Негативное воздействие лазерного излучения видимой области спектра на население. Обзор

Введение. Изучение влияния лазерного излучения на живые организмы началось практически сразу же после создания в 1960 г. первого оптического квантового генератора, использующего явление вынужденного излучения – лазера. С момента его изобретения новые вариации передовой технологии появляются практически каждый год.

По мере распространения лазерных технологий в различных отраслях человеческой деятельности увеличилось число контактов с лазерным излучением широкого круга пользователей, не знакомых со спецификой воздействия данного фактора на организм человека, в том числе и в повседневной жизни (использование лазерных принтеров, считывателей штрихкодов, лазерных указок, проекторов и пр.), что привело в последние годы к возрастанию количества случаев травматизации населения.

Цель исследования: обзор и систематизация информации о механизмах биологического действия лазерного излучения видимой области спектра в российских и зарубежных научных литературных источниках и анализ негативных последствий этого воздействия, встречающихся в отечественной и международной практике.

Материалы и методы исследования: поиск доступных научных иностранных и российских литературных источников. Поиск и отбор источников был осуществлен с использованием открытых текстовых баз данных медицинских и биологических публикаций PubMed и РИНЦ за период с 1969 по 2019 г. 

Результаты исследования. Уже в первые годы использования лазеров появились работы, указывающие, что энергия излучения вызывает патологические изменения в органах и тканях. Исследователи предполагают наличие как специфического, так и неспецифического действия лазерного излучения [1][2]. Результаты анализа полученных данных показали, что данный вид излучения даже при низких интенсивностях воздействия стимулирует изменения, реализуемые на всех уровнях организации биосистемы: субклеточном, клеточном, тканевом, органном, организменном [3][4].  Экспериментальные и клинические исследования свидетельствуют об изменении конформационного состояния и энергетической активности мембран [5], активации ядерного аппарата и изменении митотической активности клеток [6], основных ферментных систем [7], биосинтетических [8] и окислительно-восстановительных процессов [9]. На организменном уровне воздействие излучения сопровождается астеническим, астеновегетативным и астеноневротическим синдромами разной степени выраженности и в редких случаях при длительном воздействии лазерного излучения может развиваться гипоталамический синдром, характеризующийся перестройкой нервно-гуморальных регуляторных механизмов с клиническими проявлениями поражения центрального и периферического звеньев гипоталамо-гипофизарно-адреналовой, гипоталамо-гипофизарно-тиреоидной, гипоталамо-гипофизарно-гонадной систем [10]¹.

Принцип взаимодействия лазерного излучения с биологическими объектами заключается в том, что при определенных условиях свет поглощается структурами-мишенями – хромофорами различных биологических сред и последующим процессом является преобразование световой энергии в тепловую².

Механический эффект лазерного воздействия, возникающий в результате нагрева тканевой жидкости и последующего теплового объемного расширения облучаемых тканей, приводящего к повышению давления, вызывает деформацию и разрыв тканей. Возникающая в очаге поражения ударная волна способна распространяться в окружающих тканях с различными скоростями, поэтому ее эффект может отмечаться даже на значительном расстоянии от места непосредственного облучения. Распространяясь в тканях с ультразвуковой скоростью, ударная волна может вызывать явление кавитации, т. е. образования полостей за счет быстрого испарения частиц вещества. Образующиеся полости, спадаясь после прохождения ударной волны, в свою очередь, вызывают дополнительный компрессионный удар. Давление ударной волны может достигать значительных величин. Особенно опасны случаи возникновения ударной волны за счет теплового объемного расширения в замкнутых полостях – в полости черепа, глаза, грудной клетки и др. Под влиянием мощного лазерного излучения формируются электрохимические и фотохимические эффекты, приводящие к ионизации жидкостных компонентов, образованию новых структур, не свойственных живой материи, в частности свободных радикалов, катализирующих различные химические реакции [10].

К основным хромофорам в организме человека относятся меланин, гемоглобин, оксигемоглобин и вода ^{3 4}. Каждый хромофор имеет свой коэффициент поглощения волн разной длины, зависящий от теплопроводности вещества, и именно этот фактор определяет, какое воздействие будет оказано на ту или иную ткань-мишень. Спектр поглощения меланина лежит в ультрафиолетовом (до 400 нм) и видимом (400–760 нм) диапазонах спектра. Поглощение меланином лазерного излучения постепенно уменьшается по мере увеличения длины волны света. Гемоглобин имеет несколько пиков поглощения. Максимумы спектра поглощения гемоглобина лежат в области УФ-А (320–400 нм), фиолетовом (400 нм), зеленом (541 нм) и желтом (577 нм) диапазонах. Коллаген в видимом диапазоне поглощается в спектре от 400 до 760 нм [11]. Однако за счет теплопередачи нагреваются и соседние области, даже если они содержат мало светопоглощающих хромофоров [12][13], что обусловливает неспецифический эффект лазерного излучения.

