Corso di fisica di base sulla tecnologia laser

Il laser è una fonte di luce artificiale. Questa radiazione non si verifica in natura. La conoscenza fisico-tecnica dei laser è un prerequisito per il loro uso adeguato in medicina.

Il termine “laser” si trova oggi in molti settori, è diventato parte del linguaggio quotidiano. Oltre alle idee fantasiose, c’è anche un grande rispetto per il soggetto. Tuttavia, per poter utilizzare questa tecnica per se stessi, sono molto importanti una comprensione precisa e una valutazione corretta.

Nel corso della mia vita professionale, ho sempre lavorato nel settore della tecnologia medica e conosco le condizioni speciali che si incontrano nell’uso dei laser.

Condizioni legali

Fondamentalmente, dobbiamo soddisfare determinati requisiti legali per tutti i laser, indipendentemente dal luogo di utilizzo.

La protezione della salute è di fondamentale importanza; a tal fine, devono essere rispettate le specifiche vincolanti per la salute e la sicurezza sul lavoro. Queste leggi integrano il diritto nazionale e internazionale in Svizzera. La SUVA promuove la prevenzione e l’informazione sulle relative basi legali. Nella loro pubblicazione “Attenzione: raggio laser” (Ordine n. 66049), l’uso del laser e le necessità organizzative sono descritte in modo più dettagliato. Per il funzionamento del laser deve essere nominata una persona responsabile che abbia il titolo di “Responsabile della sicurezza laser”. Le competenze necessarie devono essere disponibili. Se i laser vengono utilizzati per applicazioni mediche, il produttore deve aver prodotto il dispositivo in conformità all’Ordinanza sui dispositivi medici MepV o alla Direttiva 93/42/CEE. Queste specifiche regolano anche il funzionamento e l’uso.

Attualmente è in corso una revisione, un riesame e un’integrazione delle leggi attuali. È in fase di elaborazione un progetto di legge sulla protezione dalle radiazioni non ionizzanti “NIR e suono”. Questa legge ha lo scopo di regolamentare l’uso del NIR nei lettini solari o nelle applicazioni cosmetiche. La popolazione deve essere protetta dai danni alla salute.

Come ultimo anello della catena di sicurezza, la SUVA prescrive i dispositivi di protezione individuale (DPI). Quando si utilizzano i laser, la misura più importante sono gli occhiali di sicurezza laser e, con i laser più potenti, gli indumenti protettivi. La norma DIN EN 207 è la base legale per questo.

Nozioni di base

E questo per quanto riguarda i regolamenti che dobbiamo osservare, o le leggi che dobbiamo rispettare. Le informazioni qui descritte hanno lo scopo di fornirle delle conoscenze, ma non sostituiscono un corso per ottenere una competenza laser.

I laser sono una fonte di luce che ha proprietà speciali e può essere generata solo artificialmente. Questa radiazione non si verifica in natura.
Il nome “laser” deriva dalle prime lettere della descrizione inglese di questo effetto (panoramica 1). Dalla prima lettera vediamo che si tratta di luce, cioè di radiazioni non ionizzanti. La gamma di radiazioni ottiche si estende da 100 nm a 1’000’000 nm, per cui in questo caso viene effettuata un’ulteriore divisione in sottogruppi:

• Radiazione UV: 100-380 nm
• Radiazione ottica visibile: 380-780 nm
• Radiazione IR: 780-1.000.000 nm.

Con poche eccezioni, i laser si trovano nella gamma del visibile o dell’infrarosso. Dal punto di vista linguistico, utilizziamo termini che sono generalmente conosciuti, ma che hanno un significato speciale per noi:

• Con la trasmissione, parliamo della profondità di penetrazione nel tessuto senza che avvenga alcun cambiamento. Paragonabile a guardare attraverso il vetro di una finestra.
• Per riflessione intendiamo la retro riflessione parziale o totale della radiazione che cade su una superficie. Paragonabile al guardarsi allo specchio.
• Quando parliamo di diffusione, intendiamo la distribuzione spaziale più o meno uniforme della radiazione dal punto di ingresso, ad esempio nel tessuto. Paragonabile alla vista attraverso una lastra di vetro smerigliato.
• L’assorbimento è l’assorbimento di potenza o energia per convertirla in calore, cioè per denaturare, vaporizzare o disintegrare il tessuto.

