非致命激光武器致視網(wǎng)膜醫(yī)學(xué)損傷及其防護研究進展

滕仲帥,張海龍,郭敬涵,蘇 彬 綜述 杜振華 審校

非致命激光武器作為一種定向能武器,具有準確性好、打擊效果可控、作用范圍廣和能重復(fù)使用等優(yōu)點,在處置突發(fā)事件、鎮(zhèn)壓暴亂、防止武裝沖突升級、解救人質(zhì)等行動中得到廣泛應(yīng)用,已成為各個國家解決政治沖突的重要選擇[1]。然而,在實際應(yīng)用中,非致命激光武器造成不可逆損傷的情況時有發(fā)生,研究激光武器的危害,闡明其作用機制,確定其致傷閾值,對于有針對性地提高武器實戰(zhàn)效能,以及探究人員的有效防護與救治具有十分重要的意義[2]。

根據(jù)波段不同,激光可劃分為紫外激光(10～400 nm)、可見激光(400～700 nm)和紅外激光(700～106nm),不同波段的激光性質(zhì)不同,對人體造成傷害的機制也不一樣。其中,可見激光和近紅外激光(700～1400 nm)通過眼介質(zhì)透射率高,易對視網(wǎng)膜造成損傷。本文就非致命激光武器視網(wǎng)膜醫(yī)學(xué)損傷與防護研究進行綜述,旨在引起重視,增進研究人員對此領(lǐng)域的了解。

1 典型激光非致命武器介紹

激光始于1960年,是人類發(fā)明的最強光源,具有極高的能量與相關(guān)特性,被許多國家視為研制非致命武器的理想選擇[3],最具代表性的當屬美國、歐洲國家和中國。

1.1 美國 美國是研究激光武器最為成熟的國家[4],在20世紀80年代便將針對眼部作用的激光武器發(fā)展成熟,并在陸?？崭鱾€兵種中大量裝備使用,主要分為車載式、機載式和單兵攜帶式[4]。最早研制的車載式武器被稱為“槲雞(Roadrunner)”,是將高功率二氧化碳激光器與Nd:YAG激光器組合裝在一輛車上,可倍頻輸出532 nm波長的激光,用于損傷光電設(shè)備或人眼,但由于裝備的總質(zhì)量與成本過高,該武器于1983年被淘汰;之后,美軍在“槲雞”的基礎(chǔ)上,陸續(xù)研發(fā)了“魟魚(Stingray)”“美洲虎(Jaguar)”和“侍衛(wèi)(Outrider)”,由于采用板條狀的Nd:YAG激光器,大大改善了光束質(zhì)量,可輸出波長為1064 nm的激光,破壞光電設(shè)備的最遠距離可達8 km,更能傷害更遠處的人眼。其中作為基礎(chǔ)的“魟魚”系統(tǒng)曾經(jīng)被部署計劃安裝在布雷德利戰(zhàn)車上用于參與“沙漠風(fēng)暴”軍事行動,但由于地上范圍的戰(zhàn)爭結(jié)束過早而未能真正投入使用;《太空探索》2010年第7期報道,美國將數(shù)套綠色激光武力增強套件部署到阿富汗,作為附件安裝在悍馬車上使用來對其進行作戰(zhàn)評估。該系統(tǒng)發(fā)出的寬束激光可遠距離威懾人群,暫時中斷人員視覺,達到驅(qū)散人群的目的。

機載式武器主要有“浮雕寶石-藍鴉(Cameo Bluejay)”“花冠王子(Coronet Prince)”“羅盤錘”高級光學(xué)干擾吊艙,它們采用板條式脈沖Nd:YAG激光器,輸出波長為532 nm或1064 nm,可裝載到飛機上;或者與炮火閃光探測器結(jié)合,用于致盲地面上的高射炮手和敵方飛機上的駕駛員。

