光環境對不同視力者視覺績效的影響

陳劍政，陳 濤，蘇玉婷，江 川，許馨月，張作明

0 引言

人類感知的外界信息80%來自視覺系統，而飛行主要是在視覺引導下的活動[1]，為此民航或外軍要求飛行員在飛行時視力(裸眼、戴鏡或手術矯正)必須≥1.0[2-3](小數視力)。按照目前我軍的《飛行人員體格檢查標準》，飛行人員的視力標準低于1.0，轟炸機、運輸機飛行人員可以降到0.6甚至0.4[1]。但是，隨著全天候、全空域作戰方式的轉變，飛行光學環境從正午陽光到曙暮光和云上光，復雜的光照變化可能對飛行員尤其是視力低于正常飛行員的視覺績效產生明顯的影響。因此，深入驗證并分析光環境對于不同視力者視覺績效的影響，有利于優化我軍飛行人員視力檢查標準，對于保障飛行安全、提高戰斗力具有十分重要的現實意義。

1 對象和方法

1.1對象本研究為隨機對照研究。招募24名志愿者，男性，年齡19～34(平均25.84±4.31)歲，排除屈光不正手術史、色盲、色弱、青光眼和糖尿病視網膜病變等眼部器質性疾病。其中6名受試者單眼裸眼遠視力≥1.0，另18名受試者單眼裸眼遠視力<1.0，根據軍隊飛行人員視力檢查標準，所有受試者滿足近視度數≤-2.00D，遠視度數≤+2.50D，散光度數≤1.00D且最佳矯正視力≥1.0。本研究經空軍軍醫大學西京醫院倫理委員會審核批準，所有受試者均知情同意并簽署知情同意書。

1.2方法

1.2.1試驗環境課題組試驗室通過標準化燈光照明系統，可完成日光(1500lx、5000K)、曙暮光(15lx、3000K)和云上光(750lx、5000K)等全光譜飛行光學環境的模擬(照度和色溫為受試者眼前5cm處測得)。受試者座位前下方放置2塊55cm×55cm的全光譜燈模擬云上光環境。

1.2.2試驗儀器采用自動驗光儀(TOPCON KR-8100PA)驗光，采用無背光標準對數遠視力表(人民衛生出版社)檢測靜態遠視力，采用深度覺計和視覺測試軟件系統(空軍軍醫大學航空航天臨床醫學中心)檢測深徑覺誤差、動態視力(kinetic visual acuity，KVA)和視覺搜索時間，采用Farnsworth-Munsell 100色棋檢測色覺誤差。

1.2.3試驗設計本試驗的目的是通過模擬3種飛行光學環境，比較不同視力和光學環境對視覺績效的影響。采用兩因素多水平試驗設計，因素一為4種不同視力(組間因素)，因素二為3種不同的光學環境(組內因素)。因變量為雙眼最佳靜態遠視力、動態視力、色覺誤差、深徑覺誤差和視覺搜索時間。

1.2.4試驗方法受試者驗光后在350lx均勻標準照度下檢查視力，通過配鏡將單眼視力<1.0受試者的右眼/左眼視力就近矯正為0.8/0.8、0.6/0.6和0.4/0.4。將24名受試者根據右眼/左眼視力分為1.0/1.0、0.8/0.8、0.6/0.6和0.4/0.4共4組，每組6人，分別在日光、曙暮光和云上光3種模擬光環境下依次進行以下視覺指標的檢測。受試者在每種模擬光環境下適應5min后開始試驗。在曙暮光環境試驗前，受試者需額外完成10min暗適應。所有試驗由同一主試者完成，試驗前讓受試者進行充分練習以消除學習效應。每種光學環境下的動態視力、色覺和深徑覺誤差各測量3次，取平均值。

