7.1 Phototherapie und Strahlenschutz
85 % aller sensorischen Wahrnehmungen sind optischen Ursprungs. Optische Strahlung spielt nicht nur beim Sehen eine Rolle, sondern ist auch mit anderen biologischen Effekten verbunden.
Im therapeutischen Bereich macht man sich die photobiologischen Auswirkungen optischer Strahlung zu Nutze, dabei besonders optische Strahlung in ultravioletten und blauen (400 nm – 500 nm) spektralen Bereichen. Beispielsweise wird sie in der Phototherapie zur Behandlung verschiedener Hauterkrankungen und postnatal zur Behandlung von Hyperbilirubinämie eingesetzt. Für genaue Dosismessungen müssen bei phototherapeutischen Vorgängen Bestrahlungsstärke (W/m2) und -dosis (J/m2), gegeben durch UV-Quellen, durch genaue Messungen überwacht und kontrolliert werden. Für gewöhnlich kommen hierbei für spektrale und räumliche Messungen ausgelegte UV-A-, UV-B- und UV-B311-Radiometer zum Einsatz.
Optische Strahlung birgt allerdings auch ein potentielles Gesundheitsrisiko für Augen und Haut. Bei übermäßiger Einwirkung von ultraviolettem oder blauen „Licht”, können Sonnenbrand, Photokeratitis und Brennen der Netz- oder Hornhaut die Folge sein.
Durch den dramatischen Anstieg globaler UV-Strahlung und des kumulativen Charakters der schädigenden Auswirkungen, bilden künstliche UV-Quellen ein zusätzliches Risiko für übermäßige UV-Einwirkung.
Die Wirkungsweise von Schutzmitteln wie Sonnencremes, -brillen und UV-geschützten Textilien sind Untersuchungsgegenstand der Studie.
Wissenschaftler der Photobiologie, Berufshygieniker, Gesundheits- und Schutzbeauftragte messen UV-Bestrahlungsstärke (W/m2) und -dosis (J/m2) solarer und künstlicher Lichtquellen im Labor, bei Feldversuchen und am Arbeitsplatz, sodass sowohl gesundheitsgefährdende als auch -fördernde Auswirkungen von Licht untersucht werden können. Weiterhin werden mit diesen verschiedenartigen Messungen Sicherheitsrichtlinien erstellt. Wichtig hierbei ist, dass UV-Stärken und die Einwirkungszeiten bei den Probanden variieren und deshalb die Datenaufzeichnung über eine maßgebliche Zeitspanne erfolgt.
Seit Gigahertz-Optik aktiv am Netzwerk „Thematic Network for Ultraviolet Measurements” mitwirkt, das durch das „Standards, Measurements and Testing Program” der europäischen Kommission finanziert wird, werden Detektoren und Messinstrumente mit den am besten verfügbaren Standards geliefert. Zur Erreichung internationaler Standards für die Bewertung radiometrischer UVMessinstrumente, überprüft die CIE zum Zeitpunkt dieser Veröffentlichung zahlreiche Konzepte der europäischen Kommission. Dies geschieht in Anlehnung an die heutzutage vorliegenden Konzepte für photometrische Instrumente.
Die folgenden Abschnitte bieten Informationen zu:
Hier finden sie einen schnellen Überblick über die Applikation Gefährdung durch optische Strahlung und dementsprechende Produkte:
Hier finden sie entsprechend die Applikation Photomedizin und deren Produkte:
Inkohärenter optischer Strahlungsschutz
Neben den weitreichenden und oftmals höchst positiven Auswirkungen von Licht, dürfen die schädlichen Auswirkungen nicht außer Acht gelassen werden. Natürliche optische Strahlung, besonders im UV-Bereich des Sonnenspektrums, birgt ein hohes Gesundheitsrisiko für Arbeiter im Freien und Menschen, die eine erhebliche Zeit draußen verbringen.