公開的單兵攜帶式武器有三種,一種是AN/PLQ-5,由洛克希德-桑德斯公司開發(fā),采用燈泵釹玻璃激光器或變色寶石激光器,輸出700～1064 nm的短波近紅外激光,安裝在M16A2步槍上使用,作用距離超過2 km,可暫時致盲人眼,探測并干擾光電傳感器,已在美軍的輕步兵、裝甲部隊、高機動部隊和特種部隊服役;第二種新型單兵攜帶式激光步槍名為“人員拒止與閃光效應(yīng)(PhaSR)”,于2005年11月向外界公布,由美國空軍研究實驗室研發(fā)而成,配有安全激光測距器和雙波長系統(tǒng),能夠根據(jù)被攻擊者所在距離自動調(diào)節(jié)輸出能量并穿透針對一定激光波長的激光護目鏡,使敵人在激光照射下暫時失明,無法分辨方向[5]。最后一種是由B.E.Meyers公司制造的LA-9/P激光炫目器,已配備美國海軍陸戰(zhàn)隊和原駐伊部隊,在夜間的炫目作用距離為4 km、白天為1.5 km,在伊拉克戰(zhàn)爭中被大量投入使用[6]。

1.2 歐洲國家 歐洲國家激光技術(shù)與激光武器的發(fā)展勢頭也十分兇猛,主要是俄羅斯(前蘇聯(lián))與英國。俄羅斯(前蘇聯(lián))在冷戰(zhàn)時期便多次利用激光武器對西方偵察機的飛行員進行干擾;之后在FSY-1型坦克上安裝了“拉瑟”激光致盲武器系統(tǒng),該系統(tǒng)可利用“貓眼效應(yīng)”搜索目標,然后打擊、損傷敵方監(jiān)測人員的眼睛。2005年展覽了一種單兵可攜式激光武器,在對目標進行搜索時,發(fā)出波長為860 nm的弱激光;對目標發(fā)動攻擊時,發(fā)射的則是532 nm或1064 nm的強激光,這種武器可有效識別玻璃、眼鏡等物體的反射光線,從而避免系統(tǒng)做出錯誤的反應(yīng),更有效地發(fā)揮自身殺傷作用[7]。

英國在現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭中使用非致命激光武器的時間是最早的,曾經(jīng)在1982年的英阿馬島戰(zhàn)爭中,使用作用距離約為2.75 km的艦載Nd:YAG倍頻激光炫目器,可使敵方駕駛員的眼睛受到嚴重損傷而放棄攻擊;2012年,英國光電安防系統(tǒng)公司開發(fā)出用于鎮(zhèn)壓暴亂的SMU100激光眩目器,可發(fā)射直徑為3 m的閃爍式激光束,用于群體控制[7]。

1.3 中國 中國激光武器的發(fā)展起步較晚,與發(fā)達國家相比還有不小差距。2008年,武警工程學(xué)院研制出了國內(nèi)第一個車載非致命激光武器,能夠在500 m距離處投送直徑為13 m的光斑,為中、遠距離處置突發(fā)事件提供了新的選擇。2012年,武警工程大學(xué)研制出了ZQ-1型激光手槍,具有無線電防盜安全系統(tǒng)和超聲波測距系統(tǒng),當作用距離小于設(shè)定時,激光器會自動關(guān)閉。2014年,雄鷹集團展覽了PY131A型激光器,可發(fā)射直徑為20～30 cm的激光束,大大提高了武器的精準度,且作用后使目標產(chǎn)生60 s內(nèi)的短暫失明,不會產(chǎn)生不可逆?zhèn)7]。

2 致視網(wǎng)膜損傷機制

非致命激光武器多是利用激光直射人眼,通過損傷敵方的視網(wǎng)膜,造成視覺功能下降,降低人員戰(zhàn)斗力,從而使敵方失去軍事作戰(zhàn)的能力?？蒲腥藛T利用各類激光器,研究了恒河猴、待摘除黃種人眼與青紫藍灰兔眼等的損傷效應(yīng),并與激光造成的眼部意外損傷事故相結(jié)合,基本掌握了激光對眼部的損傷規(guī)律與特點,主要分為熱損傷與化學(xué)損傷[8, 9]。