1.2.5觀察指標

1.2.5.1雙眼靜態遠視力受試者矯正為相應視力后，在3種光環境下檢測雙眼最佳靜態遠視力。檢測結果轉換為最小分辨角對數(LogMAR)視力進行統計分析。

1.2.5.2動態視力視標“E”始終在75cm×121cm大小的屏幕中心，尺寸由小變大，模擬物體從50m距離以15km/h的運動速度向受試者飛近，受試者在距離屏幕5m處判斷視標開口方向并做出反應，判斷正確的最小視標對應受試者的動態視力。檢測結果轉換為LogMAR視力進行統計分析。

1.2.5.3色覺誤差將Farnsworth-Munsell 100色棋分為藍、紫、綠、紅4組顏色并隨機排列，受試者座位距色棋70cm，主試者根據隨機數表隨機抽取1個色棋，受試者觀察后選擇顏色與其最接近的色棋，兩色棋的序號差值為色覺誤差。

1.2.5.4深徑覺誤差深度覺計上的2根滑桿初始水平位置相同，主試者根據隨機數表控制1號桿隨機縱向移動一定距離，要求受試者坐于5m遠處移動2號桿到同一水平位置，兩杠間的縱向距離差即為深徑覺誤差。

1.2.5.5視覺搜索時間視標“E”在屏幕任意位置出現28次，間隔時間隨機，受試者在2m遠處于75cm×121cm的屏幕上尋找0.2908cm×0.2908cm大小的視標(相當于1.0視力)并且判斷視標開口方向。記錄受試者做出正確判斷的平均反應時間。

2 結果

2.1不同視力者在不同光環境下雙眼靜態遠視力的變化不同光環境下靜態遠視力的主效應差異具有統計學意義(F組內=189.71，P組內<0.001)，不同視力者靜態遠視力的主效應差異有統計學意義(F組間=67.290，P組間<0.001)，視力與光環境之間不存在交互作用(F交互=0.385，P交互=0.938)。不同光環境下雙眼靜態遠視力兩兩比較，差異均有統計學意義(P<0.05)，其中日光下雙眼靜態遠視力最高，標準照度高于云上光，曙暮光下最低。不同視力組間雙眼靜態遠視力兩兩比較，差異均有統計學意義(P<0.05)，其中1.0/1.0組雙眼靜態遠視力最高，0.8/0.8組高于0.6/0.6組，0.4/0.4組最低，見表1。

表1 不同視力者在不同光環境下雙眼靜態遠視力的變化

2.2不同視力者在不同光環境下動態視力的變化不同光環境下KVA(15km/h)的主效應差異具有統計學意義(F組內=7.287，P組內=0.004)，不同視力者KVA(15km/h)的主效應差異有統計學意義(F組間=24.301，P組間=0.003)，視力與光環境之間存在交互作用(F交互=3.940，P交互=0.003)，表明不同視力者KVA在不同光環境下變化的趨勢不同。在3種光環境下，與1.0/1.0組、0.8/0.8組比較，0.6/0.6組、0.4/0.4組KVA顯著降低，差異均有統計學意義(P<0.05)。在0.4/0.4視力組，與日光環境相比，曙暮光、云上光環境下KVA顯著降低，差異均有統計學意義(P<0.01)，見圖1。

圖1 不同光環境下的動態視力變化 aP<0.05 vs 相同光環境下1.0/1.0組；cP<0.05 vs 相同光環境下0.8/0.8組；fP<0.01 vs 0.4/0.4組日光環境。

2.3不同視力者在不同光環境下色覺誤差的變化不同光環境下藍色、紫色、綠色、紅色色覺誤差的主效應差異有統計學意義(F組內=43.979、13.833、43.706、22.450，均P組內<0.001)，不同視力者藍色、紫色、綠色、紅色色覺誤差的主效應差異均無統計學意義(F組間=1.173、2.278、0.439、1.012，均P組間>0.05)，光環境與視力也均不存在交互作用(F交互=0.241、0.580、0.491、2.453，均P交互>0.05)，見圖2。與日光環境相比，曙暮光、云上光下藍色、紫色色覺誤差顯著增大，差異有統計學意義(P<0.01)。不同光環境下綠色、紅色色覺誤差兩兩比較，差異均有統計學意義(P<0.05)，其中日光下綠色、紅色色覺誤差最小，云上光次之，曙暮光最大，見圖3。

