risques biologiques dus aux lasers
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RISQUES BIOLOGIQUES DUS AUX LASERS RISQUES BIOLOGIQUES DUS AUX LASERS par Pascale CAILLARD Médecin du travail APSMT 3, rue Michel Bégon 41018 BLOIS CEDEX par la ENT EM FERT G OF CIEUS RA SOMMAIRE CRAM DU E CENTR 1ère partie : RAPPELS 1 - DÉFINITION .............................................................................................................................. 1 2 - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT .................................................................................... 1 NOTIONS DE PHYSIQUE QUANTIQUE .......................................................... 2 NOTION DE COHÉRENCE ................................................................................ 3 NOTION D'AMPLIFICATION ............................................................................ 3 CLASSIFICATION DES LASERS SUIVANT LE MILIEU ACTIF................... 4 INTÉRET DU LASER .......................................................................................... 4 3 - CARACTÉRISTIQUES DES ÉMISSIONS LASER .............................................................. 5 LA LONGUEUR D'ONDE ................................................................................... 5 LA DURÉE D´ÉMISSION ................................................................................... 6 L'ÉNERGIE OU LA PUISSANCE TRANSPORTÉE .......................................... 6 4 - UTILISATION DU FAISCEAU LASER ................................................................................. 6 APPORT DE FORTES DENSITÉS ÉNERGÉTIQUES SUR DE PETITES SURFACES ........................................................................... 6 UTILISATION DES QUALITÉS DU RAYONNEMENT .................................. 7 UTILISATION MÉDICALE ................................................................................ 7 CARACTÉRISTIQUES ET UTILISATION DES PRINCIPAUX LASERS ............................................................................... 8 2ème partie : DIFFÉRENTS RISQUES LIÉS AUX LASERS 1 - EFFETS BIOLOGIQUES DU LASER .................................................................................... 9 EFFETS THERMIQUES ...................................................................................... 9 EFFETS MÉCANIQUES ..................................................................................... 10 EFFETS ÉLECTRIQUES ................................................................................... 10 2 - DIFFÉRENTS RISQUES LIÉS AU LASER ......................................................................... 10 RISQUES OCULAIRES ..................................................................................... 11 - L'œil .................................................................................................................. 11 . La cornée ......................................................................................................... 12 . L'iris ................................................................................................................. 12 . Le cristallin ....................................................................................................... 13 . La rétine ........................................................................................................... 14 - Aspects du faisceau ........................................................................................... 16 . Exposition directe ............................................................................................ 16 . Réflexions (accidentelles ou non) .................................................................... 17 - Caractéristiques de l'œil intervenant dans la rencontre œil-laser ............................................................................................................. 18 . Le diamètre pupillaire ...................................................................................... 18 . Le film lacrymal .............................................................................................. 18 . Les paupières - mouvements de défense .......................................................... 18 . La puissance optique de l'œil ........................................................................... 19 . La densité d'énergie rétinienne ........................................................................ 19 EFFETS DU RAYONNEMENT LASER SUR LA PEAU................................. 19 - Structure de la peau ........................................................................................... 20 - Risques cutanés ................................................................................................. 20 RISQUES CHIMIQUES ..................................................................................... 22 - L'azote liquide ................................................................................................... 22 - L'inhalation de vapeurs émises ........................................................................... 22 - L'emploi de substances chimiques .................................................................... 22 . Les colorants .................................................................................................... 22 . Les solvants ..................................................................................................... 22 . L'iode ............................................................................................................... 23 - Les actions du faisceau laser sur la cible ........................................................... 23 RISQUE ÉLECTRIQUE ...................................................................................... 23 RAYONS X PARASITES .................................................................................. 23 HAUTES FRÉQUENCES ÉLECTROMAGNÉTIQUES ................................... 24 INCENDIE - EXPLOSION ................................................................................. 24 LE BRUIT ........................................................................................................... 