“過渡區(qū)”近紅外激光眼損傷效應(yīng)實驗和理論研究.pdf

1、背景和目的：“過渡區(qū)”近紅外激光指波長在1.3~1.4μm范圍內(nèi)的激光，在該波段內(nèi)，眼損傷靶部位隨著波長的增大由視網(wǎng)膜逐漸變?yōu)榻悄?。該波段在大氣和光纖中傳輸能力強，不但具有重要的國防和軍事戰(zhàn)略價值，而且在工業(yè)、醫(yī)療、光通訊等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，大量相關(guān)職業(yè)人員將因此面臨巨大的眼損傷風(fēng)險。該波段激光眼損傷效應(yīng)具有多靶性、延遲性、損傷閾值高和影響因素多等特點，眼損傷閾值匱乏，眼損傷隨照射時間、入射光斑等照射條件的定量變化規(guī)律及主要影響因素

2、、損傷特點和損傷修復(fù)過程尚未闡明。為此，本研究以1319 nm和1338 nm激光典型光源，以“非線性依賴時段”（1 ms-10 s）為重點，通過系統(tǒng)的實驗研究和理論模擬來闡明該激光眼（角膜和視網(wǎng)膜）損傷閾值隨照射時間的定量變化規(guī)律和眼損傷效應(yīng)的組織病理特點及其時相變化，為該波段激光安全標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供堅實的理論支撐和實驗依據(jù)。
　　方法與結(jié)果：1.“過渡區(qū)”近紅外激光角膜損傷效應(yīng)及規(guī)律研究：以新西蘭白兔為實驗動物，研究不同入射光斑

3、直徑1338 nm激光角膜損傷閾值和不同照射時間1319 nm激光角膜損傷閾值。在特定波長、入射光斑直徑和照射時間條件下，以不同劑量的激光照射新西蘭白兔角膜，于照后1h~24h觀察角膜損傷情況，統(tǒng)計損傷發(fā)生率，采用加權(quán)概率單位法或中值法計算損傷發(fā)生率為50％時所對應(yīng)的激光劑量，即損傷閾值ED50。照后不同時間點觀察1338 nm激光不同入射光斑和照射劑量下角膜損傷形態(tài)。結(jié)果：①波長為1338 nm，照射時間為5 ms，角膜光斑直徑為0.

4、14 mm、0.3 mm、1.0 mm、2.0mm和3.7 mm條件下的角膜損傷閾值分別為277.3 J/cm2、61.2 J/cm2、31.5 J/cm2、27.0 J/cm2和27.9 J/cm2。②波長為1319 nm，角膜光斑直徑為2 mm，照射時間為75 ms、0.35 s、2 s和10 s條件的角膜損傷閾值分別為51.5 J/cm2、87.2 J/cm2、156.3 J/cm2和311.1 J/cm2。利用“作用光譜”理論，

5、波長為1338nm、角膜光斑直徑2 mm、照射時間為5 ms的角膜損傷閾值（27.0 J/cm2）轉(zhuǎn)換為相同條件下1319 nm損傷閾值為39.4 J/cm2。經(jīng)過回歸分析，角膜損傷閾值在75 ms~10 s范圍內(nèi)與照射時間的依賴關(guān)系在雙對數(shù)坐標(biāo)下為ED50=128.9t0.36（R=0.997）。③1338 nm角膜損傷累及全層。裂隙燈下，1.5倍閾值水平的角膜損傷斑厚度的增大在照后6h最為明顯，照后3d角膜厚度基本恢復(fù)后又逐漸減小，

6、至180d仍未恢復(fù)正常水平。光鏡下，角膜損傷修復(fù)開始于照后3d~7d，表現(xiàn)為角膜上皮細胞的旺盛分裂和層數(shù)增多，角膜基質(zhì)內(nèi)空泡化嚴(yán)重且厚度縮小。照后14d~60損傷修復(fù)速度較快，照后90d~270d，損傷修復(fù)速度變慢，上皮層細胞層數(shù)逐漸減少，趨向正常水平，基質(zhì)層的空泡化減輕，厚度逐漸增大。閾值劑量損傷在照后30d~60d基本修復(fù)，超閾值劑量損傷至照后270損傷仍未完全修復(fù)。2.“過渡區(qū)”近紅外激光視網(wǎng)膜損傷效應(yīng)及規(guī)律研究：確定并比較不同眼