圖2 不同光環境下的色覺誤差變化 A：藍色色覺誤差；B：紫色色覺誤差；C：綠色色覺誤差；D：紅色色覺誤差。

圖3 不同顏色的色覺誤差變化 aP<0.05 vs 日光；cP<0.05 vs 曙暮光。

2.4不同視力者在不同光環境下深徑覺誤差的變化不同光環境對深徑覺誤差的主效應差異有統計學意義(F組內=13.892，P組內<0.001)，不同視力者深徑覺誤差的主效應差異有統計學意義(F組間=7.935，P組間=0.001)，視力與光環境之間不存在交互作用(F交互=1.803，P交互=0.123)。不同光環境下深徑覺誤差兩兩比較，差異均有統計學意義(P<0.05)，其中日光下深徑覺誤差最小，云上光次之，曙暮光最大。與1.0/1.0組和0.8/0.8組比較，0.6/0.6組、0.4/0.4組深徑覺誤差顯著增大，差異均有統計學意義(P<0.05)，見表2。

表2 不同視力者在不同光環境下深徑覺誤差的變化

2.5不同視力者在不同光環境下視覺搜索時間的變化不同光環境下視覺搜索時間的主效應差異有統計學意義(F組內=6.103，P組內=0.005)，不同視力者視覺搜索時間的主效應差異有統計學意義(F組間=6.905，P組間=0.002)，視力與光環境之間不存在交互作用(F交互=0.900，P交互=0.504)。與日光環境相比，曙暮光、云上光下視覺搜索時間顯著增加，差異均有統計學意義(P<0.05)。與1.0/1.0組相比，其余各組視覺搜索時間均增加，且0.6/0.6組、0.4/0.4組視覺搜索時間顯著增加，差異均有統計學意義(P<0.05)；與0.4/0.4組相比，0.8/0.8組、0.6/0.6組視覺搜索時間顯著減少，差異均有統計學意義(P<0.05)，見表3。

表3 不同視力者在不同光環境下視覺搜索時間的變化

3 討論

現代空戰是全天候、全空域作戰，飛行員必須具備晝間、夜間及各種復雜氣象條件下起飛作戰的能力。在不同的氣象條件，飛機外部光照變化范圍可以相差10～12個數量級[4]。目前研究表明，光線環境會對注意力、學習和工作表現造成影響[5-6]，光源的照度及色溫會對視覺舒適度、知覺和認知表現產生影響[7-11]。但是，既往研究多集中于室內辦公或學習的光線環境，本課題組選取并模擬了3種具有代表性的飛行光學環境，即日光、曙暮光和云上光環境。從試驗結果分析得知，日光下的雙眼靜態遠視力、深徑覺能力、綠色及紅色辨別能力最高，云上光次之，曙暮光最低。與日光環境相比，曙暮光、云上光下藍色及紫色辨別能力和視覺搜索能力顯著下降。在0.4/0.4視力組，曙暮光、云上光環境下動態視力顯著低于日光環境。可見，在曙暮光、云上光環境飛行時，人眼的視覺功能、視覺績效有所下降，影響飛行安全和作戰效能。有研究表明，不利的光環境會造成飛行員的不安全行為，使飛行員判讀、操作的錯誤率提高[12]。國外飛行事故資料統計分析顯示，“人為差錯”造成的事故占全部事故的40%，直升機達70%，而不利光環境引起的視覺功能下降是造成“人為差錯”的直接原因之一[13]。本試驗模擬的云上光環境下雙眼靜態遠視力顯著低于日光環境。因為云上飛行時，大量光線由下向上反射，使人產生“上暗下亮”的感覺，同時影響視網膜成像而使視力下降[1]。飛行人員進入云上飛行后，應集中注意力以減少錯覺的發生，多借助雷達搜索以減少目視搜索時間，同時配戴好護目鏡，避免長時間的云上飛行和注視下方云層，防止產生眩光[14]。與日光環境相比，曙暮光環境下色覺辨別能力下降明顯。在日光環境，只有視錐細胞起作用，而曙暮光環境處于中間視覺亮度水平，人眼的視錐和視桿細胞相互作用，有文獻表明視桿細胞作用的增加會降低顏色的辨別能力[15]，這與本研究結果相符。

視力是選拔飛行員的首要條件，良好的視力對于飛行安全的重要性不言而喻[16-17]。但是，近年來，我國近視患病率居高不下[18]，屈光不正已成為我軍飛行人員停飛最常見的眼科疾病[19-20]。從起飛到著陸的整個飛行過程中，飛行員要隨時觀察儀表的變化情況和艙外的各種目標，如天地線、地形、地貌及地標等。著陸時，視力好的飛行員可以在較遠的地方看清跑道，較早建立目視參考，而視力差的飛行員其看清跑道的距離就大大縮短。由于視覺運動反應時間的生理限制和操縱飛機的時間限制而對迎面物體來不及看清或回避的空間距離，稱為“空中盲距”[1]。飛機飛行的速度越快，空中盲距越大，尤其對視力低于正常的飛行員，而不利的光環境會延長視覺運動反應時間，進一步加大空中盲距，發生事故的風險也會成倍增加。因此，外軍要求飛行人員飛行時的裸眼或矯正視力≥20/20(相當于小數視力1.0)。如美國空軍要求飛行學員裸眼視力不得低于20/70(矯正視力≥20/20)，領航學員的裸眼視力不得低于20/200(矯正視力≥20/20)；陸軍直升機飛行員裸眼視力不得低于20/50(矯正視力≥20/20)；海軍陸戰隊飛行員的裸眼視力不得低于20/40(矯正視力≥20/20)[2]。然而，我軍飛行人員的視力標準低于1.0，有的放寬到0.6甚至0.4，且目前并未允許戴鏡飛行或可通過手術矯正屈光不正的相關規定。

本研究結果顯示，同1.0/1.0視力組比較，0.6/0.6、0.4/0.4視力組雙眼靜態遠視力、深徑覺能力、視覺搜索能力和動態視力顯著下降。深徑覺亦稱“立體知覺”或“距離知覺”，是對物體的立體或不同物體遠近的知覺，是用眼辨別物體空間方位、深度、凸凹等相對位置的能力。飛行人員在飛機著陸、編隊飛行和空中加油等操作過程中均涉及距離的判斷，而屈光不正可造成深徑覺功能下降[21]，威脅飛行安全。視覺搜索能力是自由空戰尤其近距空戰勝負的關鍵因素，直接影響飛行員的戰斗力。動態視力是指辨識移動物體細微部分的一種運動視覺能力，對涉及快速移動物體的視覺運動表現(如飛行)至關重要，直接影響運動狀態下工作任務的完成質量。Palidis等[22]在對棒球隊員(視力正常或矯正視力正常)的動態視力研究中發現，當物體以50°/s的角速度運動時，靜態視力與動態視力顯著相關。與之不同的是，本研究發現與正視眼人群相比，近視人群的動態視力下降明顯，并會受到周圍光環境的疊加影響。

綜上所述，飛行人員的視力下降會嚴重影響飛行時搜索敵機、辨別目標和判斷距離的能力，危及飛行安全，降低作戰效能。據此，建議我軍飛行人員應該在保持正常視力情況下執行作訓任務，即應該提高目前我軍飛行人員現行的視力標準以滿足戰機在復雜多變的光環境下作訓飛行的客觀需求。對于不能滿足正常視力標準的，應該盡快出臺允許飛行人員配戴矯正眼鏡或通過屈光手術矯正視力的政策。當然，本研究存在一定的局限性：(1)試驗模擬的光學環境與真實的飛行環境存在一定差異；(2)受試者的左右眼矯正視力相同，而飛行人員的左右眼視力可能存在不同或差異較大的情況。因此，尚需進一步加強環境模擬和豐富試驗對象，完善研究。