Die schwerste Langzeitauswirkung von übermäßiger UV-Belastung ist die Bildung maligner Hautmelanome, die eine gefährliche Krebsart darstellen. In den USA ist Hautkrebs die meist attestierte Krebsart und seit den 1970er hat sich die Neuerkrankungsrate maligner Melanome mehr als verdoppelt. Dieser Trend gilt auch für andere Länder was die Gründung nationaler und supranationaler Netzwerke für solare UV-Detektoren zur Folge hat, mit denen solare UV-Stärken gemessen werden. Zudem bereitet die Weltorganisation für Meteorologie zum Zeitpunkt dieser Veröffentlichung einen Richtlinienkatalog für die Bewertung, Kalibrierung und Wartung solcher Detektoren vor.
Abb. 1: Neuerkrankungsraten maligner Melanome in den USA seit 1973
Vereinfacht ausgedrückt ist inkohärente optische Strahlung optische Strahlung im Wellenlängenbereich von 100 nm und 1 mm, abgesehen von Laser emittierter Strahlung. Die Auswirkungen inkohärenter optischer Strahlung auf Haut und Augen werden immer stärker untersucht. Dies ist auf eine steigende UV-Belastung durch Sonnenlicht (besonders im UV-Bereich) und den steigenden Gebrauch von Hochleistungslampen in der Strahlentherapie, bei Kosmetikbehandlungen, UV-Strahlenhärtung, UV-Sterilisierung, Kraftfahrzeugscheinwerfer, Beleuchtungsausstattung etc. zurückzuführen. Die hohe Menge an UV-Strahlen und blauem Licht in den Emissionsspektren dieser Lampen kann, neben den gewünschten Auswirkungen, auch Strahlungsschäden durch direkten oder indirekten Kontakt bei Übersteigerung der maximal erlaubten Bestrahlungswerte mit sich bringen.
Die geringe Eindringtiefe der optischen Strahlung begrenzt die Gesundheitsrisiken primär auf Augen und Haut.
Abb. 2: Risiken durch optische Strahlung
Relevante Strahlmengen
Bei der Bewertung der Schäden, die durch inkohärente optische Strahlung verursacht werden können, ist die effektive Strahldichte (bzw. das Zeitintegral der Strahldichte) in Bezug auf die Auswirkung auf die Netzhaut ausschlaggebend. Andererseits stellt die effektive Bestrahlungsstärke (bzw. Bestrahlung, auch als Dosis bekannt) die entscheidende Menge für Haut, Hornhaut und Augenlinse dar. Bestrahlung kann beispielsweise am Arbeitsplatz oder anderen Orten vorkommen.
Effektive photobiologische Strahldichte
W/(m2sr)
Lbiol = ∞ ∫ Leλ(λ) · s(λ)biol, rel · dλ 0
wobei Leλ(λ) die spektrale Strahldichte der Strahlquellen ist.
Effektive photobiologische Bestrahlungsstärke
W/m2
Ebiol = ∞ ∫ Eeλ(λ) · s(λ)biol, rel · dλ 0
mit Eeλ(λ) als Index für spektrale Bestrahlungsstärke.
Effektive photobiologische Bestrahlung
Dosis, J/m2
Hbiol = t1 ∫ Ebiol · dt 0
mit s(λ)biol, rel als Faktor für das relevantes spektrales Ansprechvermögen der Haut und des Auges.
Werden mittels Richtlinien Dosisbegrenzungen (Elimit) als effektive Stahldichte, -grenze oder Bestrahlungsstärke ausgewiesen, sollten die folgenden Bedingungen eingehalten werden
Ebiol ≤ Elimit oder Lbiol ≤ Llimit
Werden Bestrahlungswerte als Zeitintegrale der Strahldichte Li oder als Bestrahlung H (bzw. Dosis) ausgewiesen, kann die maximal erlaubte Bestrahldauer t folgendermaßen errechnet werden:
t = Li / Lbiol oder t = H / Ebiol
Spektrale Gewichtungsfunktion zur Beurteilung der UV-Strahlengefahren nach ACGIH / ICNIRP
Die spektrale Gewichtungsfunktion zur Beurteilung akuter schädlicher Auswirkungen durch UV-Strahlung wurde von der American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) und der International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) entwickelt.
