סיכוני לייזר

תכונת הכיווניות של אלומות הלייזר מקנה לה את היכולת להציג צפיפות הספק (2W/cm) גבוהה במיוחד. תכונה זו, יחד עם היות אלומת הלייזר בעלת אורך גל מוגדר (או מספר אורכי גל בדידים ומוגדרים), מאפשרת, בעזרתה של עדשה מצויה, למקד את אלומת הלייזר לכתם זעיר, שבו גדלה צפיפות ההספק, הגבוהה ממילא, בכמה סדרי גודל.

כושרו של הלייזר לרכז הספק גבוה בנקודה זעירה הוא הבסיס לשימושי הלייזר בתחומים רבים במדע, וככלי חיתוך רב עוצמה של מתכות, חומרים קרמיים קשים ואף יהלומים. מנגד, צפיפות ההספק הגבוהה מעוררת היבטים בטיחותיים בסביבת העבודה עם מערכות לייזר, שכן התפוקות הנומינליות של מרבית מערכות הלייזר גדולות לאין שיעור מרמות הסף המותרות בחשיפה לעיניים או לעור.

סיכונים ביולוגיים של הלייזר

חשיפת העין לאלומת הלייזר עלולה במקרים רבים להסתיים בפגיעה קשה ביכולת הראייה, וגם פגיעתה בעור עלולה להסתיים בכוויה עמוקה ומכאיבה. משום כך, חשוב להכיר את הנזק הפוטנציאלי ותלותו במאפייניה השונים של אלומת הלייזר, כגון: אורך גל, עוצמה, משך החשיפה ועוד. מידע זה יאפשר לנו, בשלב הראשון, לבנות סולם סיכונים שחומרתם הולכת וגדלה במעלה הסולם, ובשלב השני נוכל לבחון כל לייזר נתון, ולמפות את מיקומו בסולם הסיכונים. אורך הגל הספציפי של לייזר נתון, יחד עם מיקומו בסולם הסיכונים, יאפשרו לקבוע, במידה רבה של ודאות, את אמצעי המיגון הנדרשים לעבודה בטוחה עם הלייזר המסוים ובסביבתו.

חשיפה רגעית (או ארוכה יותר) של רקמה כלשהי לאלומות הלייזר עלולה להסתיים בנזק ממשי הנגרם באמצעות אחד, או יותר, משלושת מנגנוני הנזק הבאים:

1. נזק פוטו תרמי: קרן הלייזר גורמת לתנודות במולקולות ברקמה הביולוגית, נוצר חום ברקמה. הנזקים לרקמה נעים משינוי תכונות החלבון (אלבומין) לכוויות, אידוי רקמה עד להתפחמות .
2. נזק פוטו אקוסטי: צפיפות הספק גבוהה גורמת לטמפ' מקומית גבוהה, הנוזלים בתאי הרקמה משנים את מצב הצבירה לגזים המשנים את נפחם, נוצר גל הלם מכני המתפשט לתאים הסמוכים ועלול לגרום לקריעתם.
3. נזק פוטו כימי: אורכי גל מסוימים בתחום ה-UV והאור הכחול יוצרים תגובות בין מולקולות אורגניות או שהם שוברים קשרים כימיים במולקולות. האפקט ארוך טווח.
   בפועל, מנגנון הנזק הדומיננטי, בכל מקרה ומקרה, תלוי במאפייני אלומת הלייזר ובמאפייני הרקמה כאחד.

סיכונים פיזיקליים של הלייזר

גרימת אש ופיצוץ: לייזרים בעוצמות גבוהות עלולים לגרום להתלקחות חומרים דליקים (בד, נייר, פלסטיק, עץ וכו') ולפיצוץ במגע עם נוזלים וגזים דליקים.

סכנת התחשמלות: נגרמת עקב מתח הזנה גבוה למערכות לייזר.

סיכוני קרינה UV (בלתי מייננת): קרינה בתחום ספקטראלי זה, מקורה במנורות הבזק ושפופרות פריקה של לייזר רציף (CW), במיוחד כאשר משתמשים בצנרת או במראות להעברה של אלומות קרינת ה-UV (כמו קוורץ).

סיכוני קרינה מייננת וקרינה בלתי מייננת: לייזר אקסימר בו משתמשים בשפופרות פריקת גז אלקטרוניות ((gas electron tubes, שפופרות אלה פועלות במתח גבוה בין האלקטרודות שלהם. המתח בין האנודה לקתודה בשפופרת יכול להיות מעל 5 קילו-וולט והפעלתו יכולה לגרום לתופעות הבאות:

• יצירת פלסמה (מצב צבירה מיונן של גז)
• פליטת קרינה בלתי מייננת בתדרים של רדיו ( (RF וקרינת חשמל (ELF)
• פליטת קרינת רנטגן (X-ray).

סיכונים כימיים של הלייזר

אידוי חומרים רעילים: פגיעה של קרן הלייזר בחומרים כימיים עלולה לגרום לאידוי חומרים רעילים לחלל החדר.

סיכונים כימיים ממקור הלייזר עצמו:

• לייזר צבע המכיל כימיקלים רעילים
• לייזרים המכילים גז רעיל כגון פלואור
• דליפה של נוזלי קירור של הלייזר
• סכנת דחיקת חמצן בשימוש בלייזרים עם שימוש בגזים אינרטיים (חנקן, הליום)

מכל איברי הגוף, העור והעיניים הם היחידים העלולים להיחשף לקרינת לייזר מזיקה. מקור הנזק לאיברים אלה עשוי להיות מורכב מכל שלושת מנגנוני הנזק שתוארו קודם (תרמי, אקוסטי וכימי), אבל התרומה היחסית (לנזק) של כל אחד מהם עשויה להיות מושפעת מהאנטומיה וממרכיבי הרקמות המיוחדים לעור או לעין. בנוסף, כשאנו דנים באופי הנזק העלול להיווצר, יש לקחת בחשבון את מנגנוני ההגנה הטבעיים העוזרים לנו, בתנאים מסוימים, ולהקטין את חומרת הנזק באופן הבא:

• תחושת הכאב המתפתחת בתחילתה של כוויה גורמת לנו להסיט את האיבר שנחשף לאלומת הלייזר, ובכך להקטין את חומרתה של הכוויה האפשרית. תחושת הכאב מורגשת בעיקר בחשיפה לאלומות לייזר, בתחום הנראה והאינפרה אדום, בעלות צפיפות הספק גדולה יחסית.
• רפלקס העפעוף (סגירת העפעף) המופעל, כשהעין נחשפת לבהירות גבוהה של אור בתחום הנראה, מסייע בידנו להקטין את מידת הנזק העלול להתפתח מחשיפת העין לאלומת לייזר בתחום זה. זמן התגובה המרבי של העפעוף מוערך ברבע שנייה, ולכן הוא מספק הגנה מסוימת רק כנגד חשיפה הנמשכת למעלה מזמן זה.

קביעה של הנזקים המיוחדים לעור או לעיניים דורשת, אפוא, התייחסות למבנה הרקמות, בכל איבר בנפרד, ומיקום נזקי הלייזר האפשריים.

נזקי עור

עובי שכבת העור העליונה - האפידרמיס 0.1-0.2 מ"מ, כשלעניין האינטראקציה עם הלייזר מניחים שבשכבה זו קיימת תכולה רבה של מים ובתחתיתה גרנולות של מלנין. מתחת לאפידרמיס מצויה שכבת הדרמיס (Dermis), שעובייה עשוי להגיע עד 2 מ"מ, הבנויה מסיבי קולגן ואלסטין, וגם היא בעלת תכולת מים מרובה. בחלק זה מצויים כלי הדם הקפילריים, הקטנים, וכלי דם בקטרים גדולים יותר. השכבה התת-עורית מכילה בעיקר שומן (Fat). בפועל, בגלל המרכיבים הנמצאים ברקמת העור, מסוגלות אלומות הלייזר לגרום נזקי עור מכל הסוגים: תרמי, אקוסטי וכימי, כשאופי הנזק בכל מקרה ומקרה תלוי באורך הגל הנתון של אלומת הלייזר, בעוצמתה, ובגודלו של שטח החשיפה. לעניין הנזקים התרמיים והאקוסטיים, יש להזכיר שוב שחומרת הנזק יחסית לצפיפות ההספק של האלומה (W/cm2) במקום פגיעתה בעור.

נזקי עיניים

לעניין נזקי הלייזר הפוטנציאליים חשוב להדגיש את הנקודות הבאות:

1. הקרנית (Cornea) והעדשה (Lens) מהוות יחד את מערך ההדמיה האופטי של העין, שהוא בעל חוזק אופטי כולל של כ- 50 דיופטר (Diopter). למילוי תפקידן צריכות הקרנית והעדשה להיות בעלות דרגת שקיפות גבוהה, באופן שהדמות שהן יוצרות על הרשתית תהיה חדה וברורה. פגיעה פיזית ברקמות הקרנית והעדשה או פגיעה בדרגת שקיפותן ייחשבו לנזק.
2. הנוזל הזגוגי (Vitreous) נותן לגלגל העין את מבנהו הכדורי. בנוסף לכך, הוא חייב להיות בעל דרגת שקיפות גבוהה, מאותה סיבה (של הקרנית והעדשה). פגיעה בשקיפות הנוזל הזגוגי תיחשב לנזק.
3. הרשתית (Retina) משמשת משטח רגיש לאור שבו נבנית דמות האובייקט הנצפה, ובה מתבצעת התמרה של הדמות האופטית לאותות חשמליים המועברים למוח לעיבוד התמונה. הרשתית נמצאת על מישור המוקד של מערך ההדמיה האופטי, ותפקודה התקין מחייב הישארות צמודה לדופן הפנימית של גלגל העין. היפרדות הרשתית מהדופן הפנימית של גלגל העין או פגיעה בחלק משטחה ייחשבו לנזק.
4. מכל שטחה של הרשתית, למרכז הראייה (Macula, הכתם הצהוב) תפקיד מכריע בפעולת הראייה, שכן רק באזור זה קיימת יכולת הבחנה בין צבעים, ורק במרכזו של אזור זה (Fovea, שקוטרו כ- 0.25 מ"מ בלבד הנמצא על הציר האופטי של מערך ההדמיה) נוצרת דמות בעלת כושר הפרדה גבוה. במקרים רבים, נזק במרכז הראייה מסתיים, בפגיעה קשה ביכולת הראייה.

בגלל תכונת הכיווניות הגבוהה של אלומת הלייזר, היא נראית למערך ההדמיה האופטי כאובייקט הנמצא באינסוף (במרחק רב), שדמותו נבנית כנקודה זעירה על הרשתית. יתרה מכך, כאשר מתבוננים ישירות על אלומת לייזר, דמות זעירה זו נופלת ממש במרכז הראייה של הרשתית, צפיפות ההספק גדולה פי 122,500 עם סיכוי גבוה לפגיעה חמורה ביכולת הראייה, עד כדי עיוורון.

מגוון הסיכונים הביולוגיים שמקורם בחשיפה לאלומת הלייזר, הוצגו בסעיף הקודם בהיבט האיכותי בלבד, מבלי לקשור בין הערכים של פרמטרי אלומת הלייזר (אורך גל, עוצמה וכד') למידת הנזק הצפויה. בעולם הממשי חייבים לכמת את מידת הנזק הצפוי, ולקשור אותו לערכי הפרמטרים של אלומת הלייזר. ניתוח כמותי של מידת הנזק, ואופן ההתייחסות לרמות הנזק השונות, נעשים בשלושת השלבים הבאים:

1. קביעת רמות חשיפה מותרות שאין בהן כל סיכון.
2. חלוקת רמות החשיפה הגבוהות יותר למספר דרגות סיכון.
3. קביעת אמצעי ההגנה הדרושים למניעת החשיפה לדרגות הסיכון השונות.

רמות חשיפה שאין בהן כל סיכון ביולוגי, הן כאלה שלא ניתן להבחין בהן באמצעי האבחון המקובלים (למשל, אופטלמוסקופ) מיד לאחר החשיפה לאלומת הלייזר, או מאוחר יותר. בגלל הפיזור הקיים במרכיבים האנטומיים של אנשים שונים (רמת פיגמנטציה שונה של העור, עובי האפידרמיס וכד'), ובגלל התלות של מידת הנזק בערך הממשי של מרכיבים אלה באזור החשיפה, לא ניתן לקבוע רמות חשיפה מותרות שיתאימו לכלל האוכלוסייה. במקום זאת, ניתן להגדיר רמות סף הנעזרות בממוצעים סטטיסטיים. משום כך, הקביעה של רמות הסף המותרות נעשית בשני השלבים הבאים:

1. קביעת ערך החשיפה Exposure Dose) ED₅₀)
2. קביעת סף החשיפה המותר MPE.

ערך החשיפה ED₅₀ מציין את רמת החשיפה העלולה לגרום נזק מינימלי, שניתן להבחין בו, ב- 50% מכלל האוכלוסייה שנחשפה לרמה זו. ערך זה כולל בתוכו את ההתייחסות הסטטיסטית הנובעת מפיזור הערכים של המרכיבים האנטומיים. כמובן שרמת החשיפה הזו מסוכנת למחצית מכלל האוכלוסייה. לכן, כדי להגן על מרבית האוכלוסייה מגדירים רמת חשיפה נמוכה יותר : 

