456nm半導(dǎo)體藍(lán)激光眩目效應(yīng)研究

倪 波，范應(yīng)威，羅振坤，馬 瓊，梁 潔，康宏向*

(1.安徽醫(yī)科大學(xué) 研究生院，合肥 230032；2.中國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)

引 言

激光眩目武器采用低能激光束輻照人眼使人產(chǎn)生眩暈、暫時(shí)失明、視力下降和眼部不適等癥狀，干擾視覺認(rèn)知，使目標(biāo)瞬間視覺功能下降，在一定程度上喪失戰(zhàn)斗力而不造成永久性損傷[1-2]。激光照射眼睛的生物效應(yīng)主要包括光熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)等。當(dāng)眼睛受到大于損傷閾值的激光照射后會引起光熱效應(yīng)導(dǎo)致視網(wǎng)膜出現(xiàn)白斑、水腫和出血等[3]。可見光波段的激光在低于損傷閾值和人眼安全限值的低劑量下照射人眼可引起眩目效應(yīng)[4]。其效應(yīng)靶分子是視網(wǎng)膜感光色素，即位于視桿細(xì)胞內(nèi)的視紫紅質(zhì)和位于視錐細(xì)胞內(nèi)的視紫藍(lán)質(zhì)[5]，光化學(xué)作用導(dǎo)致感光色素分解，機(jī)體再生感光色素進(jìn)行補(bǔ)充。正常的視覺環(huán)境中機(jī)體能夠維持感光色素的分解與再生動態(tài)平衡，但當(dāng)突然遇到強(qiáng)光刺激時(shí)，機(jī)體的感光色素再生滯后于分解導(dǎo)致感光色素失衡[6]。感光色素失衡引起的視覺光化學(xué)反應(yīng)變化、神經(jīng)沖動以及高級神經(jīng)認(rèn)知反應(yīng)是眩目效應(yīng)的基本機(jī)制。

眩目武器多采用人眼感光色素最敏感的藍(lán)綠光[1]，目前國內(nèi)外對激光眩目效應(yīng)已有較多研究[7-11]，但主要是綠激光眩目效應(yīng)[4,12]，對藍(lán)激光引起的眩目量效關(guān)系研究尚未見到報(bào)道。半導(dǎo)體藍(lán)光激光器體積小、重量輕、使用壽命長、便于攜帶[13-14]，因此量化評估藍(lán)激光眩目效應(yīng)對眩目武器的研發(fā)設(shè)計(jì)很有參考意義。本文中以眼底吸收光譜曲線與人眼相似的青紫藍(lán)灰兔為實(shí)驗(yàn)動物，在損傷閾值以下，通過激光照射青紫藍(lán)灰兔眼，采用視網(wǎng)膜電流圖(electroretinogram，ERG)記錄并測量視網(wǎng)膜電位的恢復(fù)時(shí)間，以激光照后ERG b波恢復(fù)至照前幅度時(shí)間作為指標(biāo)[4]，對激光眩目時(shí)間進(jìn)行量化，以此來分析藍(lán)激光的致眩效果。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)動物為青紫藍(lán)灰兔10只(北京科宇實(shí)驗(yàn)動物養(yǎng)殖中心)，雌雄各半，體重3kg左右。試劑為速眠新注射液(長春軍醫(yī)大學(xué)獸醫(yī)研究所)；復(fù)方托吡卡胺滴眼液(參天制藥有限公司)。儀器有：半導(dǎo)體藍(lán)光激光器、PD300-3W-V1激光功率計(jì)(以色列Ophir公司)、GCI-73精密電子計(jì)時(shí)器(大恒新紀(jì)元科技股份有限公司)、BL-420F生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(成都泰盟軟件有限公司)、DEC-100眼底照相機(jī)、CTN-W100輸液泵、檢眼鏡等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 動物麻醉 實(shí)驗(yàn)前用復(fù)方托吡卡胺滴眼液散瞳，眼底鏡觀察兔眼眼底，視網(wǎng)膜正常方可用于實(shí)驗(yàn)。先使用注射器緩慢肌肉注射速眠新麻醉劑使之進(jìn)入麻醉狀態(tài)，待肌肉松弛后放置在特制的固定架上，再用注射泵經(jīng)兔耳緣靜脈注射給藥，麻醉過程中注意監(jiān)測麻醉狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入深度麻醉后減至維持劑量。

1.2.2 電極放置 青紫藍(lán)灰兔進(jìn)入麻醉狀態(tài)后，連接視網(wǎng)膜電圖記錄電極，環(huán)形角膜電極放置于角膜表面，參考電極和地電極分別固定于耳廓和前額正中。

1.2.3 激光照射裝置 半導(dǎo)體藍(lán)光激光器輸出波長456nm藍(lán)光，光束經(jīng)光纖傳輸，透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直，光闌限束，平行光正入射兔眼。激光功率計(jì)測量激光輻射功率，限束光闌通光孔直徑0.7cm，通光面積0.385cm2。兔眼激光照射光路如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of laser radiation device for rabbit eyes

1.2.4 閃光刺激和眩目激光照射 兔眼暗適應(yīng)20min后，給予每秒一次閃光刺激，在視網(wǎng)膜電圖上形成參考刺激脈沖信號，通過其脈沖幅值變化評估視網(wǎng)膜功能狀態(tài)變化情況。設(shè)定藍(lán)激光對兔眼的照射劑量，每眼激光照射12次為一組，用激光功率計(jì)對激光照射劑量進(jìn)行測量，光電快門控制照射時(shí)間，照射時(shí)間為0.1s。一次給予藍(lán)激光進(jìn)行照射，通過生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對視網(wǎng)膜電圖進(jìn)行記錄。