In Anbetracht der spektralen Kurve zur Beschreibung dieser Funktion wird deutlich, dass die spektrale Wirksamkeit im UV-C- und UV-B-Bereich sehr hoch ist und dagegen im UV-A-Bereich drastisch abfällt. Dies ist damit begründet, dass die Funktion von derjenigen abgeleitet wird, die die Beziehung von Strahlung und Erythem (Hautrötung) und Bindehaut- sowie Hornhautentzündung. Im Wellenlängenbereich von 315 nm bis 400 nm entspricht die Funktion einer rechteckigen und stellt damit den gesamten UV-A-Bereich dar. Schwellenwerte für die maximal erlaubte Bestrahlung der Haut legen den Wellenlängenbereich 200 nm (180 nm) bis 400 nm als Referenzfunktion nach ACGIH-ICNIRP fest. Dabei gibt es getrennt ermittelte Schwellenwerte für die maximal erlaubte Bestrahlung für das Auge einerseits im Bereich 200 nm (180 nm) bis 400 nm und 315 nm bis 400 nm (UV-A) andererseits. Laut Definition der ACGIH-ICNIRP, wird UV-B- und UV-C-Strahlung durch effektive Bestrahlungsstärke gemäß der spektralen Gewichtungsfunktion gemessen und UVA- Strahlung durch die Ermittlung der gesamten UV-A-Bestrahlungsstärke (keine spektrale Gewichtungsfunktion) von Quellen mit hohem UV-A-Anteil.
Abb. 3: Spektrale Funktion der ACGIH
Funktionen für Blaulichtgefahr und thermische Gefahr für photochemische und thermische Risiken für die Netzhaut
Blaulichtgefahr (Blue Light Hazard, BLH)
Trifft starke optische Strahlung mit Wellenlängen zwischen 380 nm und 1400 nm auf die Netzhaut, kann dies photochemische und thermische Schäden verursachen. Strahlung im Blaulichtspektrum zwischen 380 und 700 nm (wirksam bei 380 nm bis 550 nm) löst photochemische Reaktionen aus. Ist die Photonenenergie in der Strahlung hoch genug, sorgt sie für eine Umwandlung chemisch unstabiler Moleküle in eine oder mehrere Molekülarten. Die nachfolgende Grafik zeigt die spektrale Kurve der BLH–Ansprechfunktion. Die ICNIRP hat 1997 folgende Grenzwerte für wirksame Strahlung der BLH-Funktion festgelegt:
LBLH · t ≤ 100 J · cm-2 · sr-1 für t ≤ 10,000 s
LBLH ≤ 10 mW · cm-2 · sr-1 für t > 10,000 s
LBLH = Effektive Strahldichte
t = Bestrahlungszeit
Die BLH-Funktion ist für Bestrahlungszeiträume von mehr als 10 s ausgelegt. Bei kürzeren Bestrahlungszeiten greift die Funktion für thermische retinale Schädigung.
Abb. 4: Spektrale Funktion in Bezug auf BLH
Thermische Schäden im Auge (Retina Thermal Hazard, RTH)
Ist die Netzhaut kurzzeitig hohen Strahlungsstärken ausgesetzt, führt eine Temperaturerhöhung auf 45 °C zu Hyperthermie, auf 60 °C zu Koagulation und auf über 100 °C zu Verdampfung. Eine Abkühlung hängt häufig mit dem Leistungsvermögen der bestrahlten Zone in Bezug auf Wärmeübertragung ab und somit von der Bildgröße der bestrahlten Fläche auf der Netzhaut. Die obere Graphik zeigt die spektrale Ansprechfunktion in Bezug auf thermische Schäden der Netzhaut gemäß ICNIRP.