Quando si tratta di sistemi laser, ci piace riferirci ai laser anche con il mezzo laser, cioè l’elemento utilizzato per generare la luce laser. Questa denominazione indica anche il colore generato della luce laser. Poiché il colore è monocromatico, si può parlare anche di lunghezza d’onda del colore (Tab. 1). Per l’utente, tuttavia, sono importanti solo la profondità di penetrazione o l’assorbimento.

Grazie ai pensieri e alle ricerche dei nostri famosi fisici, sono stati creati molti fondamenti e prerequisiti per comprendere meglio la luce e renderla controllabile. Basandosi sull’ipotesi quantistica di M. Planck e sull’aggiunta successiva di A. Einstein con l’effetto fotoelettrico, il 16 maggio 1960 T. Maimann è stato il primo a generare luce laser artificiale. Si trattava di un laser a rubino che emetteva una luce rossa a 694 nm.

Luce artificiale

Poiché abbiamo già parlato più volte di “luce artificiale”, diamo un’occhiata al significato e alle particolarità dei laser. I tre principi e le proprietà fondamentali di questa luce sono:

• Luce monocromatica, cioè luce con un solo colore, lunghezza d’onda e frequenza (rispetto al bianco o alla luce solare, che ha molti colori, lunghezze d’onda e frequenze). Il famoso arcobaleno deriva dalla diversa rifrazione della luce solare nelle gocce di pioggia e dalla conseguente diversa deflessione dei singoli colori. Se sostituissimo il sole con un laser, sarebbe visibile solo un colore nell’arcobaleno. Grazie a questo effetto, abbiamo un effetto intenzionale quando utilizziamo il laser senza le lunghezze d’onda potenzialmente disturbanti o dannose.
• Percorso del fascio parallelo. Grazie alla generazione di luce, il fascio si allinea parallelamente nel risonatore e lo lascia in questo modo. In teoria, questo raggio è parallelo. A seconda della lunghezza del risonatore, si verifica una certa espansione del fascio, ma è molto ridotta rispetto alla normale sorgente luminosa. Le sorgenti laser hanno una forte messa a fuoco e una bassa divergenza. Le sorgenti luminose, invece, hanno un fascio fortemente divergente.
• La luce coerente è sincronizzata nel tempo e nello spazio (stessa fase e stessa ampiezza). I quanti di luce vengono creati nello stesso momento e si muovono nella stessa direzione. Mi piace anche descriverlo con i corridori di lunga distanza e i soldati in marcia. I corridori di lunga distanza fanno passi di lunghezza diversa e calpestano il terreno in tempi diversi – come la luce incoerente che non è sincronizzata nel tempo e nello spazio. I gruppi di marcia, invece, hanno tutti la stessa lunghezza di passo, alzano e abbassano i piedi nello stesso momento – come il laser (stesse fasi, stessa ampiezza).

Queste tre proprietà di base rendono il laser qualcosa di straordinario, che, come ho detto, può essere prodotto artificialmente solo in questo modo.

Origine della luce (laser)

Se ora osserviamo la formazione della luce e includiamo le condizioni speciali per i laser, riconosciamo rapidamente le caratteristiche della luce laser (l’illustrazione è molto semplificata e serve solo a descrivere la formazione).

Ciò che vediamo come luce sono i fotoni (quanti di luce). Sono la più piccola unità d’azione di un’interazione elettromagnetica.

