连续绿色激光非致命武器致伤效应实验研究

施 磊，赫 雷，周克栋，黄雪鹰，张俊斌

(1.南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094； 2.中国人民解放军63850部队， 吉林 白城 137001)

非致命激光武器是指通过将激光束作用于目标人员，使其作战能力丧失或降低而不造成其死亡和严重伤害的“人道性”武器。非致命激光武器的作用机理多种多样，包括激光对人眼造成眩目效应、闪光盲、破坏人眼组织、造成皮肤剧痛等[1-2]。

其中，通过将激光束作用于人眼而造成“软杀伤”，使目标眩晕、视力下降、暂时失明的非致命激光武器称为激光眩目武器。但若武器的激光参数控制不当，比如能量过大，可能会造成目标人员的严重眼疾或永久性失明，这显然违反了1995年联合国签发的《关于激光致盲武器的议定书》，因此需要对激光眩目武器的致伤能力进行合理控制，避免出现严重损伤。

非致命激光武器通常采用人眼最为敏感的532nm绿色激光[3]。绿色激光不会被角膜、晶状体、玻璃体等吸收，几乎完全被眼底视网膜与脉络膜吸收，对生物组织的作用机理包括加热作用、生物光化学作用、光致压作用、机械作用及强电场作用等[4]。其中连续绿色激光非致命武器对人眼的致伤机理主要表现为激光加热作用使组织升温引起的生物组织过热反应、凝固等，以及生物光化学作用引起的视网膜感光色素部分或全部漂白[1]，从而导致视觉功能下降。20世纪末至今，我国诸多医学单位对532 nm脉冲与连续激光对眼底的损伤效应与损伤阈值(ED50)进行了深入的实验研究[5～7]，国外也有类似实验[8]，但多为出于医疗方面考虑，所用激光束直径较小，作用距离较近，光源几乎贴近角膜，且有些实验中激光照射时间过长，不符合激光非致命武器的作战使用情况。随着医疗仪器的发展，可对眼底进行光学相干断层扫描(OCT)来判断激光对眼底造成的损伤[9～10]。

为了解532 nm连续绿色激光非致命武器对视网膜的致伤效应以便确定致伤效应的评估方法，本文通过观察532 nm连续绿色激光照射后兔眼视网膜变化情况，验证该类非致命激光武器的致伤效果，为非致命激光武器的使用提供生物学依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

健康青紫蓝兔4只，月龄3～4个月，体重1.5～2.0 kg。

由于目前国内的激光非致命武器的光斑直径在25 cm左右，作用距离为50～400 m。此次采用LSR532NL-500型激光器，可发射532 nm连续绿色激光，输出功率为0～500 mW、可调，初始光束直径为3 mm，光束发散角为40 mrad，即在0.2 m处，光斑直径即大于10 mm，可覆盖整个眼睛，以模拟激光非致命武器的作战情景。FieldBest-I热释电型激光功率计，可以测定空间某点的激光辐照度。VISUCA NM/FA型眼底照相机，采集眼底图像。MOPTIM 08E型眼后节光学相干断层扫描仪，采集眼底组织结构图像。

复方托吡卡胺滴眼液，丙泊酚注射液。

1.2 实验方法

由固定架或由佩戴护目镜的助手将兔头固定，使其一只眼正对激光器方向。在实验兔眼前放置遮光板，调试激光器位置与方向，使激光斑落于遮光板上兔眼所在位置。将激光功率计的探头置于遮光板光斑上，通过调节激光器输出功率使所测定激光辐照度至预期值。撤去激光功率计探头与遮光板，使激光正对兔眼进行持续照射2 s左右后，关闭激光器。分别于照射后1 h、24 h对实验兔耳缘静脉注射丙泊酚注射液，按1 mL/kg的剂量进行麻醉，用复方托吡卡胺滴眼液对兔眼散瞳，并进行眼底照相与OCT扫描并记录。

对4只兔子进行1～4编号，1号兔与激光器距离0.2 m，所测辐照度531.2 mW/cm2；2号兔作用距离1 m，所测辐照度528.6 mW/cm2；3号兔作用距离1 m，所测辐照度277.4 mW/cm2；4号兔作用距离1 m，所测辐照度519.1 mW/cm2。所有兔子均左眼接受照射，右眼作为空白对照组。

2 实验结果

1) 1号兔右眼(正常)，和左眼照射后1 h、24 h的眼底图像与OCT图像分别如图1～图6所示。从眼底图像看，青紫蓝兔视网膜(右眼)与人眼略有不同，视盘在上方，呈横椭圆形，黄斑区在下方，整个网膜呈红色外观，1号兔左眼眼底视网膜在激光照射1 h内出现灰白色凝固斑，且在之后至24 h内未发生明显变化；从OCT图像看，正常眼(右眼)OCT后极部图像显示各层视网膜结构清晰，和人眼视网膜结构大致相同，厚度较人眼略薄，1号兔左眼视网膜在1 h内无明显变化，24 h后视网膜色素上皮及神经感觉层部分增厚。