2.1 熱損傷 人體眼部具有可聚焦光線的屈光介質(zhì),能夠使到達視網(wǎng)膜部位的可見光(400～700 nm)與近紅外激光(700～1400 nm)的能量強度提高5個數(shù)量級,大大降低了損傷閾值,僅僅需要很小的能量,僅為毫瓦或微焦耳級,便能夠造成巨大的損傷[10]。其中又以532 nm左右的藍綠色激光對人眼最為敏感,同等能量下造成的傷害程度最大。同時,視網(wǎng)膜的色素上皮細胞中富含大量的色素顆粒,尤其是黑色素,導(dǎo)致對激光的吸收率大大提高,當它吸收激光能量后,通過熱傳導(dǎo)效應(yīng)或熱致機械效應(yīng)會破壞周圍的視錐和視桿細胞,從而造成機體明暗視覺功能受損,甚至喪失[11]。

除激光武器的輸出波長外,激光的脈沖寬度也是影響眼部損傷的一個重要因素,脈沖寬度表示每次輸出激光持續(xù)的時長,在激光能量一定的情況下,脈沖寬度越窄,能量的峰值越高,對眼部造成的損傷越嚴重[12],因此,較長的脈沖寬度成為非致命激光武器的一般選擇,這樣有利于減少受害者的不可逆性損傷。

早期研究者們進行激光武器對眼部熱損傷的研究時,多是研究激光對眼部造成損傷的劑量閾值,使用的檢測儀器為眼底照相機或裂隙燈,能夠宏觀觀測視網(wǎng)膜的受傷程度。褚仁遠等[13]使用YAG激光(λ=1064 nm)對青紫藍灰兔與恒河猴眼部做了照射實驗,并利用加權(quán)直線回歸方法統(tǒng)計計算了兔眼及猴眼的損傷閾值,實驗結(jié)果得出如下結(jié)論:(1)相同的能量輸出下,照射功率對損傷閾值的貢獻率要大于照射時間;(2)照射條件(照射時間、激光狀態(tài))相同情況下,恒河猴眼睛的損傷閾值比兔眼的高。陳虹霞等[14]將光斑直徑為2 mm的532 nm激光設(shè)置成7種不同能量密度(90～150 J/cm2)對家兔眼睛直接照射,并利用檢眼鏡觀察視網(wǎng)膜的損傷效應(yīng)及閾值,發(fā)現(xiàn)532 nm激光致家兔視網(wǎng)膜損傷的閾值為119.7 J/cm2。之后該團隊又以新西蘭白兔和青紫藍灰兔為實驗對象,探究了630 nm激光對兔視網(wǎng)膜的損傷閾值,發(fā)現(xiàn)青紫藍灰兔的視網(wǎng)膜損傷閾值較小,得出視網(wǎng)膜中黑色素的含量對激光致視網(wǎng)膜損傷閾值影響較大的結(jié)論[15]。施東雯等[16]利用578 nm的激光照射新西蘭白兔和青紫藍灰兔,得出與上述一致的結(jié)論。Schuster等[17]使用4組不同功率密度比,即7/1、1/1、1/3、0/1的532 nm和860 nm的混合可見光與近紅外激光同時照射成年恒河猴靈長類動物,來探究復(fù)合激光照射條件下視網(wǎng)膜損傷的閾值,實驗結(jié)果顯示860 nm近紅外激光輻射的安全裕度要略高于532 nm可見激光的輻射。