Per prima cosa selezioniamo un elemento che vogliamo portare sul laser. Questo determina la successiva lunghezza d’onda, poiché ogni elemento ha più o meno una sola lunghezza d’onda principale (anche se esistono le cosiddette lunghezze d’onda armoniche, che non supportano la lunghezza d’onda a causa del rivestimento dell’ottica o che possono essere “accese” se necessario). L’elemento è composto dagli atomi, che sono costituiti dal nucleo atomico e dal guscio atomico. Il nucleo positivo e il guscio negativo sono strettamente legati grazie all’attrazione elettrostatica. Ora, non appena aggiungiamo un’energia, l’equilibrio elettrostatico viene modificato. Gli elettroni nel guscio possono allontanarsi ulteriormente dal nucleo grazie all’energia fornita e passare a un guscio più alto. L’atomo è ora caricato positivamente o negativamente e viene chiamato ione. Lo ione rimane in questo stato per un breve periodo, ma cerca di nuovo di raggiungere lo stato originale e poi emette l’energia in eccesso sotto forma di fotone. Poiché questo rimbalzo avviene senza essere stimolato, la luce viene emessa.

Se ora attacchiamo uno specchio a ciascuno dei due lati opposti, può accadere che un fotone colpisca questo specchio e venga riflesso nella stessa direzione di provenienza. Poiché entrambi gli specchi sono piano-paralleli tra loro, questo fotone verrebbe riflesso da un lato all’altro. Dal momento che anche altri atomi hanno un livello di occupazione più alto e gli elettroni carichi non sono ancora rientrati, questi verrebbero spinti dal fotone riflesso e stimolati a portare con sé il fotone risultante nella stessa direzione e oscillazione. Quando questo processo si avvia in questo modo, i fotoni si amplificano attraverso la scarica stimolata degli altri atomi, con un effetto a valanga. Finché l’energia viene fornita, la scarica stimolata ha luogo, il processo laser è attivo.

Grazie alla costruzione piano-parallela dei due specchi e del mezzo laser interposto, abbiamo un risonatore in cui viene prodotta una luce parallela monocolore e una radiazione laser coerente dalla stimolazione.

Per poter utilizzare il raggio laser, uno degli specchi del risonatore viene reso parzialmente trasparente. La permeabilità parziale è solitamente molto bassa, circa il 5-10%. Tuttavia, questa trasmissione è sufficiente per ottenere valori utili per il trattamento.

La lunghezza d’onda è specificata dal mezzo laser ed è quindi assegnata in modo permanente. Il mezzo laser può avere diversi stati. I supporti laser sono:

• Laser a gas, ad esempio_CO2 o argon
• Solido, ad esempio rubino o alessandrite
• Colorante, ad esempio rodamina 6G o cumarina
• Semiconduttore, ad esempio GaAs o GaAlAs.

L’apporto di energia (chiamato anche ‘pompaggio’) può essere effettuato applicando una tensione elettrica, una tensione continua o un’alta frequenza, oppure sotto forma di pompaggio ottico per mezzo di lampade riempite di xeno e kripton.

Grazie al design del risonatore laser, il fascio laser viene generato in modo tale che la distribuzione dell’energia nel fascio corrisponda al profilo gaussiano, la forma del fascio ha una GST 00 – la massima energia possibile al centro, che diminuisce lentamente verso il bordo.

Modalità operative

I laser si dividono in diverse modalità operative a seconda del loro design e della loro applicazione. Ci sono:

• “laser a onda continua” (laser cw), cioè laser a onda continua. In questo caso, il mezzo laser lavora più a lungo di 250 ms e quindi ha un effetto termico sul tessuto.
• Un sottordine è la “modalità a impulsi”, dove il laser funziona con una frequenza fissa ma con un controllo variabile della larghezza dell’impulso. Il vantaggio è che il tessuto ha tempi di recupero termico brevi e la zona del bordo termico è meno sollecitata dal tessuto.
• L’altra forma speciale nel funzionamento cw è il superimpulso, l’ultraimpulso, l’impulso shar, ecc. In questo caso, la potenza massima del laser viene sempre attivata per un tempo molto breve; il numero di impulsi al secondo risulta poi nella potenza media emessa. Il vantaggio è che il tessuto evapora bruscamente e si agisce sul tessuto quasi senza carbonizzarlo.