24 3 - LIMITATIONS ET CLASSIFICATION ............................................................................... 24 L'EXPOSITION MAXIMALE PERMISE (EMP) .............................................. 24 LIMITES D'ÉMISSIONS ACCESSIBLES (LEA) ............................................. 25 4 - SURVEILLANCE MÉDICALE ............................................................................................. 26 A L'EMBAUCHE ............................................................................................... 26 SURVEILLANCE SYSTÉMATIQUE PÉRIODIQUE ...................................... 27 1ère partie : RAPPELS 1 - Définition LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Le laser est une source de lumière cohérente, c'est-à-dire monochromatique, collimatée, et dont les ondes sont en accord de phase entre elles. 2 - Principe de fonctionnement L'émission lumineuse d'un corps est due à une certaine diminution de l'énergie des éléments qui le composent, par exemple lors de passages d'électrons des orbites externes aux orbites internes d'un même atome (figure 1). Électrons (e-) gravitant sur des orbites 123456 123456 123456 123456 123456 123456 Noyau Figure 1 : Atome ■ NOTIONS DE PHYSIQUE QUANTIQUE Échanges d'énergie entre l'atome et son environnement = échanges discontinus = échanges de photons Nota : Les photons sont des corpuscules énergétiques sans masse ni charge électrique ou "grains de lumière" qui se déplacent avec une vitesse de C = 300 000 km/s. Un électron qui reçoit de l'énergie monte d'un niveau. L'atome devient instable c'està-dire "excité". Nous disons qu'il y a transition vers un niveau d'énergie plus élevé (figure 2). Électron Énergie arrivée photon n° 1 12345 12345 12345 12345 12345 12345 Noyau Figure 2 : Absorption de l'énergie Les électrons déplacés tendent ensuite à revenir sur leur orbite "de repos" initiale, restituant l'énergie acquise par une émission photonique secondaire (figure 3). Nous avons donc deux types d'émission de photons : - émission spontanée : aléatoire, en dehors de toute action extérieure, elle est incohérente c'est-à-dire désordonnée en tous sens ; - émission stimulée (stimulation photonique extérieure particulière) : elle est cohérente c'est-à-dire en phase pour tous les atomes concernés. Dans l'émission stimulée, un photon réagit avec une particule excitée en provoquant une transition qui induit (ou stimule) l'émission d'un deuxième photon. Ce deuxième photon possède : - la même énergie que le photon incident, - la même direction que le photon incident, - il est émis en phase avec lui. Émission photon n° 2 123456 123456 123456 123456 123456 Noyau Figure 3 : Restitution de l'énergie ■ NOTION DE COHÉRENCE En première approximation, nous pouvons parler de cohérence : - spatiale : les rayons sont parallèles entre eux et ont la même direction - temporelle : l'émission de tous les photons s'effectue en même temps - spectrale : rayonnement monochromatique (même longueur d'onde). Nota : Cependant, certains lasers émettent plusieurs longueurs d'ondes. Par exemple, le laser à argon à gaz ionisé fonctionne en régime continu sur plusieurs raies visibles notamment bleue (488 nm) et verte (514 nm). ■ NOTION D'AMPLIFICATION L'émission stimulée est un processus d'amplification puisqu'à partir d'un photon, on parvient à en générer deux identiques. 1234 1234 Excitation 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 1234 Miroir à réflexion totale "résonateur optique" Milieu actif amplificateur Figure 4 : Principe d'un laser 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 Faisceau 12345 12345 12345 LASER 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 12345 Miroir semi-transparent Pour provoquer l'émission laser, il faut "exciter" convenablement un milieu actif, afin de placer ses atomes dans des conditions telles qu'ils puissent libérer de l'énergie par émission stimulée. Cette "excitation" ou "pompage" peut se faire sous trois formes différentes : - pompage électrique : décharge électrique dans un gaz, ou excitation électronique (secteur ou batterie) - pompage optique : éclairs de tube flash ou faisceau laser - pompage chimique : réaction entre deux substances chimiques. Le milieu actif est placé dans une cavité de résonance limitée par deux surfaces réfléchissantes - parallèles ou sphériques - dans laquelle les ondes lumineuses oscillent. Un faisceau de lumière cohérente est émis au travers de la surface la moins réfléchissante (figure 4). ■ CLASSIFICATION DES LASERS SUIVANT LE MILIEU ACTIF Les matériaux actifs sont souvent constitués d'une substance de base, dans laquelle sont incorporés des atomes d'une substance dite "dopante". ■ Lasers à matériau actif SOLIDE : - le rubis : cristal de corindon (oxyde d'aluminium) avec traces de trioxyde de chrome - les verres dopés au néodyme - le grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme "YAG" (Yttrium Aluminium Garnet) dont le pompage est assuré par une lampe à arc au krypton - des semi-conducteurs tels que l'arséniure de gallium. ■ Lasers à GAZ : - mélange hélium-néon ou hélium-cadnium - argon ou krypton à l'état ionisé - dioxyde de carbone CO2 - azote - oxyde de carbone CO - fluorure d'hydrogène HF - excimères (ou exciplexes) ■ Lasers à LIQUIDE : - colorants liquides tels que : coumarines, rhodamines excités par flash électronique spécial ou par faisceau laser. ■ INTÉRÊT DU LASER Le laser est une source de lumière cohérente collimatée dont les ondes sont en accord de phase entre elles avec pour conséquence : la densité (surfacique) d'énergie diffusée restera pratiquement constante malgré l'éloignement. Elle est caractérisée par la longueur d'onde λ en cause, et l'intensité de départ de l'émission. La distance à la source n'intervient pas comme facteur d'atténuation. Ceci constitue l'intérêt fondamental de l'émission LASER, mais aussi le danger fondamental de cette émission. 