456nm半導體藍激光眩目效應研究

倪 波，范應威，羅振坤，馬 瓊，梁 潔，康宏向*

(1.安徽醫(yī)科大學 研究生院，合肥 230032；2.中國人民解放軍軍事科學院 軍事醫(yī)學研究院 輻射醫(yī)學研究所，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、暫時失明、視力下降和眼部不適等癥狀，干擾視覺認知，使目標瞬間視覺功能下降，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主要包括光熱效應和光化學效應等。當眼睛受到大于損傷閾值的激光照射后會引起光熱效應導致視網(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[4]。其效應靶分子是視網(wǎng)膜感光色素，即位于視桿細胞內的視紫紅質和位于視錐細胞內的視紫藍質[5]，光化學作用導致感光色素分解，機體再生感光色素進行補充。正常的視覺環(huán)境中機體能夠維持感光色素的分解與再生動態(tài)平衡，但當突然遇到強光刺激時，機體的感光色素再生滯后于分解導致感光色素失衡[6]。感光色素失衡引起的視覺光化學反應變化、神經(jīng)沖動以及高級神經(jīng)認知反應是眩目效應的基本機制。

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

1 材料與方法

1.1 材料

實驗動物為青紫藍灰兔10只(北京科宇實驗動物養(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)大學獸醫(yī)研究所)；復方托吡卡胺滴眼液(參天制藥有限公司)。儀器有：半導體藍光激光器、PD300-3W-V1激光功率計(以色列Ophir公司)、GCI-73精密電子計時器(大恒新紀元科技股份有限公司)、BL-420F生物機能實驗系統(tǒng)(成都泰盟軟件有限公司)、DEC-100眼底照相機、CTN-W100輸液泵、檢眼鏡等。

1.2 實驗方法

1.2.1 動物麻醉 實驗前用復方托吡卡胺滴眼液散瞳，眼底鏡觀察兔眼眼底，視網(wǎng)膜正常方可用于實驗。先使用注射器緩慢肌肉注射速眠新麻醉劑使之進入麻醉狀態(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)，當進入深度麻醉后減至維持劑量。

1.2.2 電極放置 青紫藍灰兔進入麻醉狀態(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 半導體藍光激光器輸出波長456nm藍光，光束經(jīng)光纖傳輸，透鏡擴束準直，光闌限束，平行光正入射兔眼。激光功率計測量激光輻射功率，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。設定藍激光對兔眼的照射劑量，每眼激光照射12次為一組，用激光功率計對激光照射劑量進行測量，光電快門控制照射時間，照射時間為0.1s。一次給予藍激光進行照射，通過生物機能實驗系統(tǒng)對視網(wǎng)膜電圖進行記錄。

1.2.5 視網(wǎng)膜觀察記錄 采用檢眼鏡、眼底照相機對輻照前、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 結果與分析

2.1 眩目效應恢復時間

暗適應ERG波形中有可辨認的給光反應b波和撤光反應d波。b波、d波分別為圖2所示的正波和負波，選用波形尖銳、振幅較大的b波作為眩目效應恢復的評價指標。激光照射后，ERG波形有一過性消失或振幅減低，即表明有眩目效應發(fā)生。激光照射后ERG中波形恢復時間變化如圖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波的恢復時間。從圖2中可以看出，照后即刻出現(xiàn)一個比較尖的電信號，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，b波開始恢復時幅度很小，而后逐漸增高，直至恢復到照前水平，恢復時間即為兩個b波波峰對應時間相減所得。激光照射后ERG中b波恢復時間的平均值、最小值、最大值以及標準差如表1所示。

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

暗適應條件下，藍激光不同劑量致眩ERG b波恢復時間如圖4所示。兔眼眩目ERG b波平均恢復時間隨著激光劑量的增加而增加。低劑量致眩時間不長，但增幅較大，超過0.2mJ/cm2劑量時所致眩目時間呈線性遞增，在大劑量時激光致眩時間可達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

激光眩目實驗后，用眼底照相機觀察視網(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性損傷。致眩實驗后兔眼視網(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 論

基于激光對眼的生物作用機理，開展兔眼激光眩目效應研究，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[1]，而低于安全閾值的激光劑量照射兔眼會引起無器質性損傷的眩目效應。人眨眼回避反應時間為0.1s～0.25s，一般選用0.25s以內的時間作為激光安全研究輻照時間[11]，本文中研究眩目效應，選用0.1s輻照時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間也不盡相同。目前在可見激光波長中致眩時間最長的是藍綠激光。半導體藍色激光器因其性能穩(wěn)定、小型化、高效率、長壽命等優(yōu)點在眩目武器中具有良好的應用前景。鑒于此，本實驗中采用半導體藍激光照射兔眼，并運用視網(wǎng)膜電流圖對兔眼激光致眩效應進行分析研究，了解其量效關系和作用特點。激光兔眼致眩效應與激光波長和照射劑量有關，提高激光照射劑量會增強眩目效應，使眩目時間延長，恢復時間與劑量間呈良好的線性關系。眩目武器照射目標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,從而達到威懾和驅散的目的[11-12]。通過眼底照相機視網(wǎng)膜觀察，最大輻照量為16mJ/cm2的藍激光未見兔眼視網(wǎng)膜損傷，初步表明456nm半導體藍光具有良好的眩目安全性。后續(xù)工作將進一步系統(tǒng)地開展半導體藍光的安全性評估研究。