7、軸長度、不同眼底色素含量動物的視網(wǎng)膜損傷閾值，在特定入射光斑直徑和照射時間條件下，以不同劑量的激光照射新西蘭白兔和青紫蘭灰兔視網(wǎng)膜，于照后1h~24h觀察角膜損傷情況，統(tǒng)計損傷發(fā)生率，采用加權(quán)概率單位法計算損傷發(fā)生率為50%時所對應(yīng)的激光眼內(nèi)入射總能量（TIE）作為損傷閾值ED50。結(jié)果：①對于1319 nm，激光眼軸長度分別為15.97±0.30 mm和17.25±0.22 mm的兩組青紫蘭灰兔，視網(wǎng)膜損傷閾值（TIE）分別為1.05

8、 J和1.72 J。②眼軸長度分別為17.06±0.29 mm和16.95±0.22 mm的青紫蘭灰兔和新西蘭白兔，視網(wǎng)膜損傷閾值（TIE）分別為3.6 J和4.4 J。③照射時間分別0.1 s、1 s和10 s條件下青紫蘭灰兔視網(wǎng)膜損傷閾值分別為1.36 J,6.33 J和28.6 J，經(jīng)過回歸分析，1319 nm激光視網(wǎng)膜損傷閾值在0.1~10 s與照射時間的依賴關(guān)系在雙對數(shù)坐標(biāo)下為ED50=6.31t0.66（R=0.9999）。

9、
　　3.“過渡區(qū)”近紅外激光在眼內(nèi)傳輸?shù)睦碚撚嬎?。方法：建立人、猴和兔眼的四折面模型，采用矩陣光學(xué)方法，計算“過渡區(qū)”近紅外激光能量、光斑和劑量在眼軸方向的變化規(guī)律，根據(jù)“等劑量-等效應(yīng)”原則將兔眼視網(wǎng)膜損傷閾值向人外推。結(jié)果：①對于1318 nm激光，1 mrad發(fā)散度、5 mm光斑直徑條件下，高斯光束在人、猴、兔模型眼內(nèi)的視網(wǎng)膜光斑直徑分別為173.4μm、106.2μm和57.2μm，屈光系統(tǒng)的透過率分別是1.4%、3.2

10、%和6.7%。②角膜入射劑量為1 J/cm2的條件下，人、猴、兔眼視網(wǎng)膜處的照射劑量分別為11.7 J/cm2、70.4 J/cm2和5.1×102 J/cm2。③1319 nm激光損傷人眼視網(wǎng)膜需要的眼內(nèi)入射總能量是兔眼的3.9倍。
　　結(jié)論：①1338 nm激光照射時間為5 ms的條件下，當(dāng)入射光斑直徑小于1 mm時，角膜損傷閾值隨入射光斑的增大迅速減?。划?dāng)入射光斑直徑大于1 mm時，角膜損傷閾值隨入射光斑直徑的增大不再明顯變

11、化。兔眼最易損傷組織隨入射光斑的增大逐漸從角膜變?yōu)橐暰W(wǎng)膜，即當(dāng)入射光斑直徑小于2 mm時更易損傷角膜，而當(dāng)入射光斑直徑大于2 mm時則更易損傷視網(wǎng)膜。②在75 ms~10s范圍內(nèi)，1319 nm激光兔眼角膜損傷閾值隨照射時間的變化規(guī)律服從ED50=128.9t0.36（R=0.997），角膜損傷閾值時間依賴性（回歸直線的斜率）略小于其他中遠紅外光。③“過渡區(qū)”近紅外激光角膜損傷累及全層，損傷修復(fù)的主要特征是角膜上皮細胞的層數(shù)增多、基質(zhì)空

12、泡化和內(nèi)皮細胞的分裂增生。閾值水平的損傷7d~30d基本修復(fù)，超閾值水平損傷照后270d仍未完全修復(fù)。④對于“過渡區(qū)”近紅外激光，眼軸長度對視網(wǎng)膜損傷閾值（TIE）的影響很大，而眼底色素含量的影響則較小。視網(wǎng)膜損傷閾值隨眼軸長度的增大而增大。⑤在0.1~10 s范圍內(nèi)，1319 nm激光視網(wǎng)膜損傷閾值（TIE）隨照射時間的變化規(guī)律服從ED50=6.31t0.66（R=0.9999）?！盁嵬哥R”效應(yīng)對兔眼視網(wǎng)膜損傷閾值隨照射時間的變化規(guī)律