3 - Caractéristiques des émissions laser Celles qui sont essentielles - car elles déterminent la pathologie - sont : - la longueur d'onde - la durée d'émission - et l'énergie ou puissance transportée. ■ LA LONGUEUR D'ONDE La longueur d'onde du rayonnement émis par chaque type de laser est généralement comprise entre 0,19 µm < λ < 10,60 µm dans une région du spectre des ondes électromagnétiques (figure 5) comprenant : - les ultraviolets λ < 0,4 µm - la lumière visible 0,4 µm < λ < 0,78 µm - les infrarouges λ > 0,78 µm. Chaque classe de longueur d'onde (UV - visible - ou IR) a sa pathologie propre. R Cosmiques Rγ RX 180 400 780 UVC UVB UVA Ultraviolets Visible IRA LASER 1400 IRB 3000 105 nm 1 mm Infrarouges IRC EHF Hyperfréquences 1 cm SHF Radars UHF 1m VHF TV HF 100 m MF Radiofréquences 1 km LF 10 km VLF 100 km Figure 5 : Longueurs d'ondes électromagnétiques ■ LA DURÉE D'ÉMISSION Le rayonnement laser peut être émis : - en "impulsions déclenchées" d'une durée de quelques picosecondes à quelques centaines de nanosecondes - donc très brèves - succession d'impulsions à des cadences variables (plusieurs mégahertz à quelques impulsions par heure), - en "impulsions relaxées" d'une durée variant de la microseconde… à quelques centièmes de seconde et avec une cadence de répétition de 10 par seconde (10 s-1) à 1 par minute (1 min-1), - en "émission continue" d'une durée conventionnelle > 0,25 seconde. ■ L'ÉNERGIE ou LA PUISSANCE TRANSPORTÉE Pour les lasers à fonctionnement continu (t > 0,25 s), nous utilisons : - Puissance de rayonnement P exprimée en Watt - Éclairement énergétique E exprimé en Watt/m2 et donné par la formule : E = Flux énergétique Surface C'est la quantité d'énergie par unité de surface. Pour les lasers impulsionnels, nous avons : - Énergie de rayonnement Q exprimée en Joule - Exposition énergétique H exprimée en J/m2. La luminance tient compte de l'angle d'émission énergétique et s'exprime en watt par mètre carré par stéradian (Wm-2sr-1). 4 - Utilisation du faisceau laser ■ APPORT DE FORTES DENSITÉS ÉNERGÉTIQUES SUR DE PETITES SURFACES - Usinage utilisant de hautes températures : . soudage . découpage, perçage … milliers de Watts . alésage . vaporisation métallique - Micromécanique : . horlogerie . électronique … cibles < 1 µm - Scellement verre-métal - Fragmentation - découpe du béton - Perçage et taille du diamant - Recherche sur les effets des hautes énergies et des hautes températures. ■ UTILISATION DES QUALITÉS DU RAYONNEMENT - Extrême directivité - Précision (distance) - Non dispersion de l'information portée Métrologie - Détermination d'alignements : . contrôle "pièces-micropièces" usinées . tracé des autoroutes . rectitude d'une construction . percement d'un tunnel - Télémétrie de haute précision, à toute distance (puissances faibles) : . astronomie (terre-lune) . géologie (dérive des continents) . géométrie de terrain - Appareils de laboratoires : . granulométrie . interférométrie . spectroscopie - spectrographie - Techniques holographiques (donnant une image tridimensionnelle) : . reproduction de solides - contrôle - comparaison à des références . corps statiques - en mouvement - déformation (suivre et mesurer l'usinage d'une pièce, le jeu d'une articulation, la déformation d'un outil, …) - Télécommunications : . mise en œuvre par modulations du faisceau, codage et décodage des informations transportées ■ UTILISATION MÉDICALE - Effets directs : . action thermique . photochimique . électromécanique - Effets indirects : . hémostase . vasomotricité . cicatrisation - Analyse médicale - Cytologie - Imagerie tridimensionnelle (holographie) - Thérapeutique surtout : Action thermique (chauffe, coagule, brûle, volatilise) : . chirurgie générale, vasculaire . cancérologie . ORL (larynx, oreille interne) . chirurgie dentaire (caries) . travail et soudure des prothèses . endoscopie et photocoagulation digestive, trachéobronchique, urinaire . gynécologie, dermatologie . ophtalmologie surtout (décollement rétine, rétinopathie diabétique) Autres effets : photochimiques : . activation photosynthèse . enzymologie électromagnétiques : . ondes de choc expérimental ■ CARACTÉRISTIQUES ET UTILISATION DES PRINCIPAUX LASERS λ en µm ● Durée impulsion Cadence impulsions Énergie puissance Utilisation 30 ps - 10 ms 1 Hz - 50 kHz 0,1 mJ - 30 J ++ Vaporisation métal - Recuits Ajustage résistances - Ophtalmologie …qq cent. W Perçage, soudage, horlogerie, micromécanismes Gravure, chirurgie, recherche Holographie objets en mouvement Télémétrie Lasers à matériel actif SOLIDE : - Yag 1,06 IRA continu - Rubis - Terre dopée au néodyme ● 30 ns 0,03 - 10 Hz 0,1 mJ à 10 J + UV 500 µs 0,03 - 10 Hz 0,05 à 5 J 1,06 IRA 0,5 à 5 ms 10 - 20 imp/min 1 à 60 J +++ Micro-usinage, soudage fil fin Vaporisation métal Perçage (diamant, rubis) Soudage par points (pièces et fils fins) Gravures, perçage Spectrographie, recherche Lasers à liquide : - Colorants ● 0,694 Variable 0,350 - 1 UVA - V - IRA qq mW - qq W Spectroscopie, étude de matériaux Dermatologie 0,1 - 100 mW + Travaux chantiers Métrologie Positionnement de montage (électronique) Holographie Reconnaissance signes codés Impression graphique 0,1 - 40 mW ++ Télémétrie - Holographies Spectroscopie Photocoagulation - Spectacles 1 W - 20 kW +++ Découpe matériaux (métaux plastiques) Soudage (métaux plastiques) Traitements thermiques Chirurgie (dentaire, ORL, …) continu Lasers à gaz : - Hélium néon - Gaz ionisés (Krypton-argon) 0,632 V continu 0,350 - 0,800 UVA - V - IRA continu - CO2 10,6 IRC - Azote 0,337 UVA 100 ns 1 - 10 Hz 1 - 100 mJ Impression graphique - photochimie Recherche - Excimères 0,190 - 0,350 UVC - B et A 10 à 60 ns 1 - 50 Hz 1 - 50 mJ Impression graphique - ORL Dermatologie - Vapeurs métalliques 0,5 - 15 V - IRA et B 20 ns qq Hz qq mJ continu Photothérapie 2ème partie : DIFFÉRENTS RISQUES LIÉS AUX LASERS 1 - Effets biologiques du laser Le laser permet le dépôt d'une grande quantité d'énergie en un point bien localisé d'une structure. Il s'ensuit trois grands groupes d'effets : - effets thermiques, - effets électriques, - effets mécaniques. ■ EFFETS THERMIQUES Ces effets sont dus à la libération de chaleur plus ou moins intense, plus ou moins localisée en fonction de l'énergie transportée et de son absorption par les tissus rencontrés. L'absorption du rayonnement dépend : - des caractéristiques du laser (type, P, λ, …), - de la nature du milieu traversé (transparence). Les milieux biologiques sont des milieux hétérogènes donc à répartition thermique inégale ("points chauds"). Il y a