1.2.5 視網(wǎng)膜觀察記錄 采用檢眼鏡、眼底照相機(jī)對輻照前、輻照即刻及輻照24h后視網(wǎng)膜觀察拍照分析眼底是否出現(xiàn)損傷。

2 結(jié)果與分析

2.1 眩目效應(yīng)恢復(fù)時(shí)間

暗適應(yīng)ERG波形中有可辨認(rèn)的給光反應(yīng)b波和撤光反應(yīng)d波。b波、d波分別為圖2所示的正波和負(fù)波，選用波形尖銳、振幅較大的b波作為眩目效應(yīng)恢復(fù)的評價(jià)指標(biāo)。激光照射后，ERG波形有一過性消失或振幅減低，即表明有眩目效應(yīng)發(fā)生。激光照射后ERG中波形恢復(fù)時(shí)間變化如圖2所示，不同劑量激光照射后ERG如圖3所示。

Fig.2 ERG after laser irradiation

Fig.3 ERG after laser irradiation with different doses

持續(xù)動態(tài)記錄兔眼ERG波形圖，并測量不同波長不同劑量激光照射后ERG中b波的恢復(fù)時(shí)間。從圖2中可以看出，照后即刻出現(xiàn)一個(gè)比較尖的電信號，隨后b波和d波出現(xiàn)一過性消失，隨即b波和d波緩慢恢復(fù)，b波開始恢復(fù)時(shí)幅度很小，而后逐漸增高，直至恢復(fù)到照前水平，恢復(fù)時(shí)間即為兩個(gè)b波波峰對應(yīng)時(shí)間相減所得。激光照射后ERG中b波恢復(fù)時(shí)間的平均值、最小值、最大值以及標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。

Table 1 Recovery time of b-wave in ERG after laser irradiation

暗適應(yīng)條件下，藍(lán)激光不同劑量致眩ERG b波恢復(fù)時(shí)間如圖4所示。兔眼眩目ERG b波平均恢復(fù)時(shí)間隨著激光劑量的增加而增加。低劑量致眩時(shí)間不長，但增幅較大，超過0.2mJ/cm2劑量時(shí)所致眩目時(shí)間呈線性遞增，在大劑量時(shí)激光致眩時(shí)間可達(dá)15s左右。

Fig.4 Recovery time of b-wave induced by different doses of blue laser

2.2 視網(wǎng)膜眼底檢查

激光眩目實(shí)驗(yàn)后，用眼底照相機(jī)觀察視網(wǎng)膜損傷表現(xiàn)，未見激光損傷斑。由此可見，上述激光致眩所用照射劑量不會引起眼組織的器質(zhì)性損傷。致眩實(shí)驗(yàn)后兔眼視網(wǎng)膜眼底照片如圖5所示。其中圖5a為照前眼底照片，圖5b為照后即刻眼底照片，圖5c為照后24h眼底照片。

Fig.5 Retinal fundus photography

3 結(jié) 論

基于激光對眼的生物作用機(jī)理，開展兔眼激光眩目效應(yīng)研究，通常，在高于安全閾值的激光照射下會引起兔眼角膜、晶狀體、視網(wǎng)膜等組織的損傷效應(yīng)[1]，而低于安全閾值的激光劑量照射兔眼會引起無器質(zhì)性損傷的眩目效應(yīng)。人眨眼回避反應(yīng)時(shí)間為0.1s～0.25s，一般選用0.25s以內(nèi)的時(shí)間作為激光安全研究輻照時(shí)間[11]，本文中研究眩目效應(yīng)，選用0.1s輻照時(shí)間以探討對絕大多數(shù)人的眩目效果。視網(wǎng)膜具有不同的感光色素，不同的感光色素對不同波長的激光的敏感性不同，因此不同波長激光引起的眩目時(shí)間也不盡相同。目前在可見激光波長中致眩時(shí)間最長的是藍(lán)綠激光。半導(dǎo)體藍(lán)色激光器因其性能穩(wěn)定、小型化、高效率、長壽命等優(yōu)點(diǎn)在眩目武器中具有良好的應(yīng)用前景。鑒于此，本實(shí)驗(yàn)中采用半導(dǎo)體藍(lán)激光照射兔眼，并運(yùn)用視網(wǎng)膜電流圖對兔眼激光致眩效應(yīng)進(jìn)行分析研究，了解其量效關(guān)系和作用特點(diǎn)。激光兔眼致眩效應(yīng)與激光波長和照射劑量有關(guān)，提高激光照射劑量會增強(qiáng)眩目效應(yīng)，使眩目時(shí)間延長，恢復(fù)時(shí)間與劑量間呈良好的線性關(guān)系。眩目武器照射目標(biāo)使其視覺功能下降在一定程度上失去抵抗能力，更大的作用是使人心理產(chǎn)生恐慌而本能地逃避,從而達(dá)到威懾和驅(qū)散的目的[11-12]。通過眼底照相機(jī)視網(wǎng)膜觀察，最大輻照量為16mJ/cm2的藍(lán)激光未見兔眼視網(wǎng)膜損傷，初步表明456nm半導(dǎo)體藍(lán)光具有良好的眩目安全性。后續(xù)工作將進(jìn)一步系統(tǒng)地開展半導(dǎo)體藍(lán)光的安全性評估研究。