超連續譜激光可見譜段致人眼眩目效應研究

馬 瓊，范應威，梁 潔，倪 波,2，羅振坤，康宏向,2*

(1.中國人民解放軍軍事科學院軍事醫學研究院輻射醫學研究所， 北京100850；2.安徽醫科大學研究生院，合肥230032)

激光眩目通過瞬間強光刺激干擾正常眼睛的視覺功能，使其出現視覺功能暫時性喪失或下降，以及影像殘留、不舒適感和眨眼、閉眼、轉頭等回避反應，并使人員現伴隨性的心理緊張甚至恐慌，進而導致作用目標對外界行動和反應能力的喪失或降低。激光眩目技術可以應用于軍事和公共安全領域[1,2]。激光眩目器可干擾飛行員、機動車駕駛員、儀器儀表操作員、狙擊手等特殊作戰群體的視覺功能，作為艦載、機載、車載或單兵作戰的激光眩目失能武器，可有效降低敵軍的戰斗力，因此在軍事行動中具有十分重要的意義[3-5]。同時，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犯罪嫌疑人所面臨的巨大危險。尤其在恐怖事件的應急處置上，激光眩目器能夠在頃刻間使恐怖或暴亂分子暫時性的失明，又不會引起人群騷亂和恐慌，這樣防暴隊員就可以趁機將其制服。因而，在打擊恐怖主義和制止暴力事件中具有其特殊的優勢和意義[6]。

超連續譜激光是使用強度極大的短脈沖通過非線性介質材料后，出射光譜中產生許多新的頻率成分，其光譜寬度遠遠大于入射光脈沖的譜寬[7]。超連續譜激光的光譜分布可以覆蓋整個可見波段，激光防護裝備一般僅能過濾單個或幾個波長激光[8,9]，如果對其所有波長進行過濾，則不可能有光線透過，無法再進行光學觀察，因此現有常規防護方法將無法對其進行有效的防護，超連續譜激光作為有效的眩目光源具有重要的研究價值，探究超連續譜激光的人眼眩目效應具有重要的意義。

本文主要針對當前激光眩目技術存在的眩目激光波長單一易于防護的問題，以及當前評價激光眩目效能的方法以動物視覺電生理為主，不能真實、直接反映人眼眩目后的視覺功能變化的問題，開展了在明、暗適應條件下的超連續譜激光致人眼眩目效應的試驗研究，對志愿者眼睛的輻照劑量不超過國家安全標準允許的最大輻照量，探索超連續譜激光可見譜段功率密度與人眼眩目效果之間的量效關系，進而為超連續譜激光眩目器的研發提供重要生物學依據。

1 材料與方法

1.1 研究對象

5名志愿者，年齡18～40周歲，視力正常(裸眼視力不低于1.0)，眼科常規檢查含角膜、晶狀體、視網膜檢查均正常且無眼科疾病史，充分了解志愿者權益、試驗內容、潛在風險并簽署知情同意書。

1.2 激光眩目裝置及照射劑量

本試驗采用超連續譜激光光源(丹麥NKTPhotonics公司，型號為SuperKEXTREME EXW-12)，經濾波器濾除紅外成分僅保留可見光部分(可見譜段550～760 nm)，經透鏡擴束和準直，光闌限束，定時快門控制照射時間，LABMAX TOP功率計監測眩目光功率，TES-1339照度計檢測環境照度，試驗光路如圖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膜中心凹位置。暗適應條件下，環境背景照度設定不高于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。明適應條件下，環境背景照度設定為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家安全標準允許的最大輻照量[10]，且照射時間均為0.1 s。

圖1 超連續譜激光可見譜段致人眼眩目效應的光路圖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：擴束鏡；6：電子快門；7：光闌；8：分束鏡；9：監視功率計；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 超連續譜激光眩目效果評價方法

采用標準對數視力表測量眩目光照射前后志愿者兩眼的中心視力(僅遠視力)，它是人眼對外部物體形態的精細辨別能力，是視網膜黃斑中心凹的直接視力。在志愿者眼前5 m處懸掛紙質視力表，人眼在明適應和暗適應兩種照度環境中適應10 min以上，用遮擋板遮擋一眼，分別測試并記錄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開始計時，照射后即刻觀察視力表，記錄當中心視力基本恢復至照前水平時停止計時。

