quando le esposizioni sono così brevi che l occhio l può essere considerato immobile, e pertanto è rilevante per gli effetti di natura termica connessi ad esposizioni molto intense.

42 Per esposizioni prolungate (effetti fotochimici) bisogna tenere conto del fatto che l occhio, l quando guarda fissamente un oggetto, è soggetto a rapidi movimenti che tendono a spandere l immagine l di una sorgente puntiforme su di un area della retina equivalente ad un angolo sotteso di circa 11 mrad. Per esposizioni di durata superiore a circa 100 s, la capacità dell occhio di mettere a fuoco un punto fisso si interrompe, causando un ulteriore allargamento dell immagine retinica, fino a raggiungere aree equivalenti ad un angolo sotteso dalla sorgente di circa 100 mrad per esposizioni molto lunghe, superiori a s.

43 Fotoretinite da luce blu

44 L efficienza del raffreddamento per conduzione dipende dalle dimensioni dell area di tessuto esposta: le aree più piccole tendono a raffreddarsi più velocemente, per cui l effetto l dannoso su piccole aree richiede potenze più elevate di quante ne richiedano le aree esposte di dimensioni maggiori.

45 Ustione della retina

46 Danni alla cornea e al cristallino da IR Ustioni della cornea: IR-B, IR-C Possibili danni a lungo termine per il cristallino (cataratta dei soffiatori di vetro): IR-A, IR-B Grandezza rilevante: irradianza.. Effetti termici.

47 Ustione della cornea e catarattogenesi Ustione della pelle

48 Grazie per l attenzione! l