連續(xù)綠色激光非致命武器致傷效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

施 磊，赫 雷，周克棟，黃雪鷹，張俊斌

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094； 2.中國人民解放軍63850部隊(duì)， 吉林 白城 137001)

非致命激光武器是指通過將激光束作用于目標(biāo)人員，使其作戰(zhàn)能力喪失或降低而不造成其死亡和嚴(yán)重傷害的“人道性”武器。非致命激光武器的作用機(jī)理多種多樣，包括激光對(duì)人眼造成眩目效應(yīng)、閃光盲、破壞人眼組織、造成皮膚劇痛等[1-2]。

其中，通過將激光束作用于人眼而造成“軟殺傷”，使目標(biāo)眩暈、視力下降、暫時(shí)失明的非致命激光武器稱為激光眩目武器。但若武器的激光參數(shù)控制不當(dāng)，比如能量過大，可能會(huì)造成目標(biāo)人員的嚴(yán)重眼疾或永久性失明，這顯然違反了1995年聯(lián)合國簽發(fā)的《關(guān)于激光致盲武器的議定書》，因此需要對(duì)激光眩目武器的致傷能力進(jìn)行合理控制，避免出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷。

非致命激光武器通常采用人眼最為敏感的532nm綠色激光[3]。綠色激光不會(huì)被角膜、晶狀體、玻璃體等吸收，幾乎完全被眼底視網(wǎng)膜與脈絡(luò)膜吸收，對(duì)生物組織的作用機(jī)理包括加熱作用、生物光化學(xué)作用、光致壓作用、機(jī)械作用及強(qiáng)電場(chǎng)作用等[4]。其中連續(xù)綠色激光非致命武器對(duì)人眼的致傷機(jī)理主要表現(xiàn)為激光加熱作用使組織升溫引起的生物組織過熱反應(yīng)、凝固等，以及生物光化學(xué)作用引起的視網(wǎng)膜感光色素部分或全部漂白[1]，從而導(dǎo)致視覺功能下降。20世紀(jì)末至今，我國諸多醫(yī)學(xué)單位對(duì)532 nm脈沖與連續(xù)激光對(duì)眼底的損傷效應(yīng)與損傷閾值(ED50)進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究[5～7]，國外也有類似實(shí)驗(yàn)[8]，但多為出于醫(yī)療方面考慮，所用激光束直徑較小，作用距離較近，光源幾乎貼近角膜，且有些實(shí)驗(yàn)中激光照射時(shí)間過長，不符合激光非致命武器的作戰(zhàn)使用情況。隨著醫(yī)療儀器的發(fā)展，可對(duì)眼底進(jìn)行光學(xué)相干斷層掃描(OCT)來判斷激光對(duì)眼底造成的損傷[9～10]。

為了解532 nm連續(xù)綠色激光非致命武器對(duì)視網(wǎng)膜的致傷效應(yīng)以便確定致傷效應(yīng)的評(píng)估方法，本文通過觀察532 nm連續(xù)綠色激光照射后兔眼視網(wǎng)膜變化情況，驗(yàn)證該類非致命激光武器的致傷效果，為非致命激光武器的使用提供生物學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

健康青紫藍(lán)兔4只，月齡3～4個(gè)月，體重1.5～2.0 kg。

由于目前國內(nèi)的激光非致命武器的光斑直徑在25 cm左右，作用距離為50～400 m。此次采用LSR532NL-500型激光器，可發(fā)射532 nm連續(xù)綠色激光，輸出功率為0～500 mW、可調(diào)，初始光束直徑為3 mm，光束發(fā)散角為40 mrad，即在0.2 m處，光斑直徑即大于10 mm，可覆蓋整個(gè)眼睛，以模擬激光非致命武器的作戰(zhàn)情景。FieldBest-I熱釋電型激光功率計(jì)，可以測(cè)定空間某點(diǎn)的激光輻照度。VISUCA NM/FA型眼底照相機(jī)，采集眼底圖像。MOPTIM 08E型眼后節(jié)光學(xué)相干斷層掃描儀，采集眼底組織結(jié)構(gòu)圖像。

復(fù)方托吡卡胺滴眼液，丙泊酚注射液。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

由固定架或由佩戴護(hù)目鏡的助手將兔頭固定，使其一只眼正對(duì)激光器方向。在實(shí)驗(yàn)兔眼前放置遮光板，調(diào)試激光器位置與方向，使激光斑落于遮光板上兔眼所在位置。將激光功率計(jì)的探頭置于遮光板光斑上，通過調(diào)節(jié)激光器輸出功率使所測(cè)定激光輻照度至預(yù)期值。撤去激光功率計(jì)探頭與遮光板，使激光正對(duì)兔眼進(jìn)行持續(xù)照射2 s左右后，關(guān)閉激光器。分別于照射后1 h、24 h對(duì)實(shí)驗(yàn)兔耳緣靜脈注射丙泊酚注射液，按1 mL/kg的劑量進(jìn)行麻醉，用復(fù)方托吡卡胺滴眼液對(duì)兔眼散瞳，并進(jìn)行眼底照相與OCT掃描并記錄。

對(duì)4只兔子進(jìn)行1～4編號(hào)，1號(hào)兔與激光器距離0.2 m，所測(cè)輻照度531.2 mW/cm2；2號(hào)兔作用距離1 m，所測(cè)輻照度528.6 mW/cm2；3號(hào)兔作用距離1 m，所測(cè)輻照度277.4 mW/cm2；4號(hào)兔作用距離1 m，所測(cè)輻照度519.1 mW/cm2。所有兔子均左眼接受照射，右眼作為空白對(duì)照組。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1) 1號(hào)兔右眼(正常)，和左眼照射后1 h、24 h的眼底圖像與OCT圖像分別如圖1～圖6所示。從眼底圖像看，青紫藍(lán)兔視網(wǎng)膜(右眼)與人眼略有不同，視盤在上方，呈橫橢圓形，黃斑區(qū)在下方，整個(gè)網(wǎng)膜呈紅色外觀，1號(hào)兔左眼眼底視網(wǎng)膜在激光照射1 h內(nèi)出現(xiàn)灰白色凝固斑，且在之后至24 h內(nèi)未發(fā)生明顯變化；從OCT圖像看，正常眼(右眼)OCT后極部圖像顯示各層視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)清晰，和人眼視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)大致相同，厚度較人眼略薄，1號(hào)兔左眼視網(wǎng)膜在1 h內(nèi)無明顯變化，24 h后視網(wǎng)膜色素上皮及神經(jīng)感覺層部分增厚。

圖1 1號(hào)兔右眼(正常)眼底圖像

圖2 1號(hào)兔左眼1 h眼底圖像

圖3 1號(hào)兔左眼24 h眼底圖像

圖4 1號(hào)兔右眼(正常)OCT圖像

圖5 1號(hào)兔左眼1 h OCT圖像

圖6 1號(hào)兔左眼24 h OCT圖像

2) 2號(hào)兔左眼照射后1 h、24 h的眼底圖像與OCT圖像(右眼正常不再贅述)，分別如圖7～圖10所示。從眼底圖像看，2號(hào)兔左眼眼底視網(wǎng)膜在激光照射1 h內(nèi)無明顯變化，24 h出現(xiàn)局部白色環(huán)形病灶；從OCT圖像看，2號(hào)兔左眼視網(wǎng)膜1 h內(nèi)無明顯變化，24 h后視網(wǎng)膜表面見凸起的激光損傷病灶。

圖7 2號(hào)兔左眼1 h眼底圖像

圖8 2號(hào)兔左眼24 h眼底圖像

圖9 2號(hào)兔左眼1 h OCT圖像

圖10 2號(hào)兔左眼24 h OCT圖像

3) 3號(hào)兔左眼照射后1 h、24 h的眼底圖像與OCT圖像，分別如圖11～圖14所示。從眼底圖像看，3號(hào)兔左眼眼底視網(wǎng)膜在激光照射1 h內(nèi)未見明顯異常變化，24 h未見明顯異常，但所觀測(cè)視網(wǎng)膜顏色變暗；從OCT圖像看，3號(hào)兔左眼視網(wǎng)膜1 h內(nèi)基本正常，24 h后，后極部神經(jīng)感覺層內(nèi)見高密度影，為激光損傷的滲出病灶，視網(wǎng)膜厚度增加。

圖11 3號(hào)兔左眼1 h眼底圖像

圖12 3號(hào)兔左眼24 h眼底圖像

圖13 3號(hào)兔左眼1 h OCT圖像

圖14 3號(hào)兔左眼24 h OCT圖像

4) 4號(hào)兔眼左眼照射1 h后、24 h后的眼底圖像與OCT圖像，如圖15～圖18所示。從眼底圖像看，4號(hào)兔左眼視網(wǎng)膜在激光照射后1 h內(nèi)無明顯變化，24 h后出現(xiàn)了白色損傷病灶；從OCT圖像看，左眼視網(wǎng)膜1 h內(nèi)出現(xiàn)色素上皮層增厚現(xiàn)象，24 h后，視網(wǎng)膜神經(jīng)感受層明顯增厚，視網(wǎng)膜表面見強(qiáng)回聲病灶。

圖15 4號(hào)兔左眼1 h眼底圖像

圖16 4號(hào)兔左眼24 h眼底圖像

圖17 4號(hào)兔左眼1 h OCT圖像

圖18 4號(hào)兔左眼24 h OCT圖像

5) 所有兔子實(shí)驗(yàn)后均可進(jìn)行正常生理活動(dòng)，未發(fā)現(xiàn)明顯異常行為。

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[11]中，激光對(duì)視網(wǎng)膜的損傷等級(jí)劃分，對(duì)上述兔眼視網(wǎng)膜組織在眼底圖像中的受損表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)后1 h、24 h的兔眼視網(wǎng)膜在眼底圖像中所表現(xiàn)的損傷程度

3 討論

在照射過程中未對(duì)兔眼進(jìn)行人為干涉，在激光照射到兔眼時(shí)，兔眼會(huì)有眨眼反射，瞇眼或閉眼以躲避激光的照射，移去激光恢復(fù)睜眼狀態(tài)，符合非致命激光武器作用下正常目標(biāo)人員的反應(yīng)情況。(1)從整體實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，532 nm連續(xù)激光對(duì)眼組織的損傷并不一定會(huì)在照射后第一時(shí)間就表現(xiàn)出來，隨著照射后時(shí)間的推移，有些病情會(huì)加重；(2)2號(hào)、3號(hào)兔的作用距離相同，激光輻照度有較大差異，且兩者中激光輻照度大者，眼底視網(wǎng)膜受損程度更嚴(yán)重；(3)2號(hào)、4號(hào)兔在幾乎相同的照射條件下，24 h時(shí)出現(xiàn)了不同的視網(wǎng)膜組織損傷形式，2號(hào)為環(huán)形損傷病灶而4號(hào)為圓點(diǎn)型損傷病灶，可能是由于實(shí)驗(yàn)生物個(gè)體之間存在差異，或兔頭固定方向的微小差異導(dǎo)致激光入射角發(fā)生了變化；(4)1號(hào)、2號(hào)兔接受幾乎相同的激光輻照度，但與激光器距離不同，出現(xiàn)的病癥存在較大差異，且兩者中距離近者，可見受損范圍小，病癥出現(xiàn)快；(5)從3號(hào)兔24 h、4號(hào)兔1h的眼眼底圖像與OCT圖像來看，OCT能發(fā)現(xiàn)眼底圖像無法察覺的組織損傷，說明OCT對(duì)視網(wǎng)膜的檢查更敏感直接；(6)1號(hào)兔在照射后1 h即可從眼底圖像中觀察到明顯的白色凝固斑，但由于損傷位置距離視網(wǎng)膜中心太遠(yuǎn)，OCT圖像中卻沒有體現(xiàn)，這與本次實(shí)驗(yàn)所用OCT儀器為固定式，且兔眼球在進(jìn)行OCT掃描時(shí)不易轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)，其導(dǎo)致多次OCT掃描后仍不一定是病變最嚴(yán)重的區(qū)域，因此單純以眼底圖像或OCT圖像評(píng)判視網(wǎng)膜受損情況均比較片面，需兩者結(jié)合進(jìn)行多維評(píng)判。

4 結(jié)論

本文的試驗(yàn)研究驗(yàn)證了532 nm連續(xù)綠色激光對(duì)視網(wǎng)膜的致傷效果，建立了非致命激光武器的致傷效應(yīng)測(cè)試方法。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，OCT掃描區(qū)域有限，在以后的試驗(yàn)工作中可以通過改善實(shí)驗(yàn)設(shè)備，增加試驗(yàn)樣本及樣本的OCT掃描數(shù)量，以及增加跟蹤觀察的時(shí)間，以眼底照相作為宏觀評(píng)判，以O(shè)CT掃描進(jìn)一步量化損傷程度，對(duì)非致命激光武器的致傷效應(yīng)進(jìn)行更準(zhǔn)確客觀的評(píng)估。