連續綠色激光非致命武器致傷效應實驗研究

施 磊，赫 雷，周克棟，黃雪鷹，張俊斌

(1.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094； 2.中國人民解放軍63850部隊， 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人員，使其作戰能力喪失或降低而不造成其死亡和嚴重傷害的“人道性”武器。非致命激光武器的作用機理多種多樣，包括激光對人眼造成眩目效應、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”，使目標眩暈、視力下降、暫時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控制不當，比如能量過大，可能會造成目標人員的嚴重眼疾或永久性失明，這顯然違反了1995年聯合國簽發的《關于激光致盲武器的議定書》，因此需要對激光眩目武器的致傷能力進行合理控制，避免出現嚴重損傷。

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

為了解532 nm連續綠色激光非致命武器對視網膜的致傷效應以便確定致傷效應的評估方法，本文通過觀察532 nm連續綠色激光照射后兔眼視網膜變化情況，驗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依據。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

健康青紫藍兔4只，月齡3～4個月，體重1.5～2.0 kg。

由于目前國內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，可發射532 nm連續綠色激光，輸出功率為0～500 mW、可調，初始光束直徑為3 mm，光束發散角為40 mrad，即在0.2 m處，光斑直徑即大于10 mm，可覆蓋整個眼睛，以模擬激光非致命武器的作戰情景。FieldBest-I熱釋電型激光功率計，可以測定空間某點的激光輻照度。VISUCA NM/FA型眼底照相機，采集眼底圖像。MOPTIM 08E型眼后節光學相干斷層掃描儀，采集眼底組織結構圖像。

復方托吡卡胺滴眼液，丙泊酚注射液。

1.2 實驗方法

由固定架或由佩戴護目鏡的助手將兔頭固定，使其一只眼正對激光器方向。在實驗兔眼前放置遮光板，調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。將激光功率計的探頭置于遮光板光斑上，通過調節激光器輸出功率使所測定激光輻照度至預期值。撤去激光功率計探頭與遮光板，使激光正對兔眼進行持續照射2 s左右后，關閉激光器。分別于照射后1 h、24 h對實驗兔耳緣靜脈注射丙泊酚注射液，按1 mL/kg的劑量進行麻醉，用復方托吡卡胺滴眼液對兔眼散瞳，并進行眼底照相與OCT掃描并記錄。

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

2 實驗結果

1) 1號兔右眼(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，青紫藍兔視網膜(右眼)與人眼略有不同，視盤在上方，呈橫橢圓形，黃斑區在下方，整個網膜呈紅色外觀，1號兔左眼眼底視網膜在激光照射1 h內出現灰白色凝固斑，且在之后至24 h內未發生明顯變化；從OCT圖像看，正常眼(右眼)OCT后極部圖像顯示各層視網膜結構清晰，和人眼視網膜結構大致相同，厚度較人眼略薄，1號兔左眼視網膜在1 h內無明顯變化，24 h后視網膜色素上皮及神經感覺層部分增厚。

圖1 1號兔右眼(正常)眼底圖像

圖2 1號兔左眼1 h眼底圖像

圖3 1號兔左眼24 h眼底圖像

圖4 1號兔右眼(正常)OCT圖像

圖5 1號兔左眼1 h OCT圖像

圖6 1號兔左眼24 h OCT圖像

2) 2號兔左眼照射后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號兔左眼眼底視網膜在激光照射1 h內無明顯變化，24 h出現局部白色環形病灶；從OCT圖像看，2號兔左眼視網膜1 h內無明顯變化，24 h后視網膜表面見凸起的激光損傷病灶。

圖7 2號兔左眼1 h眼底圖像

圖8 2號兔左眼24 h眼底圖像

圖9 2號兔左眼1 h OCT圖像

圖10 2號兔左眼24 h OCT圖像

3) 3號兔左眼照射后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號兔左眼眼底視網膜在激光照射1 h內未見明顯異常變化，24 h未見明顯異常，但所觀測視網膜顏色變暗；從OCT圖像看，3號兔左眼視網膜1 h內基本正常，24 h后，后極部神經感覺層內見高密度影，為激光損傷的滲出病灶，視網膜厚度增加。

圖11 3號兔左眼1 h眼底圖像

圖12 3號兔左眼24 h眼底圖像

圖13 3號兔左眼1 h OCT圖像

圖14 3號兔左眼24 h OCT圖像

4) 4號兔眼左眼照射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號兔左眼視網膜在激光照射后1 h內無明顯變化，24 h后出現了白色損傷病灶；從OCT圖像看，左眼視網膜1 h內出現色素上皮層增厚現象，24 h后，視網膜神經感受層明顯增厚，視網膜表面見強回聲病灶。

圖15 4號兔左眼1 h眼底圖像

圖16 4號兔左眼24 h眼底圖像

圖17 4號兔左眼1 h OCT圖像

圖18 4號兔左眼24 h OCT圖像

5) 所有兔子實驗后均可進行正常生理活動，未發現明顯異常行為。

依據相關文獻[11]中，激光對視網膜的損傷等級劃分，對上述兔眼視網膜組織在眼底圖像中的受損表現進行評級，結果如表1所示。

表1 實驗后1 h、24 h的兔眼視網膜在眼底圖像中所表現的損傷程度

3 討論

在照射過程中未對兔眼進行人為干涉，在激光照射到兔眼時，兔眼會有眨眼反射，瞇眼或閉眼以躲避激光的照射，移去激光恢復睜眼狀態，符合非致命激光武器作用下正常目標人員的反應情況。(1)從整體實驗結果來看，532 nm連續激光對眼組織的損傷并不一定會在照射后第一時間就表現出來，隨著照射后時間的推移，有些病情會加重；(2)2號、3號兔的作用距離相同，激光輻照度有較大差異，且兩者中激光輻照度大者，眼底視網膜受損程度更嚴重；(3)2號、4號兔在幾乎相同的照射條件下，24 h時出現了不同的視網膜組織損傷形式，2號為環形損傷病灶而4號為圓點型損傷病灶，可能是由于實驗生物個體之間存在差異，或兔頭固定方向的微小差異導致激光入射角發生了變化；(4)1號、2號兔接受幾乎相同的激光輻照度，但與激光器距離不同，出現的病癥存在較大差異，且兩者中距離近者，可見受損范圍小，病癥出現快；(5)從3號兔24 h、4號兔1h的眼眼底圖像與OCT圖像來看，OCT能發現眼底圖像無法察覺的組織損傷，說明OCT對視網膜的檢查更敏感直接；(6)1號兔在照射后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膜中心太遠，OCT圖像中卻沒有體現，這與本次實驗所用OCT儀器為固定式，且兔眼球在進行OCT掃描時不易轉動有關，其導致多次OCT掃描后仍不一定是病變最嚴重的區域，因此單純以眼底圖像或OCT圖像評判視網膜受損情況均比較片面，需兩者結合進行多維評判。

4 結論

本文的試驗研究驗證了532 nm連續綠色激光對視網膜的致傷效果，建立了非致命激光武器的致傷效應測試方法。由于實驗條件限制，OCT掃描區域有限，在以后的試驗工作中可以通過改善實驗設備，增加試驗樣本及樣本的OCT掃描數量，以及增加跟蹤觀察的時間，以眼底照相作為宏觀評判，以OCT掃描進一步量化損傷程度，對非致命激光武器的致傷效應進行更準確客觀的評估。