另外,在眼部的傷勢檢測中,相較于眼底照相,血管熒光造影與光學(xué)相干斷層成像(optical coherence tomography, OCT)在某些方面顯現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。施東雯等[18]觀察了不同功率密度下,578 nm黃色激光引起的灰兔視網(wǎng)膜的改變,并分別利用眼底照相與眼底血管熒光造影的方法探討激光對視網(wǎng)膜的生物效應(yīng),發(fā)現(xiàn)與眼底照相相比,眼底血管熒光造影檢測到的損傷閾值并無明顯差別,但更有利于了解激光對視網(wǎng)膜的生物作用,鎖定出血范圍,分析激光損傷的演變過程與判定新生血管的生成等。施磊等[19]使用532 nm激光器對青紫藍灰兔的眼部進行致傷實驗,并利用眼底照相與OCT對其致傷效應(yīng)進行生物學(xué)角度的評估,發(fā)現(xiàn)激光對眼組織的損傷并不一定會在照射后的第一時間變現(xiàn),部分傷情會隨著時間的推移而逐漸加重;且OCT能發(fā)現(xiàn)眼底圖像無法察覺的組織損傷,推薦研究者們評估激光對眼部的致傷效應(yīng)時,在眼底照相宏觀評判的基礎(chǔ)上,再輔以O(shè)CT進行量化斷定。

2.2 化學(xué)損傷 人眼視覺的產(chǎn)生是由光敏視色素的光化學(xué)反應(yīng)所引起的,正常情況下,光敏視色素吸收光子后會被漂白產(chǎn)生色覺,這些色素又會經(jīng)過一系列粒子碰撞和散射后釋放能量被還原,以此方式保持漂白和還原的動態(tài)平衡,從而持續(xù)不斷地產(chǎn)生不同種類的色覺[20]。但是,當較強激光突然出現(xiàn)在視野中時,光敏視色素被大量漂白,不能得到及時的還原,導(dǎo)致上述平衡被打破,造成一定的化學(xué)損傷。同時,視網(wǎng)膜還可能伴隨有光感受器與色素上皮細胞凋亡等生理反應(yīng),相互作用下致使人體產(chǎn)生不舒適的光亮感,在短時間內(nèi)出現(xiàn)視物模糊、能見度降低、視力下降,甚至引起惡心、頭暈?zāi)垦：投虝菏鞯劝Y狀,因此也被稱為激光致眩效應(yīng)[21],但在移除激光或光亮后,癥狀會很快消失。

激光對眼部的致眩效果與視覺靶標的亮度和所處環(huán)境的光亮度關(guān)系十分密切,通常視覺靶標與周圍環(huán)境的光亮度越低,致眩的效果越強,因而此種原理的激光武器在夜間使用的效果最佳[22]。與暗環(huán)境對比,波長為532 nm的藍綠色激光對于感光視色素來說最為敏感,最常被使用在此類武器上。

進入21世紀以來,除進行激光武器對眼部造成器質(zhì)性病變研究外,激光致眩效應(yīng)的研究也愈加受到重視。肖瑞等[23]以恒河猴、青紫藍灰兔為實驗對象,研究不同背景光照度條件下激光對眼部的致眩效應(yīng),通過視網(wǎng)膜電流圖描記法監(jiān)測致眩現(xiàn)象并采用眼底照相來觀察視網(wǎng)膜的變化情況,發(fā)現(xiàn)提高激光劑量、降低背景亮度會延長眼部致眩現(xiàn)象;同等條件下,猴眼的致眩閾值要高于兔眼,且激光致眩效應(yīng)不會對眼部造成器質(zhì)性損傷。楊在富等[24]將青紫藍灰兔、新西蘭白兔和健康成年人作為受試者,利用紅、藍、綠三色激光致眩效應(yīng)對視覺功能抑制進行研究,得出結(jié)論:三色激光對兔眼的視覺功能抑制效果與視桿細胞(暗視覺)的光譜敏感度匹配;對人眼的效果則與視錐細胞(明視覺)的光譜敏感度匹配。Williamson等[25]對人類受試者進行了試驗,來量化八種不同激光波長(458～647 nm)和環(huán)境亮度(0.1～10 000 cd/m2)下激光致眩的嚴重程度。14位受試者暴露在600 μW/cm2的輻照水平下,被要求在距激光軸高達31.6°視角的不同偏心率下識別視標的方向,最終生成了能夠用于各種激光安全應(yīng)用,包括估計最大眩光暴露和標稱眩目距離值的數(shù)據(jù)模型。