Im Bereich 380 nm und 500 nm ist die Wirksamkeit der RTH-Funktion größer als die BLH-Funktion mit dem Faktor 10. Dies rührt daher, dass die BLH-Funktion über 500 nm rapide auf null fällt und die thermische Funktion dagegen bis Wellenlängen zu 1400 nm weitergeht. Im industriellen Bereich gibt es jedoch keine Sensoren mit einem spektralen Empfindlichkeitsbereich von 380 nm bis 1400 nm, sodass hierfür Silizium-Fotodioden verwendet werden. Hierbei ist ein Messbereich bis zu 1200 nm ausreichend, da es bei verschiedenen Lichtquellen nur zu einer 4%igen Abweichung zwischen dem Integral über das Emissionsspektrum bis zu 1200 nm und dem Integral bis zu 1400 nm kommt. Die ICNIRP bestätigt diesen Sachverhalt in ihrem Arbeitsblatt /1/.
Bei Strahlungsquellen, deren Emissionsspektrum nahe dem Infrarotbereich zwischen 780 nm und 1400 nm (IR-A) liegt und die weniger als 10 cd/m2 visueller Leuchtdichte abgeben, ist die visuelle Stimulation so gering, dass nicht einmal ein Abwehrreflex aktiviert wird.
Gemäß der ICNIRP gilt es bei solchen Anwendungen die Messung der Strahldichte ausschließlich im IR-A-Bereich zu tätigen.
L(λ):Spektrale Strahldichte der zu messenden Strahlquelle
RTH(λ): RTH-Funktion
α: sichtbare Strahlenquelle
Für die RTH-Funktion gibt es ebenfalls festgelegte Grenzwerte. Sie gelten im Falle, dass
10 μs ≤ t ≤ 10 s
Lhaz ≤ 50 / ( α · t0,25 ) ( kW · m-2 · sr-1 )
Lhaz = Effektive Strahldichte für die RTH-Funktion
α = Größe der Lichtquelle dargestellt in Radiant
Für t < 10 μs darf der Grenzwert nicht größer als Lhaz für t = 10 μs sein. Für t > 10 μs darf der Grenzwert nicht größer als Lhaz für t = 10 s sein.
Messtechnische Betrachtungen
Bei der Bewertung von Risiken durch Blaulicht und thermische Einflüssen ist die Strahldichte die maßgebende Größe. Aktuelle Normenentwürfe (IEC 825-1, November 1998) und die ICNIRP (nachzulesen in Health Physics 1999) legen relevante Gesichtsfeldwinkel für Strahldichte-Messgeräte fest. In Bezug auf Bestrahldauer werden folgende anwendbare Maße und Größen genannt:
t < 10 s bei einem Winkel α von 1,7 mrad *
t = 10 s … 100 s bei einem Winkel α von 11 mrad **
t = 100 s … 10000 s bei einem Winkel α von 1,1 · t0,5 mrad / s0,5 **
t > 10000 s bei einem Winkel α von100 mrad **
* überwiegend thermische Schädigung der Netzhaut
** überwiegend Blaulichtschädigung
Abb. 5: Lichtquelle – Öffnungswinkel – Netzhaut
In Bezug auf die thermische Gefahr bei naher Infrarot- Strahlung, empfehlen die US-Behörde für Normung ANSI und die US-Lichttechnik- Gesellschaft IESNA RP-27.1-96 einen Gesichtsfeldwinkel von 11 mrad und von 100 mrad bei sehr großen Strahlquellen.
/1/ ICNIRP: Richtlinien für Bestrahlungsgrenzwerte bei inkohärenter optischer Breitbandstrahlung (0,38 μm bis 3 μm) (September 1997).
Abb. 6: Spektrale Funktionen für RTH und BLH
UV-Erythem
Das typische Symptom für ein UV-Erythem ist die plötzlich auftretende Entzündung der Haut durch UV-Strahlung (Sonnenbrand).