測試指標包含三項：1)中心極限視力恢復時間，即照射后恢復至能分辨照前最小分辨視標所需要的時間；2)中心近極限視力恢復時間，即照射后恢復至能分辨比照前最小分辨視標高2行的視標所需時間，此時分辨角約相當于中心極限視力最小分辨角的1.58倍；3)視覺后像持續時間，即照射后人眼中心視野產生的視覺后像，從出現到逐漸縮小至完全消失所需要的時間。激光眩目效應的程度用這三個指標來衡量，恢復和持續時間越長，眩目效應越明顯。

1.4 統計學分析

采用SPSS 13.0軟件進行統計學分析，組間比較采用單因素方差分析，進一步兩兩比較采用LSD-t檢驗，P<0.05，P<0.01為差異有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 暗適應下超連續激光可見光譜段致人眼的眩目效應

在背景照度不超過0.01 Lux的暗適應環境下，超連續激光可見光譜段照射5名志愿者兩眼共10只眼睛，照射時間為0.1 s，觀察不同功率密度激光致人眼的眩目效應，即人眼中心極限視力恢復時間、中心近極限視力恢復時間和視覺后像持續時間，如圖2所示。結果顯示，暗適應下超連續譜激光可見譜段對人眼有良好的眩目效果，眩目光功率密度低至0.005 mW/cm2時，人眼中心近極限視力恢復時間約為13 s，中心極限視力恢復時間約為26 s，但無視覺后像出現；功率密度達到0.034 mW/cm2時，人眼中心近極限視力恢復時間約為26 s，中心極限視力恢復時間約為75 s，出現視覺后像，且持續時間約為59 s；功率密度達到1.066 mW/cm2時，人眼中心近極限視力恢復恢復時間達到123 s左右，中心極限視力恢復時間達到223 s左右，視覺后像持續時間達到122 s左右；在0.005至1.066 mW/cm2區間范圍內，視力恢復時間和視覺后像持續時間隨著功率密度增加而增大，且功率密度高于0.212 mW/cm2時增大趨勢減緩，各劑量組與0.002 mW/cm2組比較具有統計學差異(P<0.05或P<0.01)。

圖2 暗適應條件下超連續譜激光可見譜段對人眼視力的影響Fig.2 Effect on human vision after the visible-spectrum irradiation with supercontinuum laser under the dark adaptation

由于志愿者個體差異大、視力恢復的判斷具有一定的主觀性，導致各組數據的離散性大，直接表現為標準差偏大，但視力恢復時間和視覺后像持續時間隨功率密度的增加而延長的趨勢明顯，這與試驗過程中人眼的主觀感受相一致，一定程度上真實可靠地反映眩目的實際效果。同時，視覺后像持續時間介于中心近極限視力恢復時間和中心極限視力恢復時間之間，由此推斷暗適應條件下視覺后像的存在干擾了中心極限視力的恢復，但對中心近極限視力的恢復影響有限。

2.2 明適應下超連續激光可見光譜段致人眼的眩目效應

當背景照度約為120 Lux的明適應環境下，超連續激光可見光譜段眩目光照射5名志愿者兩眼共10只眼睛，照射時間為0.1 s，觀察不同功率密度眩目光致人眼的眩目效應，即人眼中心極限視力恢復時間、中心近極限視力恢復時間和視覺后像持續時間，如圖3所示。結果顯示，明適應下超連續譜激光可見譜段對人眼也有良好眩目效果，但眩目光功率密度為0.006 mW/cm2時，對人眼視力沒有明顯的干擾作用，且沒有出現視覺后像；當功率密度為0.055 mW/cm2時，人眼的中心近極限視力恢復時間約為19 s，中心極限視力恢復時間約為31 s，出現視覺后像，且持續時間約為44 s；功率密度達到1.019 mW/cm2時，人眼的中心近極限視力恢復時間約為76 s，中心極限視力恢復時間約為119 s，視覺后像持續時間達到142 s左右；在0.055至1.019 mW/cm2區間范圍內，視力恢復時間和視覺后像持續時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組比較具有統計學差異(P<0.05或P<0.01)。

圖3 明適應條件下超連續譜激光可見譜段對人眼視力的影響Fig.3 Effect on human vision after the visible-spectrum irradiation with supercontinuum laser under the light adaptation

在明適應條件下，所得到的結果顯示各組數據離散性大、標準差偏大，同樣存在志愿者個體差異大、視力恢復判斷主觀性，但視力恢復時間和視覺后像持續時間隨功率密度的增加而延長的趨勢明顯，這與試驗過程中人眼的主觀感受一致。同時，視覺后像持續時間高于中心近極限視力恢復時間和中心極限視力恢復時間，由此推斷明適應條件下視覺后像的存在對中心視力的恢復影響有限。