augmentation de l'absorption avec : - la richesse tissulaire en éléments pigmentés, - l'importance de la vascularisation. Les effets thermiques dus au laser ne diffèrent pas des autres effets dus à la chaleur, en dehors de l'extrême précision du point d'impact. Ce sont les effets les mieux connus du laser. ■ EFFETS MÉCANIQUES A l'arrivée de l'impulsion laser sur la cible, il se produit une augmentation considérable de pression. Un front de haute pression se propage à l'intérieur des structures : c'est l'onde de choc. Les lois de propagation de cette onde sont différentes selon l'organe ciblé. Les effets sont : - simple choc, rapidement amorti, - phénomènes de résonance : de graves lésions à distance du point d'impact (lésions profondes plus sévères que celles constatées au point d'impact). Les ondes de choc donnent naissance à des ondes acoustiques très aiguës (ultrasonores) qui ont leur propre pathogénie : - création de bulles de microcavitation, - changements physiques de la matière, - création de nouveaux composés chimiques. Dans un organe sphérique tel que l'œil (ou le crâne), les effets d'une onde de choc sont beaucoup plus graves que sur un organe plat (comme la peau par exemple). Les effets se portent au niveau des zones de jonction où les cellules sont plus ou moins liées entre elles, aux interfaces tissulaires. ■ EFFETS ÉLECTRIQUES Le faisceau laser engendre un champ électrique extrêmement puissant. L'intensité est du même ordre de grandeur que celle des champs électriques locaux assurant la cohésion de la matière (108 à 1012 V/m). Les effets électriques constatés sont : - perturbation des constantes physiques de la matière : conductivité, constante diélectrique, - perturbation de certaines réactions chimiques (existence de radicaux libres), - modification des polarités membranaires des cellules désorganisant les échanges ioniques des cellules. En fait, peu d'études ont été réalisées sur ce type d'effet. 2 - Différents risques liés au laser L'utilisation des lasers peut entraîner : - des risques oculaires, - des risques cutanés, - des risques chimiques (matériaux et produits traités), - des risques électriques, - des rayons X parasites, - des rayonnements connexes, - des risques d'incendie - explosion. ■ RISQUES OCULAIRES ■ L'œil : Il a la forme générale d'une sphère d'environ 2,7 cm de diamètre. Il comprend essentiellement (figure 6) : la cornée, l'iris (figures 9 et 11), le cristallin (figure 12) en avant ; corps vitré, rétine, choroïde et sclérotique en arrière (figure 16). La figure 7 donne la transmission des rayonnements laser par les milieux optiques de l'œil. Sclérotique Conjonctive Choroïde Rétine Iris Cornée Cristallin Macula Humeur aqueuse Corps vitré Nerf optique Figure 6 : Anatomie de l'œil Facteur de transmission Krypton Hélium Néon 100 % Rubis 80 % ………………………… 60 % ……………… 40 % ……………………………………………………………………………………………………………… 20 % Argon Néodyme ………… Azote 0,3 0,4 UVA CO2 10,6 YAG 0,5 0,6 Visible 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 IRA Figure 7 : Transmission des rayonnements par les milieux optiques de l'œil λ µm ■ La cornée : Elle est transparente, avasculaire, a une épaisseur comprise entre 0,60 et 1 mm et un diamètre de 12 mm. Elle se trouve isolée de l'air ambiant par film lacrymal. Elle comporte cinq couches : - couche cellulaire extérieure qui, en cas d'atteinte, se cicatrise en 48 h, - membrane de Bowman, - couche de fibres, épaisse : laisse une cicatrice opaque, - membrane de Descemet : fuite humeur aqueuse, - couche cellulaire interne. Les infrarouges lointains (IRB et IRC) et les ultraviolets (UVB et UVC) provoquent rapidement des lésions sévères (figure 8) : photokératite très douloureuse ( = inflammation de la cornée) - ou ulcération. Azote Arg. H K N UVC UVB UVA R Visible Néod. YAG IRA CO2 IRB IRC λ 180 280 315 400 nm 780 nm 1,4 µm 3 µm 1 mm Cornée Cornée Photokératite Brûlure Figure 8 : Action des lasers sur la cornée La gravité des lésions est fonction de la surface illuminée et de la profondeur des lésions. Nous pouvons avoir : - des lésions directes : . opacités de même diamètre que celui du faisceau . brûlures dues à l'énergie absorbée sous forme de chaleur (si l'énergie augmente, la brûlure est plus importante) - des lésions indirectes : . œdème, néovaisseaux . dépôts pigmentés et uvéite . opacités qui se calcifient et sont définitives (fortes énergies ≅ 30 J/cm2). ■ L'iris : - sépare la chambre antérieure de la chambre postérieure, l'humeur aqueuse du cristallin vitré (figure 9), - constitué de pigments colorés (couleur de l'œil), - percé en son centre par un orifice : la pupille, - comprend des muscles qui permettent le rôle de diaphragme (1,5 à 9 mm) par contraction ou dilatation de la pupille donc modification du diamètre (figure 10). Iris ; ; ; Humeur aqueuse Chambre antérieure Chambre postérieure Figure 9 : L'iris Fibres rayonnantes Fibres circulaires Figure 10 : Muscles de l'iris Figure 11 : Dilatation et contraction de la pupille Ce rôle est très important car il contrôle l'accès de la lumière (figure 11) vers les structures plus profondes de l'œil (rétine) : - pupille dilatée = ouverture maximale 9 mm, - pupille contractée = ouverture minimale 1,5 mm. Pas de lésion définitive de l'iris : - zone de pigmentation (impact) avec œdème autour, qui réalise un myosis - atténuation en 2 à 3 semaines, - si répétition des impacts, migration des pigments dans la chambre antérieure, atrophie, déchirure possible de l'iris. VARIATION DU DIAMÈTRE PUPILLAIRE SELON LE TYPE DE RAYONNEMENTS RENCONTRÉS (LONGUEUR D'ONDE) Domaine spectral Diamètre de la pupille UV 200-400 nm 0,1 cm V et IRA 400-1400 nm 0,7 cm IRB, IRC 1,4-100 µm 0,1 cm 0,1 à 1 mm 1,1 cm L'ouverture de la pupille ou dilatation pupillaire, face aux rayonnements visibles et infrarouges A, entraîne un risque pour les structures profondes de l'œil. ■ Le cristallin : - lentille ronde transparente biconvexe, - responsable par son pouvoir d'accommodation de la focalisation des rayons lumineux sur la rétine, - déformable par traction des muscles ciliaires qui modifient son rayon de courbure. Le cristallin (figure 12) est une lentille convergente ; il transforme un faisceau incident parallèle en faisceau