Thresholds for laser-induced thermal injury of ex-vivo bovine retina explant

Abstract

Die besonderen Eigenschaften wie geringe Divergenz und die Fähigkeit extrem hohe Leistungsdichte zu erreichen, machen Laserstrahlung attraktiv für viele Anwendungen, sind aber zugleich der Grund dafür, dass schwere Augen- und Hautschäden auftreten können. Der menschliche Körper, vor allem Organe wie das Auge, ist besonders anfällig für Verletzungen von kommerziell verfügbaren oder experimentellen Lasern. Forschung über das Schädigungspotential des menschlichen Auges und der Haut ist seit der Erfindung des Lasers laufend, um die Gefahren von Laserstrahlung zu verstehen.<br />Die Mehrheit der Daten werden experimentell von Laser-Induzierte Schädigung der Netzhaut an nicht-menschlichen Primaten (Rhesusaffen) und anderen Tieren gewonnen, jedoch einige an Freiwillige Daten oder Unfälle (meist aus den ersten Jahren des Laser-Operationen) sind ebenfalls erhältlich. Basiert auf diesen Ergebnissen sind Grenzwerte, als Maximum Zulässige Bestrahlung (MZB) bekannt, von der Internationalen Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP) festgelegt und für Normen von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC 60825-1) sowie als American National Standards Institute (ANSI Z-136,1) übergenommen. Diese Schädigungsschwellwerte ziehen eine Grenze zwischen gefährliche und eher sichere Bestrahlungen.<br />In dieser Studie sind ex-vivo Rinderaugen als experimentelles Modell für die Bestimmung der laserinduzierten thermischen Schädigungen der Netzhaut unter verschiedenen definierten Prüfbedingungen verwendet.<br />Insgesamt sind 9360 Bestrahlungen auf 388 Augenproben durchgeführt worden. Schädigungsschwellen, durch Fluoreszenz-Mikroskopie bewertet, zeigen gute Übereinstimmung mit Ergebnissen eines von Mathieu Jean in der Seibersdorf Labor GmbH entwickelt erweiterten Computer-Modells.<br />Beide Modelle untermauern gut die bereits publizierten Daten von In-vivo-Rhesusaffen. Die Abhängigkeit der Schwellenwerte auf Pulsdauern in den Millisekunden- und Sekundenbereiche und auf verschiedenen Spotgröße wurde für die Wellenlänge von 1090 nm zum ersten Mal ermittelt.<br />Der Zweck dieser Studie war: (1) thermische Schädigungsschwellenwerte der Netzhaut in ex-vivo Rinderaugen als Modell zu untersuchen, (2) das Computer-Modell mit dem Arrhenius Kriterium zu validieren, und (3) diese beiden Modelle mit in-vivo Rhesusaffen Daten in Verbindung zu setzen.<br />Letztlich, nach der Validierung dieses Computer-Modells wird es Grundlage für Sicherheitsanalyse komplizierter Szenarien anbieten.<br />

The special properties such as low divergence and ability to reach extremely high power density make laser radiation attractive for many applications, but are at the same time the very reason for laser radiation to be able to cause severe eye and skin injuries. The human body, particularly the organ eye, is most vulnerable to injury by most lasers now available. Research related to the injury threshold of the eye and skin has been ongoing since the invention of laser, in order to understand the biological hazards of laser radiation. The majority of the threshold data, based on laser induced retinal injury, are obtained from experiments on non-human primate (rhesus monkey) and other animals, however, some experimental data on human volunteers or laser based accidents (mostly from the first years of laser operations) are also available. Based on these threshold results, exposure limits known as maximum permissible exposure or shortly MPE's are set by the International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) and adopted by safety standardization committees of the International Electrotechnical Commission (IEC 60825-1) as well as American National Standards Institute (ANSI Z-136.1). These limits draw a boundary between those known as hazardous for the eye or the skin and those considered safe.<br />In this study, ex-vivo explant bovine eyes are used as experimental model for determining laser induced retinal thermal damage threshold for varying spot sizes and exposure durations. For several combinations, in total 9360 exposures have been executed on 388 bovine retinal samples.<br />Damage thresholds, based on fluorescence microscopy, compare well with the prediction/results of an extended computer model developed by Mathieu Jean at Seibersdorf Labor GmbH. Both models threshold data compare well with the already published data of in-vivo rhesus monkey available in this time and wavelength domain. The dependence of thermal damage thresholds on pulse durations for time between 1 ms - 1 s for the wavelength of 1090 nm was determined for the first time for a range of retinal spot sizes. The purpose of this study was (1) to investigate damage thresholds for retinal thermal injury using ex-vivo bovine eye as model, (2) to validate the computer model, stated above, used for retinal thermal threshold calculations based on Arrhenius damage criterion, and (3) to correlate these two model data with in-vivo rhesus monkey threshold data available in this time and wavelength domain. Ultimately, after validation, this computer model will provide the basis for safety analysis of more complicated retinal exposures scenarios and will be used in the future for calculating damage thresholds of more complex laser beam parameters.<br />