Früher ging man von der Annahme aus, dass sich Erythema nur durch Strahlkomponenten im UV-B-Wellenlängenbereich bilden. Heutzutage wird die Meinung vertreten, dass auch UV-A-Strahlung – aufgrund der stärkeren Präsenz heutzutage – für Bildung von Erythema verantwortlich ist. Medizinischen Untersuchungen zu Folge steigt mit einer intensiven UV-Bestrahlung in der Freizeit oder am Arbeitsplatz das Hautkrebsrisiko. Besonders Kinder müssen vor starker UV-Strahlung geschützt werden, da die Kinderhaut in den ersten Lebensjahren alle Informationen bezüglich UV-Dosis speichert. Dies stellt einen wichtigen Faktor bei der späteren Entwicklung von Hauttumoren dar.
Sonnenbrand kommt bei hellhäutigen Menschen (Hauttyp 2) bei einer UV-Dosis von weniger als 250 J/m2 vor. Die nachfolgende Tabelle (nach F. Greiter: Sonne und Gesundheit, Gustav Fischer Verlag, 1984) zeigt verschiedene Bestrahlzeiten, die minimale Hautröten bei verschiedenen Hauttypen verursachen.
Abb. 7: Erythemwirksame spektrale Funktion
| Hauttyp | Beschreibung | Identifikation | Sonnenreaktion | Sonnenbrand Bräunung | Exposure |
| I |
| Keltischer Typ | Sehr schmerzhaft | Keine Rötung, weiß nach ein bis zwei Tagen, Haut schält sich | 5 bis 10 |
| II |
| Hellhäutiger europ. Typ (12 %) | Sehr schmerzhaft | Haut kann sich schälen | 10 bis 20 |
| III |
| Dunkelhäutiger europ. Typ (78 %) | Gemäßigt | Durchschnittlich | 20 bis 30 |
| IV |
| Mediterraner Typ (8 %) | Stark | Schnell und tief | 40 |
Tab. 1: Einteilung der Hauttypen
Phototherapie
UV-A-, UV-B- und UV-B311-Phototherapie
Bei der Behandlung von z. B. Schuppenflechten oder Vitiligo setzen Dermatologen häufig UVStrahlen ein. Zur Bestrahlung werden Ganzkörperkabinen oder UV-Geräte für Hände und Füße verwendet, deren Lichtquellen UV-A- und UV-B-Breitbandstrahlen, UV-B-Schmalbandstrahlen von 311 nm sowie kombinierte UV-A- und UV-B-Strahlen emittieren.
Bei der PUVA-Phototherapie, auch bekannt als Photochemotherapie, wird UV-A-Strahlung zusammen mit einem lichtsensibilisierenden Stoff angewandt. Dieser kann als Pille eingenommen oder oberflächlich auf die Haut aufgetragen werden. Dieses Arzneimittel nennt sich Psoralen (daher das Akronym PUVA) und bewirkt, dass die Haut empfindlicher und ansprechender gegenüber UV-A-Strahlen im Wellenlängenbereich von 315 – 400 nm wird.
PUVA wird nur bei mittelschwerer bis schwerer Schuppenflechte empfohlen da es – je nach Hauttyp – mit vorzeitiger Hautalterung und erhöhtem Hautkrebsrisiko bei Dauerbestrahlung einhergeht. Psoralen wird zudem als Photosensibilisator bei der UV-Sterilisierung von Blut verwendet.
Eine Behandlung mit UV-B-Breitbandstrahlen findet für gewöhnlich ohne lichtsensibilisierenden Stoff statt. Sie ist eine ungefährlichere Behandlungsform gegenüber jener mit UV-A-Strahlen im Wellenlängenbereich von circa. 290 nm bis 315 nm, da hier die Strahlen nicht so tief in die Haut eindringen und kürzere Gesamtbestrahlungszeiten erlauben. Laut vorherrschender Meinung sind jedoch Wellenlängen unter 290 nm verstärkt für die Bildung von Erythema verantwortlich, was die therapeutischen Wirkungen größerer Wellenlängen beeinträchtigen kann.