convergent. Cristallin ;; ; Figure 12 : Le cristallin Il focalise l'image sur la rétine, mais aussi les rayons lumineux (figure 13). Rayon lumineux B F' A' A F Objet F' B' Image focalisée sur la rétine Focalisation sur la rétine Cristallin Cristallin Figure 13 : Focalisation de l'image Lésions du cristallin : Les ultraviolets proches et les infrarouges lointains touchent le cristallin avec : - des opacités ovoïdes, de grand axe situé dans la direction du faisceau incident (grisesblanchâtres). Le centre de la lésion est le plus opaque (figure 12). - des lésions définitives : ce qui entraîne une cataracte, d'origine thermique (figure 14). Azote Arg. H K N UVC UVB UVA R Visible Néod. YAG IRA CO2 IRB IRC λ 180 280 315 400 nm Cornée 780 nm 1,4 µm 3 µm 1 mm Cornée Cristallin Cristallin Figure 14 : Action des lasers sur le cristallin ■ La rétine : Elle comprend les récepteurs neurosensoriels nécessaires à la vision ; c'est la "plaque sensible" de l'œil. C'est un organe fragile et vulnérable (cellules nerveuses). Les lésions rétiniennes sont les plus connues, car ce sont celles qui ont été les plus étudiées. Constitution de la rétine (figure 15) : Il s'agit d'une superposition de plusieurs couches. Les unes contiennent surtout des corps cellulaires, les autres les prolongements des cellules : - épithélium pigmenté qui adhère à la choroïde et joue le rôle de protecteur vis-à-vis des récepteurs rétiniens. Grâce à la pigmentation, il absorbe l'énergie et la transforme en chaleur. - cônes et bâtonnets : ce sont les récepteurs de la sensation visuelle - cellules bipolaires (connections entre les cellules sensorielles) - cellules ganglionnaires dont les prolongements constituent le nerf optique. Il véhicule l'information visuelle jusqu'au cerveau. Gravité des lésions : Elle est variable selon la localisation des lésions sur la rétine. Les longueurs d'onde concernées par ces lésions vont de 0,4 µm à 1,4 µm. Lumière 12345678901234567890123456789 12345678901234567890123456789 12345678901234567890123456789 123456789012345 123456789012345 123456789012345 123456789012345 123456789012345678901234567890121234567 123456789012345678901234567890121234567 123456789012345678901234567890121234567 123456789012345678901234567890121234567 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 123456789012345678901234 123456789012345678901234 123456789012345678901234 Fibres nerveuses Cellules ganglionnaires Cellules bipolaires Photorécepteurs Cellules pigmentaires Choroïde Sclérotique Figure 15 : Constitution de la rétine Le rayonnement visible et l'infrarouge proche entraînent un risque lésionnel pour la rétine. Lésions observées : Il s'agit de brûlures avec coagulation ou de destructions tissulaires : - lésions petites, circulaires, bien circonscrites, zone centrale dépigmentée + anneau de pigmentation, en périphérie, - dimension variable selon diamètre image, - l'atteinte principale se situe au niveau de l'épithélium pigmenté (offre bonne absorption du rayonnement). A l'examen, il apparaît décollé. Différents étages dans la rétine, dans lesquels l'énergie lumineuse pourra s'épuiser progressivement : - œdèmes, exsudations sous rétiniennes, mort des photorécepteurs, … - choroïde et sclérotique = indemnes le plus souvent, - hémorragies envahissant le vitré, - risque d'organisation du vitré (vascularisation perte de transparence), - déchirure "fracture" de la rétine : double processus par effet thermique (brûlure) et effet mécanique (onde de choc). Signes fonctionnels : - éblouissement physiologique - baisse de sensibilité rétinienne : adaptation à l'obscurité, sens chromatique. Signes en fonction de la localisation des lésions (figure 16) : - destruction de la foveola (0,2 mm de ∅) : baisse de l'acuité visuelle de moitié, - destruction d'une partie de la macula : présence d'un scotome (c'est-à-dire d'une zone sans vision) couvrant une surface plus ou moins grande de l'objet regardé, - destruction de toute la macula : . perte des 3/4 de l'acuité visuelle, . perte du discernement fin des détails, . vision de type "crépusculaire" (floue), - atteinte de la rétine périphérique : peu perçue par le sujet (n'ampute que le champ de vision périphérique où les images sont habituellement floues). Prévention : Un faisceau laser ne lésera la macula que s'il vient de l'endroit que l'œil est en train de fixer (s'il vient en oblique, il lésera une autre zone rétinienne). Toute manœuvre qui amène à avoir l'œil fixé sur l'origine du faisceau est à proscrire. Vision périphérique Cônes = excellente discrimination Bâtonnets = vision crépusculaire +++ faible discrimination Vision centrale = Cônes essentiellement - excellente discrimination - vision diurne - vision des couleurs Macula Foveola Papille = zone aveugle Nerf optique Figure 16 Azote Arg. H K N UVC UVB UVA Néod. YAG R Visible IRA CO2 IRB IRC λ 180 280 315 400 nm 780 nm 1,4 µm Cornée 3 µm 1 mm Cornée Cristallin Cristallin Rétine Figure 17 : Atteintes de la cornée, du cristallin et de la rétine en fonction de la longueur d'onde ■ Aspects du faisceau : ■ Exposition directe : Faisceau laser L'œil est soumis au faisceau direct du laser (figure 17). f Figure 17 : Faisceau direct f Faisceau laser Faisceau laser Lentille biconvexe Figure 18 : Faisceau focalisé Lentille biconcave Figure 19 : Faisceau divergent Sur le double de la distance focale f, la densité d'énergie surfacique est supérieure à celle du faisceau direct (figure 18). La densité d'émission surfacique est d'autant plus faible que l'on s'éloigne du point de divergence (figure 19). ■ Réflexions (accidentelles ou non) : Faisceau incident Faisceau réfléchi Surface polie et plane Figure 20 : Réflexion spéculaire Faisceau incident Faisceau diffusé Surface non polie et plane Figure 21 : Faisceau diffusé La densité d'énergie surfacique du faisceau après réflexion spéculaire équivaut à celle du rayon incident car elle est sensiblement du même ordre de grandeur (figure 20). La densité d'énergie surfacique du faisceau diffusé est beaucoup plus faible que celle du rayonnement incident (figure 21). La probabilité pour qu'un œil se trouve dans le volume où il y a diffusion est beaucoup plus grande. Faisceau divergent Divergence Convergence Figure 22 : Surface