1.06μm激光测距机对眼的致伤作用及其安全距离估算
1.06μm激光测距机对眼的致伤作用及其安全距离估算
作者:军事医学科学院二所激光室 胡富根 周淑英 曹维群 徐贵道 施良顺 王登龙 徐碣敏
试验方法
该近红外激光测距仪机由激光发射头,激光电源、接收系统个距离计数器四部分组成。安装于电影经纬仪上。激光工作物质为Nd2+:YAG晶体,发射1.06μm波长近红外激光,电光调Q,脉宽~10ns,光束发散角加发射望远镜后≤2mrad,激光发射频率1-20pps。器件额定输出100mj。经调试,本次试验激光器的输出能量为36-67mj范围内,平均52.0±11.5mj。
激光能量测试使用炭斗型能量计及NJ-JI型激光能量计,低剂量测量时加AC-11型光电放大器。仪器均经国家计量科学研究院传递标准标定。动物照射前和照射后重复多次进行剂量测量,给出角膜平均入射能量。动物布放部位根据主镜、瞄准镜瞄准时激光光板相对位置及能量计所找出的光束最强处。
试验动物使用青紫蓝灰兔,照前散大瞳孔。照射时动物置于靶标架上,激光束直射兔眼,进行光束内照射。照后1.24小时内由两个以上人员进行检眼睛观察。选择典型损伤进行眼底彩色照相。部分动物摘出眼球,进行病理组织学观察。试验共照射9个距离。分三组,每个距离每组照射10只兔眼。
第一组:单个脉冲照射。脉冲重复率4pps,每隔5s照射一次,每眼照射5-10个脉冲。每次照射转动兔眼。
第二组:重复频率脉冲列照射。脉冲重复率为10pps,连续照射30s。计每列300个脉冲,每限照射2列。照射时兔头相对固定。
第三组:连续扫描照射。在1500-2000m距离,移动激光束,以脉冲重复频率10pps,从上至下,从左至右连续扫描整个照射靶标。扫描时间7-8min。总计本次试验共用青紫蓝灰兔83只,照射1342个样点。
试验结果
1.不同距离激光能量的测试
测试结果表明,激光平均辐照量随距离的增加呈指数衰减。在30-500m距离内,重复率4pps及10pps的激光能量测量的变异系数平均~27%、
2.眼损伤表面及其病理所见
激光器发射1.06微米波长的近红外激光,照射兔眼后,由于眼的光学系统的聚焦作用,在视网膜上会聚为极小影象而引起视网膜烧伤。本次试验在300m距离内出线眼损伤,主要表现为视网膜储蓄额及视网膜凝固斑两种类型。凝固斑多呈灰白色,小而圆、周边有时少许色素沉着。出血斑呈“菊花”形、圆形或团块状,形状不一,大小不等。大量出血则进入玻璃体内。受重复率脉冲列照射的兔眼,较单个脉冲照射兔眼损伤严重而面积大。追随观察典型损伤,轻型视网膜凝固斑多于2-3天内自行吸收,残留少许色素。视网膜及玻璃体出血,则视其出血程度,分别于1-3周吸收,遗留白色癫痕及色素沉着。
典型损伤的病理所见,亦可根据损伤程度分为三中类型:轻型损伤局限于视感受器部分崩解,色素游离,呈条索状或聚集成球状。视网膜外层有少许渗出,病灶微微隆起。隆起网膜的内外科李层细胞核排列紊乱。此类损伤检眼镜检查表现为凝固斑。中毒损伤为视网膜下出血,视感受器破坏,积血引起视网膜局部脱离,其中可见大量索状有力色素,内、外颗粒层排列紊乱,出现核固缩及破碎,亦可见脉络膜血管充盈,层间出血。严重损伤视网膜出现破口,玻璃体及网膜外层大量血液淤积,视神经细胞全层崩解,核破碎及脱失。在脉冲列照射组。出血多而广泛,视网膜大面积脱离,有时出现多个隆起峰。伤后25天检查,视网膜损伤燥癫痕形成,失去原有结构,纤维组织增生,吞噬细胞活跃,色素丛生。
3.视网膜损伤发生率
实验结果表明,眼损伤的发生率随距离的增加而减少,损伤程度亦随距离的增加而减轻。在50-100m距离以视网膜出血性损伤多见,140-300m距离内以凝固性损伤为主。不同距离眼损伤发生率可知,重复频率脉冲列照射比单个脉冲的损伤发生率高,致伤距离远。50m处两者损伤率分别为17/50和2/10.至220m距离单个脉冲照射仅发生2/200,而重复频率脉冲照射至300m仍出线1/40.在300-1180m距离内,照射78列脉冲,未见损伤。远距离连续扫描照射亦未见损伤。
致伤边界的估算