3 致視網(wǎng)膜損傷的防護

隨著非致命激光武器的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用,激光武器防護方面的研究也愈加受到重視。如今的研究主要針對防護標準與護目鏡。

3.1 防護標準 各國針對激光安全防護,建立頒布了一系列的激光防護標準,如我國《激光產(chǎn)品的輻射安全、設(shè)備分類、要求和用戶指南》國家標準、《軍用激光器危害的控制與防護》和《激光安全防護術(shù)語》國家軍用標準等,詳細規(guī)定了激光器的危害類型、人員操作方式與激光照射限制,是評定激光輻射對人體是否有害的唯一標準[26]。然而現(xiàn)行標準對激光非致命武器防護并不適用,有機構(gòu)已對激光致眼部損傷閾值進行實驗匯總,武器防護規(guī)范甚至標準有望在不遠的將來出臺。

3.2 護目鏡 從防護原理來看,目前的激光護目鏡材料分為反射式、吸收式、復(fù)合式和非線性式。

3.2.1 反射式護目鏡 利用反射原理,主要是通過膜系設(shè)計與鍍膜工藝,在玻璃或者樹脂做的鏡片鍍上多層氧化膜。膜層會產(chǎn)生干涉作用,從而反射一定波段范圍的光,使得設(shè)計波段范圍的光無法穿透鏡片射入人眼,因為反射鏡不會吸收能量,所以此種護目鏡的抗激光損傷閾值較高,提高了人體防護的安全性;同時,這種鏡片具有光銳截止性,在防護同時不影響對周圍環(huán)境的正常觀察。美中不足的是防護視角有限,一般只在鏡面法線20°以內(nèi)的范圍具有防護作用,隨著激光入射角的增大,防護作用會逐漸降低,直至消失[27]。

3.2.2 吸收式護目鏡 將能夠吸收某一波段的激光吸收劑添加到介質(zhì)中,在激光來臨時,利用吸收劑吸收激光能量,使激光能量減弱來保護人眼。吸收式護目鏡的基質(zhì)材料主要有兩種,一種是塑料基質(zhì)。在樹脂中加入激光吸收劑,可以同時吸收防護多波段激光;但其吸收譜帶較寬,可見光透過率低,會影響對周圍環(huán)境的觀察,且材料耐用性較差,在長時間激光照射后易發(fā)生漂白現(xiàn)象[28]。另一種是玻璃基質(zhì)。此種材料克服了塑料基質(zhì)材料耐用性的問題,但其加工的成本較高。因為吸收式護目鏡通過吸收激光能量達到防護目的,吸收的能量必然會轉(zhuǎn)化為熱能,所以材料的抗激光損傷閾值相比反射式護目鏡較小[29, 30]。

3.2.3 復(fù)合式護目鏡 將反射型和吸收型材料同時復(fù)合在同一基質(zhì)上,使護目鏡同時擁有反射型與吸收型的優(yōu)點?？梢栽诳梢姽鈪^(qū)間采用反射型,紫外與紅外區(qū)間采用吸收型,能夠在維持防護效果的同時保證對周圍環(huán)境的觀察,但制作成本較高,不易推廣。

3.2.4 非線性護目鏡 非線性材料激光防護的發(fā)展基于1967年Leite等[31]發(fā)現(xiàn)的光限幅現(xiàn)象,這種材料對光強和波長極為敏感,體現(xiàn)在當波長一致的情況下,弱光照射時吸收少,呈高透射特點;強光照射時吸收多,呈低透射特點,以此來保證對激光的防護效果,且不會影響人員視野[32]。

非致命激光武器是用于控制人群,防止沖突的人體致傷類武器。盡管人們已經(jīng)在動物視網(wǎng)膜損傷與防護方面做了大量研究,但如何將動物身上的研究成果轉(zhuǎn)移到人體身上仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。當前實驗多以眼部構(gòu)造、性質(zhì)和人體相差不大的兔與猴作為實驗對象,下一步可能與人體視網(wǎng)膜類器官結(jié)合,使研究成果具有進一步的說服力。