图1 1号兔右眼(正常)眼底图像

图2 1号兔左眼1 h眼底图像

图3 1号兔左眼24 h眼底图像

图4 1号兔右眼(正常)OCT图像

图5 1号兔左眼1 h OCT图像

图6 1号兔左眼24 h OCT图像

2) 2号兔左眼照射后1 h、24 h的眼底图像与OCT图像(右眼正常不再赘述)，分别如图7～图10所示。从眼底图像看，2号兔左眼眼底视网膜在激光照射1 h内无明显变化，24 h出现局部白色环形病灶；从OCT图像看，2号兔左眼视网膜1 h内无明显变化，24 h后视网膜表面见凸起的激光损伤病灶。

图7 2号兔左眼1 h眼底图像

图8 2号兔左眼24 h眼底图像

图9 2号兔左眼1 h OCT图像

图10 2号兔左眼24 h OCT图像

3) 3号兔左眼照射后1 h、24 h的眼底图像与OCT图像，分别如图11～图14所示。从眼底图像看，3号兔左眼眼底视网膜在激光照射1 h内未见明显异常变化，24 h未见明显异常，但所观测视网膜颜色变暗；从OCT图像看，3号兔左眼视网膜1 h内基本正常，24 h后，后极部神经感觉层内见高密度影，为激光损伤的渗出病灶，视网膜厚度增加。

图11 3号兔左眼1 h眼底图像

图12 3号兔左眼24 h眼底图像

图13 3号兔左眼1 h OCT图像

图14 3号兔左眼24 h OCT图像

4) 4号兔眼左眼照射1 h后、24 h后的眼底图像与OCT图像，如图15～图18所示。从眼底图像看，4号兔左眼视网膜在激光照射后1 h内无明显变化，24 h后出现了白色损伤病灶；从OCT图像看，左眼视网膜1 h内出现色素上皮层增厚现象，24 h后，视网膜神经感受层明显增厚，视网膜表面见强回声病灶。

图15 4号兔左眼1 h眼底图像

图16 4号兔左眼24 h眼底图像

图17 4号兔左眼1 h OCT图像

图18 4号兔左眼24 h OCT图像

5) 所有兔子实验后均可进行正常生理活动，未发现明显异常行为。

依据相关文献[11]中，激光对视网膜的损伤等级划分，对上述兔眼视网膜组织在眼底图像中的受损表现进行评级，结果如表1所示。

表1 实验后1 h、24 h的兔眼视网膜在眼底图像中所表现的损伤程度

3 讨论

在照射过程中未对兔眼进行人为干涉，在激光照射到兔眼时，兔眼会有眨眼反射，眯眼或闭眼以躲避激光的照射，移去激光恢复睁眼状态，符合非致命激光武器作用下正常目标人员的反应情况。(1)从整体实验结果来看，532 nm连续激光对眼组织的损伤并不一定会在照射后第一时间就表现出来，随着照射后时间的推移，有些病情会加重；(2)2号、3号兔的作用距离相同，激光辐照度有较大差异，且两者中激光辐照度大者，眼底视网膜受损程度更严重；(3)2号、4号兔在几乎相同的照射条件下，24 h时出现了不同的视网膜组织损伤形式，2号为环形损伤病灶而4号为圆点型损伤病灶，可能是由于实验生物个体之间存在差异，或兔头固定方向的微小差异导致激光入射角发生了变化；(4)1号、2号兔接受几乎相同的激光辐照度，但与激光器距离不同，出现的病症存在较大差异，且两者中距离近者，可见受损范围小，病症出现快；(5)从3号兔24 h、4号兔1h的眼眼底图像与OCT图像来看，OCT能发现眼底图像无法察觉的组织损伤，说明OCT对视网膜的检查更敏感直接；(6)1号兔在照射后1 h即可从眼底图像中观察到明显的白色凝固斑，但由于损伤位置距离视网膜中心太远，OCT图像中却没有体现，这与本次实验所用OCT仪器为固定式，且兔眼球在进行OCT扫描时不易转动有关，其导致多次OCT扫描后仍不一定是病变最严重的区域，因此单纯以眼底图像或OCT图像评判视网膜受损情况均比较片面，需两者结合进行多维评判。

4 结论

本文的试验研究验证了532 nm连续绿色激光对视网膜的致伤效果，建立了非致命激光武器的致伤效应测试方法。由于实验条件限制，OCT扫描区域有限，在以后的试验工作中可以通过改善实验设备，增加试验样本及样本的OCT扫描数量，以及增加跟踪观察的时间，以眼底照相作为宏观评判，以OCT扫描进一步量化损伤程度，对非致命激光武器的致伤效应进行更准确客观的评估。