Aus diesem Grund wurden UV-B-Schmalbandquellen entwickelt, die überwiegend bei 311 – 312 nm ausstrahlen. Sie emittieren direkt in den wirksamsten Wellenlängenbereich und erzeugen dabei, im Gegensatz zu UV-B-Breitbandquellen eine niedrigere erytheme Wirkung.
Hierbei werden für gewöhnlich sogenannte TL-01 Quellen verwendet. Ebenfalls möglich sind UV-B-Quellen der Kategorie TL-12 mit einem etwas größeren Emissionsbereich zwischen 280 – 350 nm und einem Spitzenwert bei etwa 305 nm. Weitere Informationen können über die National Psoriasis Foundation und die europäische sowie amerikanischen Akademie für Dermatologie eingeholt werden.
Abb. 8: UV-B-Spektralbereich für Schmalbandquellen bei 311 nm und Breitbandquellen
Die Dosis ist hierbei die über eine Zeitspanne gesammelte Bestrahlungsstärke und wird normalerweise in phototherapeutischen Anwendungen gemessen.
Joules / cm2 = Watt / cm2 · Sekunden
Dosis / Bestrahlung = Bestrahlungsstärke · Zeit
Im Forschungs- und Entwicklungsstadium oder bei Feldanwendungen ist eine Überwachung der direkten Bestrahlungsstärke zur Feststellung von Veränderungen der Strahlungsausbeute bedingt durch Verschlechterung der Lampe oder Verteilersysteme möglich. Moderne Instrumente der Phototherapie sind mit Sensoren und Elektronik ausgestattet, die eine Verteilung von zuvor festgelegten UV-Dosen.
Zur Gewährleistung der richtigen Mengenmessung und Sicherheit wird empfohlen, firmeneigene Dosiergeräte, die sich qualifizierter UV-Radiometer bedienen, durch Dritte kontrollieren zu lassen.
Bilirubin-Phototherapie
Neugeborenengelbsucht bzw. neonatale Hyperbilirubinämie, die sich anhand der Gelbverfärbung der von Haut und Augen äußert, kommt bei fast allen Neugeborenen vor. Dies liegt am erhöhten Bilirubinmolekülspiegel im Blut, hervorgerufen durch eine unausgebildete Leberfunktion zusammen mit der Zerstörung vorhandener roter Blutkörperchen. Ist diese Spiegel sehr hoch, besteht eine mögliche Therapie in der Bestrahlung der Neugeborenen mit Licht im blauen Spektralbereich zwischen 400 nm und 550 nm. Das Licht tritt dabei mit dem Bilirubin in Wechselwirkung und wandelt es in einen Stoff um, der zurück in die Blutbahn befördert wird, bevor er mit Fäkalien in Berührung kommt. Das Neugeborene wird nackt in ein „UV-Lichtbett” bzw. in einen geschützten Säuglingsinkubator gelegt und dort mit Leuchtstofflampen bestrahlt, die von selbst oder gefiltert in den blauen Bereich emittieren. Eine neuere Methode besteht aus der „Lichtdecke”, die um das Kind herumgewickelt wird und blaues Licht durch Lichtleitfasern emittiert. Radiometrische Messungen dieses therapeutischen Lichts sind für eine genaue Dosismessung von hoher Wichtigkeit.
Es gibt Bemühungen zur Standardisierung von wirksamen Spektralfunktionen und Messvorgängen in Bezug auf Bilirubin. Fälschlicherweise wurden durch frühere Untersuchungen dieses Blaulichts die Einheiten Mikrowatt/cm2/nm für radiometrische Messungen übernommen. Um technisch korrekt messen zu können, sollte die Einheit Watt/cm2 verwendet werden.
Abb. 9: Spektrale Funktion für Bilirubin
Eine Anwensung ist auch die Außenmessung solarer Strahlung um z.B. den UV-Index (erythemgewichtete Dimensionslose Größe) zu ermitteln: