超連續(xù)譜激光可見(jiàn)譜段致人眼眩目效應(yīng)研究

馬 瓊，范應(yīng)威，梁 潔，倪 波,2，羅振坤，康宏向,2*

(1.中國(guó)人民解放軍軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院輻射醫(yī)學(xué)研究所， 北京100850；2.安徽醫(yī)科大學(xué)研究生院，合肥230032)

激光眩目通過(guò)瞬間強(qiáng)光刺激干擾正常眼睛的視覺(jué)功能，使其出現(xiàn)視覺(jué)功能暫時(shí)性喪失或下降，以及影像殘留、不舒適感和眨眼、閉眼、轉(zhuǎn)頭等回避反應(yīng)，并使人員現(xiàn)伴隨性的心理緊張甚至恐慌，進(jìn)而導(dǎo)致作用目標(biāo)對(duì)外界行動(dòng)和反應(yīng)能力的喪失或降低。激光眩目技術(shù)可以應(yīng)用于軍事和公共安全領(lǐng)域[1,2]。激光眩目器可干擾飛行員、機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員、儀器儀表操作員、狙擊手等特殊作戰(zhàn)群體的視覺(jué)功能，作為艦載、機(jī)載、車(chē)載或單兵作戰(zhàn)的激光眩目失能武器，可有效降低敵軍的戰(zhàn)斗力，因此在軍事行動(dòng)中具有十分重要的意義[3-5]。同時(shí)，激光眩目器可以有效遏制犯罪嫌疑人的武力反抗，使之束手就擒，大幅降低公安干警直接面對(duì)犯罪嫌疑人所面臨的巨大危險(xiǎn)。尤其在恐怖事件的應(yīng)急處置上，激光眩目器能夠在頃刻間使恐怖或暴亂分子暫時(shí)性的失明，又不會(huì)引起人群騷亂和恐慌，這樣防暴隊(duì)員就可以趁機(jī)將其制服。因而，在打擊恐怖主義和制止暴力事件中具有其特殊的優(yōu)勢(shì)和意義[6]。

超連續(xù)譜激光是使用強(qiáng)度極大的短脈沖通過(guò)非線性介質(zhì)材料后，出射光譜中產(chǎn)生許多新的頻率成分，其光譜寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射光脈沖的譜寬[7]。超連續(xù)譜激光的光譜分布可以覆蓋整個(gè)可見(jiàn)波段，激光防護(hù)裝備一般僅能過(guò)濾單個(gè)或幾個(gè)波長(zhǎng)激光[8,9]，如果對(duì)其所有波長(zhǎng)進(jìn)行過(guò)濾，則不可能有光線透過(guò)，無(wú)法再進(jìn)行光學(xué)觀察，因此現(xiàn)有常規(guī)防護(hù)方法將無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效的防護(hù)，超連續(xù)譜激光作為有效的眩目光源具有重要的研究?jī)r(jià)值，探究超連續(xù)譜激光的人眼眩目效應(yīng)具有重要的意義。

本文主要針對(duì)當(dāng)前激光眩目技術(shù)存在的眩目激光波長(zhǎng)單一易于防護(hù)的問(wèn)題，以及當(dāng)前評(píng)價(jià)激光眩目效能的方法以動(dòng)物視覺(jué)電生理為主，不能真實(shí)、直接反映人眼眩目后的視覺(jué)功能變化的問(wèn)題，開(kāi)展了在明、暗適應(yīng)條件下的超連續(xù)譜激光致人眼眩目效應(yīng)的試驗(yàn)研究，對(duì)志愿者眼睛的輻照劑量不超過(guò)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)允許的最大輻照量，探索超連續(xù)譜激光可見(jiàn)譜段功率密度與人眼眩目效果之間的量效關(guān)系，進(jìn)而為超連續(xù)譜激光眩目器的研發(fā)提供重要生物學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

5名志愿者，年齡18～40周歲，視力正常(裸眼視力不低于1.0)，眼科常規(guī)檢查含角膜、晶狀體、視網(wǎng)膜檢查均正常且無(wú)眼科疾病史，充分了解志愿者權(quán)益、試驗(yàn)內(nèi)容、潛在風(fēng)險(xiǎn)并簽署知情同意書(shū)。

1.2 激光眩目裝置及照射劑量

本試驗(yàn)采用超連續(xù)譜激光光源(丹麥NKTPhotonics公司，型號(hào)為SuperKEXTREME EXW-12)，經(jīng)濾波器濾除紅外成分僅保留可見(jiàn)光部分(可見(jiàn)譜段550～760 nm)，經(jīng)透鏡擴(kuò)束和準(zhǔn)直，光闌限束，定時(shí)快門(mén)控制照射時(shí)間，LABMAX TOP功率計(jì)監(jiān)測(cè)眩目光功率，TES-1339照度計(jì)檢測(cè)環(huán)境照度，試驗(yàn)光路如圖1所示。眩目方式為人眼凝視光源出光部位，眩目光正入射人眼聚焦于視網(wǎng)膜中心凹位置。暗適應(yīng)條件下，環(huán)境背景照度設(shè)定不高于0.01 Lux，眩目光的功率密度由小到大分別為0.005、0.034、0.079、0.106、0.212、0.328、0.507、1.066 mW/cm2，光斑直徑為7.3 mm。明適應(yīng)條件下，環(huán)境背景照度設(shè)定為120 Lux，激光眩目光的功率密度由小到大分別為0.006、0.055、0.076、0.103、0.194、0.342、0.515、1.019 mW/cm2，光斑直徑為4.0 mm。以上激光照射劑量均低于國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)允許的最大輻照量[10]，且照射時(shí)間均為0.1 s。

圖1 超連續(xù)譜激光可見(jiàn)譜段致人眼眩目效應(yīng)的光路圖Fig.1 Light path diagram of dazzling effect on human eyes with the visible band irradiation of supercontinuum laser1：激光器；2：光纖；3：耦合器；4：激光輸出頭；5：擴(kuò)束鏡；6：電子快門(mén)；7：光闌；8：分束鏡；9：監(jiān)視功率計(jì)；10：人眼1:Laser;2:Fiber;3:Coupler;4:Laser output;5:Beam expander; 6:Electrical shutter;7:Diaphragm;8:Beam splitter;9:Monitor powermeter;10:Human eyes

1.3 超連續(xù)譜激光眩目效果評(píng)價(jià)方法

采用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)視力表測(cè)量眩目光照射前后志愿者兩眼的中心視力(僅遠(yuǎn)視力)，它是人眼對(duì)外部物體形態(tài)的精細(xì)辨別能力，是視網(wǎng)膜黃斑中心凹的直接視力。在志愿者眼前5 m處懸掛紙質(zhì)視力表，人眼在明適應(yīng)和暗適應(yīng)兩種照度環(huán)境中適應(yīng)10 min以上，用遮擋板遮擋一眼，分別測(cè)試并記錄5名志愿者兩眼(共10只眼睛)的初始視力。志愿者眼睛休息10 min后，眩目光照射人眼的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，照射后即刻觀察視力表，記錄當(dāng)中心視力基本恢復(fù)至照前水平時(shí)停止計(jì)時(shí)。

測(cè)試指標(biāo)包含三項(xiàng)：1)中心極限視力恢復(fù)時(shí)間，即照射后恢復(fù)至能分辨照前最小分辨視標(biāo)所需要的時(shí)間；2)中心近極限視力恢復(fù)時(shí)間，即照射后恢復(fù)至能分辨比照前最小分辨視標(biāo)高2行的視標(biāo)所需時(shí)間，此時(shí)分辨角約相當(dāng)于中心極限視力最小分辨角的1.58倍；3)視覺(jué)后像持續(xù)時(shí)間，即照射后人眼中心視野產(chǎn)生的視覺(jué)后像，從出現(xiàn)到逐漸縮小至完全消失所需要的時(shí)間。激光眩目效應(yīng)的程度用這三個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量，恢復(fù)和持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，眩目效應(yīng)越明顯。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，組間比較采用單因素方差分析，進(jìn)一步兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn)，P<0.05，P<0.01為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 暗適應(yīng)下超連續(xù)激光可見(jiàn)光譜段致人眼的眩目效應(yīng)

在背景照度不超過(guò)0.01 Lux的暗適應(yīng)環(huán)境下，超連續(xù)激光可見(jiàn)光譜段照射5名志愿者兩眼共10只眼睛，照射時(shí)間為0.1 s，觀察不同功率密度激光致人眼的眩目效應(yīng)，即人眼中心極限視力恢復(fù)時(shí)間、中心近極限視力恢復(fù)時(shí)間和視覺(jué)后像持續(xù)時(shí)間，如圖2所示。結(jié)果顯示，暗適應(yīng)下超連續(xù)譜激光可見(jiàn)譜段對(duì)人眼有良好的眩目效果，眩目光功率密度低至0.005 mW/cm2時(shí)，人眼中心近極限視力恢復(fù)時(shí)間約為13 s，中心極限視力恢復(fù)時(shí)間約為26 s，但無(wú)視覺(jué)后像出現(xiàn)；功率密度達(dá)到0.034 mW/cm2時(shí)，人眼中心近極限視力恢復(fù)時(shí)間約為26 s，中心極限視力恢復(fù)時(shí)間約為75 s，出現(xiàn)視覺(jué)后像，且持續(xù)時(shí)間約為59 s；功率密度達(dá)到1.066 mW/cm2時(shí)，人眼中心近極限視力恢復(fù)恢復(fù)時(shí)間達(dá)到123 s左右，中心極限視力恢復(fù)時(shí)間達(dá)到223 s左右，視覺(jué)后像持續(xù)時(shí)間達(dá)到122 s左右；在0.005至1.066 mW/cm2區(qū)間范圍內(nèi)，視力恢復(fù)時(shí)間和視覺(jué)后像持續(xù)時(shí)間隨著功率密度增加而增大，且功率密度高于0.212 mW/cm2時(shí)增大趨勢(shì)減緩，各劑量組與0.002 mW/cm2組比較具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05或P<0.01)。

圖2 暗適應(yīng)條件下超連續(xù)譜激光可見(jiàn)譜段對(duì)人眼視力的影響Fig.2 Effect on human vision after the visible-spectrum irradiation with supercontinuum laser under the dark adaptation

由于志愿者個(gè)體差異大、視力恢復(fù)的判斷具有一定的主觀性，導(dǎo)致各組數(shù)據(jù)的離散性大，直接表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)差偏大，但視力恢復(fù)時(shí)間和視覺(jué)后像持續(xù)時(shí)間隨功率密度的增加而延長(zhǎng)的趨勢(shì)明顯，這與試驗(yàn)過(guò)程中人眼的主觀感受相一致，一定程度上真實(shí)可靠地反映眩目的實(shí)際效果。同時(shí)，視覺(jué)后像持續(xù)時(shí)間介于中心近極限視力恢復(fù)時(shí)間和中心極限視力恢復(fù)時(shí)間之間，由此推斷暗適應(yīng)條件下視覺(jué)后像的存在干擾了中心極限視力的恢復(fù)，但對(duì)中心近極限視力的恢復(fù)影響有限。

2.2 明適應(yīng)下超連續(xù)激光可見(jiàn)光譜段致人眼的眩目效應(yīng)

當(dāng)背景照度約為120 Lux的明適應(yīng)環(huán)境下，超連續(xù)激光可見(jiàn)光譜段眩目光照射5名志愿者兩眼共10只眼睛，照射時(shí)間為0.1 s，觀察不同功率密度眩目光致人眼的眩目效應(yīng)，即人眼中心極限視力恢復(fù)時(shí)間、中心近極限視力恢復(fù)時(shí)間和視覺(jué)后像持續(xù)時(shí)間，如圖3所示。結(jié)果顯示，明適應(yīng)下超連續(xù)譜激光可見(jiàn)譜段對(duì)人眼也有良好眩目效果，但眩目光功率密度為0.006 mW/cm2時(shí)，對(duì)人眼視力沒(méi)有明顯的干擾作用，且沒(méi)有出現(xiàn)視覺(jué)后像；當(dāng)功率密度為0.055 mW/cm2時(shí)，人眼的中心近極限視力恢復(fù)時(shí)間約為19 s，中心極限視力恢復(fù)時(shí)間約為31 s，出現(xiàn)視覺(jué)后像，且持續(xù)時(shí)間約為44 s；功率密度達(dá)到1.019 mW/cm2時(shí)，人眼的中心近極限視力恢復(fù)時(shí)間約為76 s，中心極限視力恢復(fù)時(shí)間約為119 s，視覺(jué)后像持續(xù)時(shí)間達(dá)到142 s左右；在0.055至1.019 mW/cm2區(qū)間范圍內(nèi)，視力恢復(fù)時(shí)間和視覺(jué)后像持續(xù)時(shí)間隨著功率密度增加而增大，且≥0.194 mW/cm2劑量各組與0.055 mW/cm2組比較具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05或P<0.01)。

圖3 明適應(yīng)條件下超連續(xù)譜激光可見(jiàn)譜段對(duì)人眼視力的影響Fig.3 Effect on human vision after the visible-spectrum irradiation with supercontinuum laser under the light adaptation

在明適應(yīng)條件下，所得到的結(jié)果顯示各組數(shù)據(jù)離散性大、標(biāo)準(zhǔn)差偏大，同樣存在志愿者個(gè)體差異大、視力恢復(fù)判斷主觀性，但視力恢復(fù)時(shí)間和視覺(jué)后像持續(xù)時(shí)間隨功率密度的增加而延長(zhǎng)的趨勢(shì)明顯，這與試驗(yàn)過(guò)程中人眼的主觀感受一致。同時(shí)，視覺(jué)后像持續(xù)時(shí)間高于中心近極限視力恢復(fù)時(shí)間和中心極限視力恢復(fù)時(shí)間，由此推斷明適應(yīng)條件下視覺(jué)后像的存在對(duì)中心視力的恢復(fù)影響有限。

2.3 志愿者超連續(xù)激光眩目后主觀感受評(píng)估

人眼凝視出光口，眩目光照射后，在人眼中心視野會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)后像，一個(gè)形狀與顏色因人而異的陰影，該后像會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)面積逐漸縮小且顏色變淺，直至完全消失；當(dāng)人眼注視目標(biāo)視圖分辨時(shí)，后像會(huì)與目標(biāo)重疊，而阻礙對(duì)目標(biāo)的識(shí)別，當(dāng)后像逐漸變小、變淺時(shí)，較大的目標(biāo)不能完全被遮蔽，而逐漸被分辨；當(dāng)后像接近完全消失的前后，人眼方可分辨出眩目前能夠分辨的最小目標(biāo)。如果將注視點(diǎn)從目標(biāo)偏離，利用眼睛余光對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀察，可以排除后像的影響，因此，正入射眩目方式主要影響中心視力。人眼凝視出光口與人眼連線約2.5°以外方向的目標(biāo)，眩目光成像于視網(wǎng)膜中心凹外，視覺(jué)后像位于中心視野外，主要效果為視野的缺損，盡管使人眼產(chǎn)生不適，但不會(huì)影響中心視力。

3 討論

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)眩目效果的常用方法為動(dòng)物視覺(jué)電生理方法，以與人眼比較接近的青紫藍(lán)灰兔、恒河猴為試驗(yàn)動(dòng)物，主要包括動(dòng)物視覺(jué)誘發(fā)電位(visual evoked potential，VEP)和視網(wǎng)膜電流圖(electroretinogram，ERG)。視網(wǎng)膜電流圖法通過(guò)在激光或強(qiáng)光照射后視網(wǎng)膜對(duì)閃光刺激的響應(yīng)信號(hào)ERG b波恢復(fù)至輻照前所需的時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)眩目效果[11,12]。動(dòng)物視覺(jué)電生理方法具有客觀、定量、試驗(yàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但不能直接反映人眼眩目后的視覺(jué)功能變化，因此屬于間接方法。此外，有文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于暗適應(yīng)和明適應(yīng)條件下非相干強(qiáng)閃光的人眼閃光盲作用的研究，結(jié)果表明人眼恢復(fù)時(shí)間與閃光亮度成線性關(guān)系，同時(shí)引起同樣恢復(fù)時(shí)間的閃光盲，明適應(yīng)時(shí)所需閃光亮度為暗適應(yīng)時(shí)的3～5倍[13-15]。美國(guó)國(guó)防報(bào)告ADA189757[16]進(jìn)行了視覺(jué)誘發(fā)電位和行為反應(yīng)評(píng)價(jià)激光眩目效果的比較研究，結(jié)果顯示以氙燈強(qiáng)閃光刺激志愿人員眼睛，閃光引起VEP信號(hào)下降或暫時(shí)消失，VEP信號(hào)恢復(fù)時(shí)間與通過(guò)行為反應(yīng)測(cè)試得到的視力恢復(fù)時(shí)間在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有高度的可比性。目前各國(guó)都有一些關(guān)于激光眩目武器的研制、試驗(yàn)、裝備報(bào)道[17]，但從不提及具體的技術(shù)參數(shù)，因此通過(guò)志愿人員的視覺(jué)認(rèn)知試驗(yàn)評(píng)價(jià)激光眩目效果的研究是非常必要的。

本試驗(yàn)采用超連續(xù)譜激光可見(jiàn)譜段正入射方式照射人眼，通過(guò)記錄人眼中心視力恢復(fù)和視覺(jué)后像持續(xù)時(shí)間，分析激光照射劑量與人眼眩目效應(yīng)的量效關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果，0.1 mW/cm2的超連續(xù)譜激光可見(jiàn)譜段照射人眼0.1 s，暗適應(yīng)下人眼中心極限視力恢復(fù)時(shí)間約為93 s，明適應(yīng)下人眼中心視力恢復(fù)時(shí)間約為56 s；激光功率密度為0.5 mW/cm2時(shí)，暗適應(yīng)下人眼中心極限視力恢復(fù)時(shí)間約為174 s，明適應(yīng)下人眼中心極限視力恢復(fù)時(shí)間約為84 s；激光功率密度為1.0 mW/cm2時(shí)，暗適應(yīng)下人眼中心極限視力恢復(fù)時(shí)間約為223 s，明適應(yīng)下人眼中心極限視力恢復(fù)時(shí)間約為119 s。以上結(jié)果均表明在明、暗適應(yīng)下正入射超連續(xù)譜激光可見(jiàn)譜段對(duì)人眼都具有良好的眩目效果，在人眼安全輻照量許可條件下可導(dǎo)致數(shù)十秒甚至數(shù)百秒的中心視力下降，且激光照射功率密度越高，眩目效果越好，同時(shí)相同功率密度時(shí)暗適應(yīng)下人眼的眩目效果優(yōu)于明適應(yīng)。

本試驗(yàn)結(jié)果亦顯示，超連續(xù)譜激光的眩目作用主要通過(guò)正入射照射人眼視網(wǎng)膜中心凹產(chǎn)生視覺(jué)后像，從而遮擋注視目標(biāo)來(lái)干擾中心視力；如果激光斜入射照射人眼而使成像于中心凹外，盡管也會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)后像，但后像不會(huì)遮擋注視目標(biāo)，基本不會(huì)對(duì)中心視力造成影響；與此同時(shí)，眩目條件相同時(shí)，中心視力恢復(fù)時(shí)間與注視目標(biāo)大小有關(guān)，目標(biāo)越小，恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。

超連續(xù)譜激光可見(jiàn)譜段照射人眼后，可導(dǎo)致人眼中心視力下降，恢復(fù)時(shí)間達(dá)到數(shù)十秒甚至數(shù)百秒，且隨著功率密度增加而延長(zhǎng)，從而顯示出較好的眩目效應(yīng)；激光正入射照射人眼后在視網(wǎng)膜中心凹會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)后像，可遮擋注視目標(biāo)來(lái)干擾中心視力，認(rèn)為是激光產(chǎn)生眩目作用的重要原因。暗適應(yīng)下可導(dǎo)致人眼眩目效應(yīng)的最小功率密度值為0.005 mW/cm2，明適應(yīng)條件下為0.055 mW/cm2，綜合考慮實(shí)際應(yīng)用中技術(shù)難度、成本、便攜性、安全性等因素，可見(jiàn)譜段功率密度達(dá)到0.1 mW/cm2(暗適應(yīng))或0.2 mW/cm2(明適應(yīng))即可實(shí)現(xiàn)安全有效的眩目效果，且明適應(yīng)下激光功率密度高于暗適應(yīng)方能達(dá)到相同眩目效果，上述劑量均低于國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)允許的最大輻照量，可確保不會(huì)導(dǎo)致人視網(wǎng)膜不可逆的損傷。以上結(jié)果為超連續(xù)譜激光眩目技術(shù)的應(yīng)用提供了較好的生物學(xué)依據(jù)。