К органам-мишеням лазерного излучения относятся кожа и орган зрения. Это связано с большим количеством хромофоров в тканях этих структур. Опасность лазерных лучей для зрительного анализатора и определила основное направление исследований в первые годы, которые сконцентрировались на изучении повреждающего действия излучения на орган зрения.

Вода может составлять до 90 % тканей анатомических структур зрительной системы человека. Это определяет спектральную зависимость оптического пропускания нормального человеческого глаза в области от роговицы до пигментного слоя сетчатки (ретинальный пигментный эпителий – РПЭ) [14]. При непосредственном контакте с глазом лазерного луча с длиной волны в видимой области спектра лазерное излучение беспрепятственно проходит через оптические среды глаза (роговицу, влагу передней камеры, хрусталик и стекловидное тело) и достигает сетчатки [15]. РПЭ содержит мелано-белковые гранулы, которые поглощают бóльшую часть видимого излучения, попадающего в глаз. Именно эта область повреждается в первую очередь [14]. Сетчатка поглощает около 10 % коротковолнового сине-зеленого излучения, в то время как риск повреждения нервных волокон сетчатки в макулярной области еще более повышен, так как желтый пигмент интенсивно поглощает сине-зеленое (особенно синий компонент) излучение. Поэтому синие лазеры считаются более опасными для органа зрения [15].

Известно, что высокоинтенсивное лазерное излучение повреждает все слои сетчатки: возникают ожоги сетчатки, кровоизлияния в сетчатку и прилегающие ткани, в дальнейшем на месте ожога образуется рубец, приводящий к стойкому снижению зрения. При объективном исследовании на сетчатке глаз у части работников выявляются светлые депигментированные очажки [15][16]. При исследовании функционального состояния зрительного анализатора авторы отметили, что у лиц, обслуживающих импульсные твердотельные лазеры, в 46 % случаев наблюдается снижение темновой адаптации [17].

Данные исследований показывают, что благодаря фокусирующему эффекту плотность потока энергии на сетчатке может быть в 4–5 (до 10) раз выше, чем на роговице глаза, что может привести к карбонизации, абляции тканей и фоторазрыву [15][18][19]. Поэтому даже «безопасные» мощности лазерного излучения могут вызвать серьезные травмы при контакте с глазом, в том числе при диффузно рассеянном лазерном свете при соответствующей мощности лазера. Такое излучение используется в так называемых бытовых лазерах, которые доступны широкому кругу пользователей. Часто люди недостаточно осознают всю опасность для глаз в случаях пренебрежения правилами безопасности.

В последующие годы диапазон исследований расширился в связи с выявлением общих реакций организма на воздействие излучения. При работе с лазерами наблюдается целый ряд субъективных расстройств – жалобы на тупые, иногда режущие боли в глазных яблоках, ощущение жара и тяжести в висках [20], утомление глаз, затуманивание зрения, чувство напряженности и тяжести в глазах, головные боли [21].

Излучение в видимой области спектра, помимо тепловых эффектов, обеспечивает условия для стимуляции фотохимических реакций [22].

Пример активации каталазы в результате поглощения красного света гелий-неоновым лазером его хромофорной группой уже стал классическим [23][24]. При облучении глаз кроликов гелий-неоновым лазерным излучением (10 дней) в сетчатке и эпителиальном пигменте наблюдалось увеличение общего содержания групп SH и, соответственно, соотношения SH/SS, а также активности ферментов глутатионредуктазы, супероксиддисмутазы и каталазы в 1,5 2,5 раза [25]. Влияние низкоинтенсивного лазерного излучения красной области спектра на химические реакции, протекающие в организме, уже много лет используются в терапии и профилактике различных заболеваний [26–28].

Важно отметить, что зеленый лазер (0,53 мкм) не влиял на активность каталазы ни в пигментном эпителии, ни в сетчатке, незначительно снижая активность супероксиддисмутазы только в пигментном эпителии. Тиолдисульфидная система оставалась стабильной в обеих тканях глаза [29].