I laser pulsati vengono sparati solo per un lampo ed emettono il raggio laser di conseguenza. I laser a impulsi lunghi lavorano nella gamma dei ms e denaturano termicamente i tessuti. A volte è necessario, dal punto di vista medico, erogare una breve sequenza di impulsi, che viene controllata elettronicamente e spesso viene definita “modalità burst”. Si tratta di un treno di impulsi che emette da due a cinque impulsi in successione molto rapida con un solo innesco. Viene utilizzato per distruggere uno strato pigmentato senza bruciare. I laser a impulsi brevi o QS operano nell’intervallo di nano o pico-secondi. Gli effetti in questo caso non sono più lineari e hanno quindi un effetto meccanicamente esplosivo sul tessuto bersaglio (chiamato anche sfondamento ottico).

Densità di energia

La densità di potenza o di energia è il valore che esprime la potenza o l’energia erogata in un’area definita (Tab. 2). La tabella mostra che il diametro ha un effetto elevato sull’effetto sul tessuto. Modificare accidentalmente la distanza può cambiare estremamente il risultato. Con alcuni laser, la dimensione dell’area/spot impostata non viene monitorata elettronicamente; in questo caso, può facilmente accadere che le impostazioni non siano sincronizzate e che si verifichi un effetto eccessivo o insufficiente.

Sistemi di trasmissione

Per poter portare la luce laser al campo chirurgico, abbiamo bisogno di sistemi di trasmissione in grado di trasportare questa luce. A seconda del tipo di laser, abbiamo esigenze diverse.

Cavi a fibre ottiche: i cavi a fibre ottiche con diametro compreso tra 50 µm e 1 mm possono essere utilizzati in modo molto elegante e quindi possono essere inseriti nel corpo tramite endoscopi. All’uscita delle fibre ottiche, la luce emerge in modo divergente e viene utilizzata in modalità contatto o non contatto. Esistono anche diversi manipoli che applicano la luce laser al tessuto, a seconda dell’applicazione.

Onde cave: Più rara è la trasmissione tramite tubi flessibili. Questi hanno uno strato riflettente all’interno che riflette la luce laser attraverso queste onde cave, che hanno una durata limitata e un costo elevato. All’uscita, la luce laser emerge in modo divergente e viene resa disponibile per l’applicazione con il metodo a contatto o tramite ulteriori ottiche.

Braccio con giunto a specchio: si tratta di una disposizione di tubi più lunghi che hanno uno specchio incorporato in ogni giunto, accoppiando così la luce al tubo successivo. La regolazione deve essere allineata in modo molto preciso, ma il vantaggio è una qualità del fascio molto elevata, in quanto la luce laser può essere trasmessa in modo ottimale. Si consiglia tuttavia di prestare attenzione, in quanto la luce laser continua a uscire dal braccio in parallelo ed è quindi pericolosa indipendentemente dalla distanza.

Proiezione del fascio libero: grazie al design compatto, in alcuni casi è possibile proiettare la luce laser direttamente dal risonatore sul campo chirurgico. In questo caso, il getto viene preparato appositamente per l’applicazione e di solito è progettato solo per una singola applicazione.

Grazie alla miniaturizzazione dei componenti, oggi è possibile costruire manipoli laser che devono essere collegati all’unità di base solo tramite cavi di collegamento. La possibilità di azionare manipoli aggiuntivi con altri laser tramite l’unità di base amplia lo spettro delle diverse opzioni di trattamento.

Corsi di laser

Non tutti i laser sono ugualmente pericolosi, quindi esistono suddivisioni in classi di laser che esprimono la pericolosità in ordine crescente (Tab. 3).

Le aree in cui vengono utilizzati i laser di classe 3 e 4 e quindi vengono emesse radiazioni pericolose devono essere delimitate nell’area di accesso. In altre parole, ogni porta della sala laser deve essere contrassegnata da cartelli di avvertimento e, per la Classe 4, anche da luci di avvertimento.

Pericoli nell’uso della radiazione laser

Le sostanze presenti nel campo operativo possono essere eccitate a varie reazioni dalla radiazione laser. Liquidi alcolici, gas, gas respiratori o persino i gas del corpo possono causare incendi o esplosioni.