polie convexe Figure 23 : Surface polie concave Surface polie convexe : Comme pour les réflexions sur des surfaces non polies, la densité d'énergie surfacique du faisceau réfléchi s'atténue, mais la probabilité de rencontre pour l'œil augmente. Sur une surface polie concave, il y a d'abord convergence jusqu'au point focal puis divergence (figure 23) : - sur le double de la distance focale : la densité d'énergie est ≥ au faisceau incident - au-delà du double de la distance focale, la densité d'énergie diminue mais la probabilité de rencontrer le faisceau est élevée. Caractéristiques de l'œil intervenant dans la rencontre œil-laser : ■ ■ Le diamètre pupillaire : - contraction pupille : diamètre de 2 mm (lumière) - dilatation pupille : diamètre de 7 à 9 mm (obscurité) - variation du flux lumineux reçu par la rétine dans le rapport de 1 à 12 (lumen/m2). La surface pupillaire varie dans un rapport de 1 à 25. La constriction pupillaire contribue à la protection rétinienne, mais elle ne commence que 0,2 à 0,5 s après l'augmentation de luminance lui parvenant… Or, en cas de flash laser (laser relaxé par exemple), la durée du flash est de l'ordre de la microseconde (10-6 s). Il s'ensuit que la protection est insuffisante. On a cependant intérêt à maintenir autour d'un poste de travail au laser, un niveau d'éclairage suffisant, de façon à maintenir la pupille en myosis (fermée, contractée, diamètre minimal). La pupille s'adapte au niveau d'éclairage ambiant. ■ Le film lacrymal : - absorbe une partie de la chaleur par échauffement et évaporation, - est opaque aux infrarouges lointains. ■ Les paupières - mouvements de défense : Les réactions de défense de l'observateur sont provoquées par une sensation douloureuse, déclenchée par la cornée et l'iris d'où fermeture des paupières et détournement des yeux et de la tête. L'iris contient un réseau de récepteurs à la douleur qui sert de signal d'alarme quand les niveaux d'énergie incidente sont trop élevés. La protection est insuffisante : - facteur de temps : délai de 150 à 250 ms entre illumination élevée et fermeture des paupières (réflexe palpebral), plus rapide si stimulus douloureux mais plus aléatoire ; - pénétration possible du faisceau dans l'œil sans heurter l'iris selon le diamètre et l'orientation du faisceau incident (figure 24) ; - les mouvements oculaires normaux peuvent diminuer l'importance des lésions en dispersant l'énergie sur une surface rétinienne plus grande (laser continu). Le faisceau a un diamètre supérieur à celui de la pupille d'où "choc sur l'iris", signal douloureux Petite source collimatée, dont le faisceau parvient à la rétine sans heurt sur l'iris. Figure 24 : Protection de l'iris 18 ■ La puissance optique de l'œil : C'est d'elle dont dépend la taille de l'image rétinienne et par conséquent la quantité d'énergie reçue par unité de surface de rétine. Le globe oculaire est constitué de milieux d'indices différents. La puissance optique est en fait son pouvoir de concentration du rayon lumineux, sur la rétine. Elle se mesure en dioptries, varie avec certaines pathologies et, avec l'âge, le pouvoir d'accomodation du cristallin varie : - + 14 dioptries à 10 ans - + 4 dioptries à 40 ans - + 1 dioptrie à 60 ans. Son rôle est la poursuite de la modification du faisceau lumineux, commencée par la cornée, et qu'il focalise sur la rétine. Taille de l'image rétinienne : Diamètre du spot rétinien = f (Distance focale) x Diamètre faisceau sortie du laser Distance œil-laser Par exemple : Laser situé à 15 mètres Faisceau 1 cm de diamètre f = 17 mm de l'œil Image rétine = 0,0113 mm ≅ 11 µm En pratique courante, on admet que la taille des images rétiniennes varie de 10 µm à 50 µm. ■ La densité d'énergie rétinienne : Le mécanisme de focalisation, véritable auto-concentration énergétique de l'œil, a pour conséquence d'augmenter considérablement la densité d'énergie rétinienne par rapport à l'énergie incidente sur la cornée. Densité d'énergie Surface Facteur transmission sur cornée x pupillaire x selon λ Densité d'énergie = Surface image rétine rétinienne L'augmentation de densité est multipliée par un facteur 105 ou 106 d'où une sensibilité de l'œil au laser sans commune mesure par rapport à la peau. Puissances émises par différentes sources lumineuses : - Bougie ......................................................................10-5 W/cm2 - Lampe à incandescence ............................................10-4 W/cm2 - Arc de soudure - Soleil .............................................10 W/cm2 - Émission laser de 1 mW à 6 mètres ..........................102 W/cm2 - Émission laser de 1 W même éloignée .....................> 105 W/cm2 ■ EFFETS DU RAYONNEMENT LASER SUR LA PEAU Moins importants qu'au niveau rétinien : - pas de concentration du faisceau (effet dû à la convergence du cristallin), - la perception douloureuse assez rapide en limite les effets. 19 ■ Structure de la peau : Couche cornée Épiderme Glande sébacée Derme Glande sudoripare Mélanine Hypoderme Capillaires La peau a une structure inhomogène. Elle contient des glandes sudoripares et des follicules pileux. Elle absorbe ou réfléchit plus ou moins la lumière en fonction : - de la longueur d'onde du rayonnement, - de la pigmentation de la peau. ■ Risques cutanés L'effet thermique est dangereux pour la peau, qui ne peut supporter des densités de puissance calorique que de quelques dizièmes de watts/cm2 en permanence à quelques watts/cm2 fugitivement (au soleil, en plein été et par temps clair, nous avons 0,14 W/cm2). Cet effet thermique est variable suivant la longueur d'onde du laser et la pigmentation de la peau (figure 25). Facteur de réflexion de la peau 0,6 0,5 Peau claire 0,4 0,3 Peau très pigmentée 0,2 0,1 λ (µm) 0,2 0,4 0,6 0,8 1 UV Visible IRA 2 IRB 4 10 20 IRC Figure 25 : Action de la pigmentation 20 30 40 La peau réfléchit bien les rayonnements situés dans le visible et l'infrarouge proche (0,4 à 1,4 µm). Les rayonnements les plus dangereux pour la peau sont donc ceux situés en dehors de cet intervalle, et qui seront absorbés, tels les ultraviolets et les infrarouges. Rôle de la pigmentation : La peau blanche est non altérée par un faisceau de 5 à 10 joules alors que pour cette même énergie, une peau pigmentée est brûlée, d'où l'importance du rôle de la mélanine et de l'hémoglobine dans l'absorption du rayonnement. Structure de la peau : Les zones épaisses hyperkératosiques sont résistantes. Les zones de la peau plus fine, où le derme est plus près de la surface, sont fragiles. Lésions observées : Elles vont de la rougeur d'irritation à la brûlure (figure 26). UVC 100 UVB UVA Visible IRA 280 315 400 760 IRB IRC 1400 3000 10 Régions spectrales λ (nm) 6 Pénétration de la radiation Érythème Brûlures Figure 26 : Lésions de la peau Les rayons ultraviolets peuvent provoquer : érythème (rougeur), pigmentation, photosensibilisation, vieillissement cutané, carcinogénèse (cancer). Les rayons visibles infrarouges agissent par effet thermique profond avec vasodilatation et rougeur pouvant aller jusqu'à la brûlure cutanée ou plus profonde. Les peaux pigmentées sont plus sensibles que les peaux blanches pour une puissance modeste. Les puissances élevées carbonisent tout (figure 27). UVC UVB UVA Visible IRA IRB IRC λ (nm) 180 280 315 400 1,4 780 Cornée 3 Cornée Cristallin Cristallin Rétine Effets superficiels Brûlure profonde Figure 27 : Lésions de la peau et de l'œil 21 10 6 ■ RISQUES CHIMIQUES Les risques chimiques concernent : ■ L'azote liquide : Certains lasers pour leur refroidissement utilisent l'azote liquide ce qui entraîne les risques suivants : - brûlure en cas de contact cutané, - appauvrissement en oxygène de l'air ambiant par un éventuel envahissement du local (taux normal dans l'air : azote 78 %, oxygène 21 %). ■ L'inhalation de vapeurs émises : Ces dernières se dégagent de certaines matières irradiées par le laser tel que l'ozone qui est émis par certains lasers utilisant ou créant des sources intenses de rayonnement UV (arc au xénon) d'où l'irritation des voies respiratoires (VME = 0,1 ppm et VLE = 0,2 ppm). ■ L'emploi de substances chimiques : Certains lasers exigent l'emploi de substances chimiques : ■ Les colorants : Dans les lasers à liquides, il est fait usage de colorants. Ceux-ci sont dangereux par eux-mêmes, surtout avant dilution et parce qu'ils peuvent se décomposer sous l'action de la chaleur en oxyde de carbone (CO), oxyde d'azote (NO), chlorure d'hydrogène, fluorure d'hydrogène. Colorants répertoriés comme mutagènes : - coumarine 480, - rhodamine 640 perchlorate, - DCM, - LSD 698, - crésyl-violet 670 perchlorate. Colorants répertoriés comme cancérogènes : - rhodamine 590 chloride ou rhodamine G6 qui est le colorant le plus utilisé de tous, - rhodamine 610 chloride ou rhodamine B. ■ Les solvants : Ils sont inflammables, à pouvoir calorifique élevé et entraînent un risque d'incendie et d'explosion. Par ailleurs, ils sont nocifs ou irritants : - le méthanol peut occasionner une névrite optique, - le DMSO diméthyl sulfoxyde favorise la pénétration cutanée des autres produits, - les composés benzéniques (laser au néodyme), dont le chlorobenzène, peuvent engendrer : anémie, risque rénal, hépatique, nerveux et cutané. 22 ■ L'iode : Il est utilisé comme milieu actif (laser à iode). ■ Les actions du faisceau laser sur la cible : Les vapeurs ou aérosols peuvent être émis au point d'impact d'un faisceau laser sur un matériau solide ou liquide : - en faible quantité, s'il s'agit d'un impact sur un écran ou un jet de colorant, - en quantité importante lors d'opérations d'usinage, de soudage, de perçage et de découpe, ce qui occasionne des vapeurs métalliques et des fumées, d'où la nécessité d'une aspiration efficace. La pollution chimique résultant de la dégradation thermique des matériaux et/ou de substances adhérant à leur surface (revêtement anticorrosion, traces de solvant de dégraissage, …) n'est pas négligeable. ■ RISQUE ÉLECTRIQUE Les alimentations électriques des lasers délivrent presque toujours de la HAUTE TENSION. L'excitation du milieu actif s'effectue par pompage optique (flash) - électrique - chimique ou rayonnement à haute fréquence. Le stockage de l'énergie se fait dans des bancs de condensateurs, sous de grandes tensions : - pompage optique - verre dopé au néodyme : 20 000 J sous 10 kV - pompage électrique - CO2 : 20 000 J sous 60 kV. Danger d'électrocution : Il est très important lors de travaux d'entretien, de réparation ou de mise au point. Les mesures de sécurité à appliquer sont : - dispositif d'arrêt d'urgence bien visible et accessible, - dispositif de décharge des condensateurs avec commande à distance, - état de charge des condensateurs indiqué par des voltmètres, - certains condensateurs doivent être placés dans des pièces distinctes, voire cages grillagées (risque d'explosion), - formation du personnel à la sécurité en matière d'électricité. Les consignes de travail doivent être respectées : - mise à la masse des circuits avant toute intervention, - port de gants isolants de protection et - port d'écran facial anti-UV. ■ RAYONS X PARASITES La génération de rayons X parasites est possible du moment qu'il y a présence simultanée de vide et de haute tension. 23 Dans une machine à laser, le système d'excitation de la cavité peut être à l'origine de ce type de rayonnement. Dans les lasers industriels, le rayonnement X est très faible grâce aux moyens de prévention mis en œuvre : blindage adapté (acier - plomb d'épaisseur 1 mm). Les effets éventuels occasionnés par les rayons X émis sont des érythèmes (rougeur cutanée). ■ HAUTES FRÉQUENCES ÉLECTROMAGNÉTIQUES Elles sont générées par le dispositif d'excitation du milieu actif, quand celui-ci est excité par une source de rayonnement à haute fréquence. Les effets éventuels sont des troubles neurovégétatifs "dystonie" et des effets thermiques. La prévention consiste en un blindage type cage de Faraday. ■ INCENDIE - EXPLOSION L'énergie importante délivrée par le faisceau laser peut conduire à un échauffement, puis une inflammation des produits qu'elle rencontre : - produits usinés ou traités par la lumière laser (découpe de carton, …), - environnement fixe (murs dégradés aux points d'impact), - tout ce qui peut être amené à se déplacer dans le champ du faisceau (feuille de papier qui s'enflamme, vêtements de l'opérateur, atteints par un rayonnement invisible…), - étincelles provenant de l'usinage, - bouteilles d'hydrogène à proximité de la machine (risque d'explosion). ■ LE BRUIT Nous trouvons : - les bruits classiques dus à l'usinage, au moteur, à l'alimentation électrique, - les bruits plus spécifiques tels que décharges électriques ou "claquages" par focalisation du faisceau (interaction lumière-matière ou air). Il s'agit de bruits très intenses. 3 - Limitations et classification ■ L'EXPOSITION MAXIMALE PERMISE (EMP) C'est le niveau maximal de rayonnement laser, auquel les personnes peuvent être exposées sans subir de dommage immédiat ni à long terme. Les EMP sont évaluées au niveau de la peau ou de l'œil, en fonction de : - la longueur d'onde, du tissu exposé, 24 - la durée d'exposition, - la fréquence de répétition des impulsions. Elles s'expriment en : - W/cm2 pour les lasers continus (éclairement énergétique), - en J/cm2 pour les lasers impulsionnels (exposition énergétique). "Diamètre apparent limite" α min : C'est le diamètre apparent d'une source laser ou d'une réflexion diffuse, vue par l'œil de l'observateur (figure 28). Observateur α Image rétinienne Laser Figure 28 : Diamètre apparent Si le diamètre apparent est : - < à α min : vision dans le faisceau primaire = exposition directe - > à α min : vision d'une source dite étendue. NOTA : α = valeur angulaire en radians. Pour une longueur d'onde déterminée, la densité d'énergie ou de puissance surfacique admissible au niveau de la cornée ou de la peau est fonction du temps d'exposition. Exemples d'EMP : VALEURS LIMITES POUR L'EXPOSITION DE LA PEAU AU FAISCEAU LASER Région du spectre Longueur d'onde Durée d'exposition (s) Valeur limite UV 180 - 400 nm 10-9 à 3.104 3 à 630 mJ/cm2 Visible IRA 400 - 1400 nm 10-9 à 10-7 10-7 à 10 2.10-2 J/cm2 1,1 J/cm2 IRA 400 - 1400 nm 10 à 3.104 0,2 W/cm2 IRB et C 1,4 µm à 1 mm 10-9 à 3.104 10-2 J/cm2 0,1 W/cm2 Pour l'œil, les tableaux sont différents selon que l'exposition est directe (faisceau pénétrant dans l'œil) ou concerne la vision d'une source étendue. ■ LIMITES D'ÉMISSIONS ACCESSIBLES (LEA) La limite d'émission accessible est le niveau maximal d'émission accessible permis dans une classe. Il existe donc des tableaux de limites d'émissions accessibles en fonction des classes de lasers (voir tableau classification ci-après). 25 CLASSIFICATION Classe 1 Appareils intrinsèquement sans danger (le niveau d'EMP ne peut être dépassé en raison de leur conception technique - P < 1 mW laser continu) Classe 2 - Faible puissance ; continu ou impulsion - Rayonnement visible 400 < λ < 700 nm - Protection de l'œil assurée (réflexe palpébral) - Danger si œil gardé > 0,25 s dans le faisceau (volontairement) Classe 3A - Puissance moyenne - La vision dans le faisceau est dangereuse avec les instruments optiques (télescope, jumelles, …) Classe 3B - Puissance moyenne - La vision directe dans le faisceau est toujours dangereuse - Lasers continus : puissance limitée à < 0,5 W - Lasers pulsés : exposition énergétique < 105 J/m2 - Picotements, échauffements préviennent la lésion cutanée Classe 4 - Haute puissance - La réflexion diffuse peut être dangereuse - Danger pour la peau ; risque d'incendie - Leur utilisation requiert d'extrêmes précautions 4 - Surveillance médicale Elle concerne surtout les utilisateurs de lasers de classe 3 et 4. ■ A L'EMBAUCHE Le médecin du travail doit : - déconseiller l'affectation au risque dans le cas des lasers de classe 3B et 4 aux personnes amblyopes, ou potentiellement monophtalmes - et ceci d'emblée ; - dépister les pathologies oculaires existantes telles que : . glaucome, . cataracte, . herpès cornéen, . anomalies vasculaires ou tumorales du fond d'œil, . lésions rétiniennes (décollement, rétinite, …), . névrite optique ; - dépister les pathologies générales comportant un risque oculaire telles que : . diabète, . hypertension artérielle, . artériosclérose, . prise de médicaments neurotoxiques ; - dépister les facteurs de risque provenant des habitudes de vie (hygiène de vie) par exemple : . alcool, tabac, drogues, … . exposition répétée aux UV (ski, mer) ; 26 - demander un bilan ophtalmologique initial chez le spécialiste pouvant servir d'examen de référence en cas de problème ultérieur, d'accident. Le contenu du bilan est à adapter à la longueur d'onde du rayonnement et comprendra : . acuité visuelle OD - OG (sans correction, avec correction), . nature de la correction (verres, lentilles - leur type), . champ visuel, . motricité, . vision des couleurs, . examen du segment antérieur de l'œil avec la lampe à fente (cornée, iris, cristallin), . tension oculaire, . si la longueur d'onde est située dans la zone visible (400-780 nm) ou infrarouge proche (780-1600 nm), examen du fond de l'œil avec description de la rétine périphérique, macula, foveola et photographie éventuelle. De façon très occasionnelle, sur prescription de l'ophtalmologiste : . courbe d'adaptométrie, . électrorétinogramme, . angiofluographie rétinienne ; Décisions d'aptitude à ne formuler qu'après : - avis de l'ophtalmologiste, - étude du poste (cf. fiche relative aux conditions de travail du travailleur exposé rédigée par la personne compétente du point de vue laser). Inaptitude absolue conseillée pour les sujets : - borgnes, amblyopes, - acuité visuelle d'un œil < 4/10 … mais tenir compte du niveau de risque et de l'ancienneté professionnelle du sujet… Aptitude relative (à nuancer en fonction du poste, de la durée d'exposition, des possibilités de reclassement) en cas : - kératoconjonctivite récidivante (herpès), - myopie évolutive, - névrite optique, - tuberculose en traitement (inaptitude temporaire). Aptitude relative si acuité avec correction ≥ 8/10 d'un œil et ≥ 4/10 de l'autre œil. ■ SURVEILLANCE SYSTÉMATIQUE PÉRIODIQUE Le médecin du travail doit pratiquer : - l'examen clinique annuel (absence d'accident de travail ou incident technique), - l'examen ophtalmologique régulier tous 2 ou 3 ans suivant le poste. Cet examen est à répéter dès le moindre incident ou accident ou symptôme oculaire, pour le personnel et l'équipe. 27 Éditions CRAM du Centre 30, boulevard Jean-Jaurès 45033 ORLÉANS CEDEX 1 Dépôt légal : Janvier 2002 ISBN : 2.909066-33-9 Tirage : 1 000 exemplaires 29 Réalisation Cram Centre - Janvier 2002 - 1 000 exemplaires