设若以1%损伤发射率所需距离为致伤边界,则可由试验所得损伤与距离关系的经验方程,进行推算。推算单个脉冲照射的致伤边界平均约210m,而重复频率脉冲列照射的致伤边界平均约380m。若将兔眼损伤发生率转换为机率单位,距离取对数坐标,再进行数据的统计学处理,则损伤发生机率和计量对数亦呈负相关。这种统计处理方法所推算的1%损伤发生率的致伤边界,在单个脉冲照射组亦平均约210m,而重复频率脉冲列照射组则平均约430m。
安全距离的推算
从理论上看,远距离激光,入射角膜的辐照量与器件总输出能量、光束发散角、作用距离、大气耍贱系数等因素有关。Q开关1.06μm波长激光,光束内直视,单脉冲照射的最大容许辐照量为5X10-6J/cm2,计算出激光器输出能量10-200mj条件下,光束发射角1,2,3mard,大气能见度15,23.5,40km时单脉冲照射的安全距离。如器件总输出50mj,发散角为1mard,其安全距离约1020-1080m。设光束出射直径为1cm,如直径由1cm增值5cm,则在标准晴朗天气条件下,50mj器件的安全距离,将减少10-40m。
关于倾斜安全距离的修正。激光在大气中的衰减系数为高度的函数,考虑到对不同高度倾斜潞城的飞行靶机进行测距,因此必须换算为等效的倾斜安全距离,即在各相应高度上,对水平安全距离乘以修正系数。例如在标准晴朗天,激光器输出50mj,水平安全距离-1050m,倾斜安全距离~1070m。
讨论
由于眼的光学系统的聚焦作用,将入射激光汇聚成极小影象,可使视网膜所接受的能量密度,较之角膜相应入射量提高10000-100000倍,因而能造成眼的严重损害。眼的屈光间质对1.06μm波长激光的透射率,角膜约为93%,晶状体约为83%,视网膜的反射加吸收约为25%。此波段激光主要损伤视网膜。损伤阈值随脉宽的缩短、频率的增加而降低。
激光对眼的损伤受许多因素的影响,不仅取决于激光波长、脉宽、发散角和光斑大小,也与眼的受照部位及屈光状态等因素有关。在野外条件下,又受大气能见度和作用距离的影响。轻度损伤可引起视网膜凝固、水肿。中毒可使之出血、坏死以致发生视网膜微爆,而形成持久性视觉障碍,本次试验损伤皆发生在300m以内。500m以外,重复率脉冲列照射2万次以上,未见损伤。
由于存在上述多种影响因素,因此由生物效应试验所做的推算,只能是粗略的估计。如何划定激光的损伤区以及安全区?目前尚无统一规定,本试验以1%损伤发生率的距离为致伤边界,由实验结果用两种统计方法所求的的经验方程,推算本测距机在平均输出能量52mj水平时,对兔眼致伤边界,单脉冲照射约210m,其激光辐照量约1.6-3.2X10-4J/c㎡。重复率脉冲列照射的致伤边界约380-430m,其激光辐照量约1.3~2.5X10-5J/c㎡。
参阅Q开关1.06μm激光,光束内直视单脉冲照射的最大容许标准,根据通用公式计算,器件输出50mj,发散角1mard时,安全距离约1050m(标准晴朗天)。考虑到重复频率照射及斜程安全距离的修正,将平均52mj输出的安全距离划至1200m,接认为是最安全的。如器件达到额定输出100mj,则理论计算单脉冲照射的安全距离,需1450m,加之斜程的修正不超过50m,亦即需至1500m左右。当然,对于飞机驾驶人员,由于机窗的漫反射作用及入射角的变化,眼受测距机激光束损伤的机率,将小于上述光束内直视条件。
小结
试验用波长1.06μm,Q开关近红外激光测距机,远距离找黑色青紫蓝灰兔眼166只,单脉冲照射1150次,计5万余次脉冲。结果表明,激光辐照量随距离呈指数衰减。在器件平均输出52mj的调试条件下,300m内出线视网膜凝固、出血性损伤。损伤发生率随距离的增加而减少,指数曲线回归,呈负相关。由经验方程推算出1%损伤发生率的致伤边界,单脉冲照射平均约210m,重复率脉冲列照射约380-430m。根据试验并配合理论计算,得出器件输出50-100mj,安全边界距离约为1200-1500m。
文中给出1.06μm波长激光器不同输出条件下安全距离的理论计算值,简要讨论了有关的影响因素。
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