I prodotti di decomposizione del materiale nei fumi o nei vapori, ad esempio durante il trattamento delle verruche, danno origine a gas, polveri o miscele esplosive pericolose per la salute. Si producono anche sostanze chimiche e tossiche, tra l’altro, quando si irradiano tubi, garze o coperture. Un sistema di aspirazione dei fumi adeguato dovrebbe essere obbligatorio.

L’irradiazione massima consentita (MZB) rappresenta il valore limite per l’irradiazione innocua dell’occhio o della pelle. A livello internazionale, questo valore viene indicato anche come NOHD. Questa distanza è specificata individualmente per ogni accessorio nelle istruzioni per l’uso. La distanza MZB (NOHD) può variare da pochi metri all’infinito. Dopo questa rimozione, la protezione degli occhi non è più necessaria.

Gli effetti biologici sull’occhio e sulla pelle sono leggermente diversi. Poiché la struttura dell’occhio è molto più sensibile rispetto alla pelle, il danno si verifica molto più rapidamente. I danni agli occhi possono verificarsi a lunghezze d’onda inferiori a 400 nm o superiori a 2500 nm nella parte anteriore dell’occhio e tra 400 nm e 2500 nm nella parte posteriore dell’occhio. Sulla pelle, una lunghezza d’onda inferiore a 300 nm o superiore a 2500 nm può danneggiare la superficie cutanea e tra 300 nm e 2500 nm può danneggiare la pelle ad una profondità di circa 6 mm.

Ogni lunghezza d’onda ha una profondità di penetrazione tipica e un comportamento di assorbimento specifico. I laser sono oggi molto utilizzati in dermatologia. Il coefficiente di assorbimento è fondamentale per ottenere la giusta lunghezza d’onda (profondità di penetrazione) e l’assorbimento appropriato al tessuto bersaglio.

Poiché, soprattutto in campo medico, le persone non possono essere protette dalle apparecchiature laser con misure strutturali, è qui che entra in gioco l’ultimo anello della catena di sicurezza: i DPI. Gli occhiali di sicurezza laser sono generalmente obbligatori. Sono definiti secondo la norma DIN EN 207 e devono corrispondere al laser in termini di lunghezza d’onda, modalità operativa e livello di protezione (ad esempio, per un laser Nd:YAG DI 1000-1100 LB4 RH DIN S).

• Per la modalità operativa (prima cifra) abbiamo l’abbreviazione D per l’onda continua, I per l’impulso, RI per l’impulso gigante e MI per la modalità accoppiata, che si trovano singolarmente o in combinazione sugli occhiali.
• La lunghezza d’onda (seconda cifra) è indicata in nm ed è scritta come numero o intervallo di numeri sugli occhiali.
• Per il livello di protezione (terza cifra), 1 è il filtro più debole e 9 il più forte. A seconda della potenza/energia del laser, è necessario utilizzare il rispettivo vetro filtrante sicuro. Le istruzioni per l’uso devono indicare il livello di protezione corretto. Gli occhiali più vecchi possono ancora avere il marchio del filtro protettivo precedente “Lx” (“LBx” è il marchio attuale). A condizione che siano conformi alle specifiche del produttore, anche questi possono essere utilizzati senza esitazione. Gli occhiali con il marchio OD non sono conformi a nessuno standard europeo e quindi non devono essere utilizzati.

Conclusione

Il laser è uno strumento meraviglioso con il quale possiamo ottenere molto se sappiamo come gestire le sue peculiarità. Spero di essere riuscita a renderle queste peculiarità un po’ più familiari. Per poter utilizzare il laser con piacere e successo in futuro!

Messaggi da portare a casa

• Il laser è una fonte di luce che ha proprietà speciali e può essere generata solo artificialmente. Questa radiazione non si verifica in natura.
• La luce artificiale è caratterizzata dai seguenti principi di base: È monocromatico, coerente con un percorso del fascio parallelo.
• Le classi laser indicano in ordine crescente i possibili pericoli legati all’uso delle radiazioni laser.
• Se non è possibile adottare misure strutturali di protezione dalle radiazioni laser, entra in gioco l’ultimo anello della catena di sicurezza: i dispositivi di protezione individuale (DPI). Di solito utilizziamo occhiali di sicurezza laser o filtri protettivi.