MPE - Maximum Permissible Exposure

המקיימת את הקשר הבא: MPE = (ED50)/10

ערך זה מציין את החשיפה המירבית המותרת בה אין סיכון. ההנחה היא שהגבלת החשיפה לעשירית הערך שמסוגל לגרום נזק מינימלי ב-50% מהאוכלוסייה, יש בה מקדם בטחון מספיק גדול להגנה על כלל האוכלוסייה. אבל, כבר כאן חשוב להדגיש, שלא ניתן לצאת בהנחה גורפת שכזו, ולמעשה חלק (קטן, אמנם) מהאוכלוסייה עלול להינזק גם בחשיפה לערך המוגדר ע"י MPE. הסיבה לכך קשורה באופן הגדרת הערך MPE, הגדרה המתבססת על ממוצע סטטיסטי. במקרים אלה, לכל רף שיוצב, נמוך ככל שיהיה, תמיד יימצא האינדיבידואל שיינזק גם בערכים הקטנים מהרף שנקבע. כלומר, גם הורדת הרף של MPE למאית ערכו של ED₅₀ (או לפחות מכך) אין בה כדי להבטיח הגנה על כלל האוכלוסייה. מן הצד האחר, קביעת MPE על ערך השווה ל- ED₅₀/100, או קטן יותר, הייתה מקשה מאוד על אפשרויות השימוש בטכנולוגיית הלייזר מבלי להבטיח הגנה מלאה לכלל האוכלוסייה. הפשרה בין הסיכונים לצרכים נמצאה בהגדרת ערכו של MPE בתוספת ההוראה הכללית, האומרת: "לא לנקוט בפעולות שאינן נחוצות, גם אם הן כרוכות בחשיפה לערכים נמוכים יותר מהמותר".

רמת הסיכון של הלייזר מסווגת על פי גבול הפליטה הנגישה לאלומת הלייזר, ומאפשרת להתאים ללייזר "חבילת בטיחות". הסיווג (Classification) נעשה לפי דרגת הנזק הפוטנציאלי שאלומת הלייזר מסוגלת לגרום, בהתאם לקריטריונים הבאים:

• עוצמת אלומת הלייזר ביחס לערך החשיפה המירבית המותרת (MPE)
• יכולת האלומה הישירה או המפוזרת לגרום לנזק לעין
• יכולת האלומה הישירה לגרום נזק לעור או לגרום להצתה של חומרים דליקים

רמת סיכון 1: (Class 1)

מוצר לייזר שרמת קרינתו אינה מסוכנת. ייתכן גם מצב בו לייזר מסוכן נמצא בתוך מעטפת, ומערכות הבטיחות אינן מאפשרות מעבר אלומת לייזר מסוכנת. עקיפת מערכת הבטיחות עלולה להעלות את רמת הסיכון של הלייזר.

רמת סיכון 1M: (Class 1M)

מוצר לייזר שרמת קרינתו אינה מסוכנת דרך כלל; מוצר זה עלול להיות מסוכן לעין כאשר צופים בקרן הלייזר בעזרת מערכת אופטית מרכזת.

רמת סיכון 2: (Class 2)

מוצר לייזר הפולט בתחום האור הנראה (nm 400-700).רמת קרינתו מסכנת את העין רק אם החשיפה נמשכת יותר מ-0.25 שניות (זמן התגובה הארוך ביותר לרפלקס המצמוץ).

רמת סיכון 2M: (Class 2M)

מוצר לייזר הפולט בתחום האור הנראה (nm 400-700).  רמת קרינתו אינה מסוכנת לעין כאשר החשיפה נמשכת פחות מ 0.25 שניות (זמן התגובה הארוך ביותר לרפלקס המצמוץ); מוצר זה עלול להיות מסוכן לעין כאשר צופים בקרן באמצעות מערכת אופטית מרכזת.

רמת סיכון 3R: (Class 3R)

מוצר לייזר שפגיעת קרינתו באלומה ישירה עלולה להיות מסוכנת לעין. גבול הפליטה הנגישה לרמת סיכון זו הוא עד חמש פעמים רמת סיכון 2, בתחום האור הנראה.

עד חמש פעמים רמת סיכון 1 בשאר התחומים. מסוכן לעין בתחום הבלתי נראה החל מ-0.7mW.

רמת סיכון 3B: (Class 3B)

מוצר לייזר שפגיעת קרינתו באלומה ישירה או בהחזרת מראה מסוכנת לעין בכל זמן חשיפה שהוא, אך בדרך כלל אינה מסוכנת לעור.

רמת סיכון 4: (Class 4)

מוצר לייזר שפגיעתו בעין ובעור מסוכנת הן באלומה ישירה והן באלומה מוחזרת ומפוזרת; אלומתו של מוצר כזה עלולה להצית חומרים דליקים. כמו כן, קרן הלייזר, באינטראקציה עם חומר, יכולה ליצור פלסמה וחומרים נדיפים רעילים.