Облучение глаза кролика синим лазером привело к резкому сдвигу в сторону окисления в тиолдисульфидной системе сетчатки и к выраженным фазовым изменениям окислительно-восстановительного баланса в пигментном эпителии. Все эти факты позволяют рассматривать синий лазер как повреждающий, а не стимулирующий фактор, в отличие от красного, поскольку происходит окислительная модификация SH-групп белков как в органе-мишени, так и в крови [30].

Медицинские осмотры, проведенные у сотрудников, работающих с лазерным излучением, показали, что неврозы астенического типа и патология вегетативно-сосудистой системы в виде вегетососудистых дисфункций и астеновегетативных синдромов достоверно чаще встречались у работающих с лазерами (40 %) по сравнению с лицами контрольной группы (23 %). Сердечно-сосудистые расстройства проявлялись у работающих с лазерами ареактивностью и извращением ответных реакций пульса при орто- и клиностатической пробах, достоверным, по сравнению с контролем, увеличением числа лиц с синусовыми аритмиями и брадиаритмиями на ЭКГ, а также высокими зубцами Т в грудных отведениях, свидетельствующими об экстракардиальных вегетативных воздействиях на сердце. При исследовании общей гемодинамики (по данным механокардиографии) у части обследованных (36 %), отмечалось повышение систолического и особенно среднединамического артериального давления, несоответствие фактического и рабочего удельного периферического сопротивления сосудистой сети (43 %), повышение тонуса сосудов мышечного типа (31 %) и коэффициента тонического напряжения сосудов (64 %).

Почти у половины работающих с лазерами зарегистрировано регионарное повышение тонуса мозговых сосудов. При исследовании функционального состояния вестибулярного анализатора у работающих с вышеуказанными типами лазеров установлено, что, несмотря на отсутствие каких-либо жалоб на головокружение, у большинства работающих отмечено нарушение функции вестибулярного аппарата. Достоверно чаще, чем в контроле, выявлены изменения возбудимости, преимущественно угнетение вестибулярного анализатора, причем в половине случаев эти нарушения касаются центрального отдела анализатора [31].

Таким образом, полученные данные указывают на возможность развития у работающих с лазерами комплекса общих неспецифических реакций организма со стороны нервной и сердечно-сосудистой систем.

Лазерное излучение видимой области спектра широко применяется в развлекательных целях. Если лазерные проекторы больших мощностей, используемые на концертах и зрелищных мероприятиях, требуют согласования и определенных финансовых вложений, то менее мощные домашние проекторы и лазерные указки доступны широкому кругу пользователей, в том числе детям.

Данные экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что воздействие излучения от коммерчески доступной зеленой лазерной указки класса 3А мощностью менее 5 мВт может индуцировать видимую ретинопатию в течение 24 часов после воздействия. Это характеризовалось желтоватым обесцвечиванием на уровне РПЭ в области воздействия. На каждом участке воздействия сохранялись гранулярные изменения в течение 5 дней после воздействия. Гистологическое исследование подтвердило повреждение РПЭ в облучаемых областях [32].

Офтальмоскопическое обследование двух пациентов, которые посетили один и тот же танцевальный фестиваль с лазерным шоу, сканирующим аудиторию, и обратившихся к врачу со снижением остроты зрения после прямого попадания лазера в один глаз, показало пятна коагуляции сетчатки одинакового размера, что привело к кровоизлиянию в сетчатку у обоих пациентов. При этом показатели внутриглазного давления и биомикроскопии были в рамках нормы. Несмотря на благоприятное разрешение геморрагического процесса, у одного из пациентов сохранились остаточные нарушения и у обоих пациентов остался пожизненный риск неоваскуляризации в месте воздействия лазера. В связи с этим пациентам было рекомендовано при возникновении любых изменений при работе органа зрения обращаться к врачу [33].