2.3 志愿者超連續激光眩目后主觀感受評估

人眼凝視出光口，眩目光照射后，在人眼中心視野會產生視覺后像，一個形狀與顏色因人而異的陰影，該后像會隨時間延長面積逐漸縮小且顏色變淺，直至完全消失；當人眼注視目標視圖分辨時，后像會與目標重疊，而阻礙對目標的識別，當后像逐漸變小、變淺時，較大的目標不能完全被遮蔽，而逐漸被分辨；當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。如果將注視點從目標偏離，利用眼睛余光對目標進行觀察，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，眩目光成像于視網膜中心凹外，視覺后像位于中心視野外，主要效果為視野的缺損，盡管使人眼產生不適，但不會影響中心視力。

3 討論

當前國內外評價眩目效果的常用方法為動物視覺電生理方法，以與人眼比較接近的青紫藍灰兔、恒河猴為試驗動物，主要包括動物視覺誘發電位(visual evoked potential，VEP)和視網膜電流圖(electroretinogram，ERG)。視網膜電流圖法通過在激光或強光照射后視網膜對閃光刺激的響應信號ERG b波恢復至輻照前所需的時間來評價眩目效果[11,12]。動物視覺電生理方法具有客觀、定量、試驗簡單等優點，但不能直接反映人眼眩目后的視覺功能變化，因此屬于間接方法。此外，有文獻報道關于暗適應和明適應條件下非相干強閃光的人眼閃光盲作用的研究，結果表明人眼恢復時間與閃光亮度成線性關系，同時引起同樣恢復時間的閃光盲，明適應時所需閃光亮度為暗適應時的3～5倍[13-15]。美國國防報告ADA189757[16]進行了視覺誘發電位和行為反應評價激光眩目效果的比較研究，結果顯示以氙燈強閃光刺激志愿人員眼睛，閃光引起VEP信號下降或暫時消失，VEP信號恢復時間與通過行為反應測試得到的視力恢復時間在統計學上具有高度的可比性。目前各國都有一些關于激光眩目武器的研制、試驗、裝備報道[17]，但從不提及具體的技術參數，因此通過志愿人員的視覺認知試驗評價激光眩目效果的研究是非常必要的。

本試驗采用超連續譜激光可見譜段正入射方式照射人眼，通過記錄人眼中心視力恢復和視覺后像持續時間，分析激光照射劑量與人眼眩目效應的量效關系。試驗結果，0.1 mW/cm2的超連續譜激光可見譜段照射人眼0.1 s，暗適應下人眼中心極限視力恢復時間約為93 s，明適應下人眼中心視力恢復時間約為56 s；激光功率密度為0.5 mW/cm2時，暗適應下人眼中心極限視力恢復時間約為174 s，明適應下人眼中心極限視力恢復時間約為84 s；激光功率密度為1.0 mW/cm2時，暗適應下人眼中心極限視力恢復時間約為223 s，明適應下人眼中心極限視力恢復時間約為119 s。以上結果均表明在明、暗適應下正入射超連續譜激光可見譜段對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致數十秒甚至數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，同時相同功率密度時暗適應下人眼的眩目效果優于明適應。

本試驗結果亦顯示，超連續譜激光的眩目作用主要通過正入射照射人眼視網膜中心凹產生視覺后像，從而遮擋注視目標來干擾中心視力；如果激光斜入射照射人眼而使成像于中心凹外，盡管也會產生視覺后像，但后像不會遮擋注視目標，基本不會對中心視力造成影響；與此同時，眩目條件相同時，中心視力恢復時間與注視目標大小有關，目標越小，恢復時間越長。

超連續譜激光可見譜段照射人眼后，可導致人眼中心視力下降，恢復時間達到數十秒甚至數百秒，且隨著功率密度增加而延長，從而顯示出較好的眩目效應；激光正入射照射人眼后在視網膜中心凹會產生視覺后像，可遮擋注視目標來干擾中心視力，認為是激光產生眩目作用的重要原因。暗適應下可導致人眼眩目效應的最小功率密度值為0.005 mW/cm2，明適應條件下為0.055 mW/cm2，綜合考慮實際應用中技術難度、成本、便攜性、安全性等因素，可見譜段功率密度達到0.1 mW/cm2(暗適應)或0.2 mW/cm2(明適應)即可實現安全有效的眩目效果，且明適應下激光功率密度高于暗適應方能達到相同眩目效果，上述劑量均低于國家安全標準允許的最大輻照量，可確保不會導致人視網膜不可逆的損傷。以上結果為超連續譜激光眩目技術的應用提供了較好的生物學依據。