Эти данные согласуются с другим исследованием, в котором анализировались данные состояния органа зрения семи пациентов (8 глаз). Их средний возраст составил 18,7 года (диапазон: от 12 до 36 лет). В большинстве случаев пациенты в течение нескольких секунд подвергались воздействию зеленого лазера мощностью 5 мВт и в 2 случаях – красного лазера. Все пациенты жаловались на центральную/парацентральную скотому. В 5 глазах при офтальмоскопическом исследовании было отмечено круглое, четко выраженное глубокое желтовато-оранжевое обесцвечивание на уровне пигментного эпителия сетчатки в фовеоле диаметром от 150 до 350 мкм. Дополнительными находками были макулярное субгиалоидное кровоизлияние в 2 глазах и макулярное отверстие с цистоидным отеком в 1 глазу. Все пациенты получали терапию кортикостероидами с преднизоном (0,5–1 мг/кг). Период наблюдения составлял от 2 до 12 месяцев. Со временем улучшение остроты зрения было отмечено в 7 из 8 глаз. Улучшение зрения было связано с полным или почти полным восстановлением целостности макулярной структуры, отмеченным при спектрометрии [34]. Однако 12 лет – не самый младший возраст детей, получивших поражения глаз при контактировании с лазерным лучом. Исследователи описывают случаи поражения зрения у детей в возрасте от 8 до 15 лет лазерными указками, приобретенными онлайн. Клинически у трех детей наблюдалась острая макулопатия, которая привела к изменению пигментного эпителия сетчатки в субфовеальной области и снижению зрения. Один случай осложнился появлением хориоидальной неоваскулярной мембраны [35]. Через 12 месяцев у двух пациентов с помощью микропериметрии было выявлено снижение чувствительности в области центральной ямки сетчатки. SD-ОКТ визуализация показала стойкое нарушение наружных слоев фовеальных фоторецепторов у всех обследуемых детей [36].

В литературе описан случай повреждения сетчатки отраженным излучением красной лазерной указки. Водитель общественного автобуса подвергся воздействию лазерного луча игрушечной лазерной указки, управляемой школьником с расстояния около 16,5 м. Луч отразился в боковом зеркале заднего вида автобуса, и водитель несколько раз посмотрел на лазерный луч, чтобы определить местоположение человека, держащего лазер. Сразу после этого воздействия водитель пожаловался на «помутнение» зрения в правом глазу, которое сохранялось в течение 6 месяцев [37]. Данная ситуация является не только единичным случаем нанесения вреда здоровью человека, но и угрозой общественной безопасности, так как нанесение вреда водителю транспортного средства может привести к возникновению дорожно-транспортных происшествий и стать причиной аварий.

Обсуждение. Воздействие лазерного излучения на организм человека вызывает специфический и неспецифические ответы на всех уровнях организации тканей. Степень и характер развивающихся морфологических изменений зависят от длины волны излучения, времени воздействия, мощности, энергии и ее плотности на единицу облучаемой поверхности.

Использование лазерного излучения видимой области спектра обусловлено функциональным назначением бытовых установок. Красные, синие и зеленые лучи позволяют проецировать в пространстве изображения во время концертов и массовых мероприятий, а во время учебных процессов помогают фокусировать внимание слушателей на конкретных предметах.

В отличие от невидимого диапазона, видимое излучение кажется более безопасным, так как в некоторых случаях позволяет избежать непреднамеренного попадания лазерного луча в глаз. Однако нарушение техники безопасности приводит к тому, что прямое и диффузно отраженное лазерное излучение высоких мощностей может попадать в глаза зрителям, в числе которых могут находиться дети и пожилые люди. В случае с детьми ситуация может усугубляться тем, что часть из них скрывает факт намеренного или случайного попадания прямого луча в глаз в связи со страхом наказания и/или обращения к врачу. Часть клинических случаев описывает несовершеннолетних пациентов, обратившихся с нарушением зрения к врачу через несколько месяцев после происшествия и признавшихся в направлении указки в глаз только после прямого вопроса врача.

Особенности оптической системы глаза за счет эффекта фокусировки обусловливают различие в мощности потока энергии лазерного излучения на роговице и сетчатке в 10 раз. Это говорит о том, что измеряемая мощность лазерного излучения может не соответствовать таковой на сетчатке. При этом, несмотря на то что лазерные указки класса 3А и выше запрещены в некоторых странах, они могут быть свободно приобретены в интернете.

Заключение. Полученные данные указывают на то, что портативные лазерные указки и мощные лазерные проекторы могут нанести заметную травму макулы и в отдельных случаях навсегда повредить зрение. Хотя часто отмечалось хорошее восстановление зрения, общедоступность коммерческих лазерных устройств потенциально опасна, особенно для несовершеннолетних. Следует повысить осведомленность общественности о возможной опасности лазерного излучения и о мерах предосторожности.