“过渡区”近红外激光眼损伤效应实验和理论研究

发布时间：2018-10-30 12:23

【摘要】：背景和目的:“过渡区”近红外激光指波长在1.3~1.4μm范围内的激光,在该波段内,眼损伤靶部位随着波长的增大由视网膜逐渐变为角膜。该波段在大气和光纤中传输能力强,不但具有重要的国防和军事战略价值,而且在工业、医疗、光通讯等领域有广泛的应用前景,大量相关职业人员将因此面临巨大的眼损伤风险。该波段激光眼损伤效应具有多靶性、延迟性、损伤阈值高和影响因素多等特点,眼损伤阈值匮乏,眼损伤随照射时间、入射光斑等照射条件的定量变化规律及主要影响因素、损伤特点和损伤修复过程尚未阐明。为此,本研究以1319 nm和1338 nm激光典型光源,以“非线性依赖时段”(1 ms-10 s)为重点,通过系统的实验研究和理论模拟来阐明该激光眼(角膜和视网膜)损伤阈值随照射时间的定量变化规律和眼损伤效应的组织病理特点及其时相变化,为该波段激光安全标准的制订提供坚实的理论支撑和实验依据。方法与结果:1.“过渡区”近红外激光角膜损伤效应及规律研究:以新西兰白兔为实验动物,研究不同入射光斑直径1338 nm激光角膜损伤阈值和不同照射时间1319 nm激光角膜损伤阈值。在特定波长、入射光斑直径和照射时间条件下,以不同剂量的激光照射新西兰白兔角膜,于照后1h~24h观察角膜损伤情况,统计损伤发生率,采用加权概率单位法或中值法计算损伤发生率为50%时所对应的激光剂量,即损伤阈值ED50。照后不同时间点观察1338 nm激光不同入射光斑和照射剂量下角膜损伤形态。结果:(1)波长为1338 nm,照射时间为5 ms,角膜光斑直径为0.14 mm、0.3 mm、1.0 mm、2.0mm和3.7 mm条件下的角膜损伤阈值分别为277.3 J/cm~2、61.2 J/cm~2、31.5 J/cm~2、27.0 J/cm~2和27.9 J/cm~2。(2)波长为1319 nm,角膜光斑直径为2 mm,照射时间为75 ms、0.35 s、2 s和10 s条件的角膜损伤阈值分别为51.5 J/cm~2、87.2 J/cm~2、156.3 J/cm~2和311.1 J/cm~2。利用“作用光谱”理论,波长为1338nm、角膜光斑直径2 mm、照射时间为5 ms的角膜损伤阈值(27.0J/cm~2)转换为相同条件下1319 nm损伤阈值为39.4 J/cm~2。经过回归分析,角膜损伤阈值在75 ms~10 s范围内与照射时间的依赖关系在双对数坐标下为ED50=128.9t0.36(R=0.997)。(3)1338 nm角膜损伤累及全层。裂隙灯下,1.5倍阈值水平的角膜损伤斑厚度的增大在照后6h最为明显,照后3d角膜厚度基本恢复后又逐渐减小,至180d仍未恢复正常水平。光镜下,角膜损伤修复开始于照后3d~7d,表现为角膜上皮细胞的旺盛分裂和层数增多,角膜基质内空泡化严重且厚度缩小。照后14d~60损伤修复速度较快,照后90d~270d,损伤修复速度变慢,上皮层细胞层数逐渐减少,趋向正常水平,基质层的空泡化减轻,厚度逐渐增大。阈值剂量损伤在照后30d~60d基本修复,超阈值剂量损伤至照后270损伤仍未完全修复。2.“过渡区”近红外激光视网膜损伤效应及规律研究:确定并比较不同眼轴长度、不同眼底色素含量动物的视网膜损伤阈值,在特定入射光斑直径和照射时间条件下,以不同剂量的激光照射新西兰白兔和青紫兰灰兔视网膜,于照后1h~24h观察角膜损伤情况,统计损伤发生率,采用加权概率单位法计算损伤发生率为50%时所对应的激光眼内入射总能量(TIE)作为损伤阈值ED50。结果:(1)对于1319 nm,激光眼轴长度分别为15.97±0.30 mm和17.25±0.22 mm的两组青紫兰灰兔,视网膜损伤阈值(TIE)分别为1.05 J和1.72 J。(2)眼轴长度分别为17.06±0.29 mm和16.95±0.22 mm的青紫兰灰兔和新西兰白兔,视网膜损伤阈值(TIE)分别为3.6 J和4.4 J。(3)照射时间分别0.1 s、1 s和10 s条件下青紫兰灰兔视网膜损伤阈值分别为1.36 J,6.33 J和28.6 J,经过回归分析,1319 nm激光视网膜损伤阈值在0.1~10 s与照射时间的依赖关系在双对数坐标下为ED50=6.31t0.66(R=0.9999)。3.“过渡区”近红外激光在眼内传输的理论计算。方法:建立人、猴和兔眼的四折面模型,采用矩阵光学方法,计算“过渡区”近红外激光能量、光斑和剂量在眼轴方向的变化规律,根据“等剂量-等效应”原则将兔眼视网膜损伤阈值向人外推。结果:(1)对于1318 nm激光,1 mrad发散度、5 mm光斑直径条件下,高斯光束在人、猴、兔模型眼内的视网膜光斑直径分别为173.4μm、106.2μm和57.2μm,屈光系统的透过率分别是1.4%、3.2%和6.7%。(2)角膜入射剂量为1 J/cm~2的条件下,人、猴、兔眼视网膜处的照射剂量分别为11.7 J/cm~2、70.4 J/cm~2和5.1×102 J/cm~2。(3)1319 nm激光损伤人眼视网膜需要的眼内入射总能量是兔眼的3.9倍。结论:(1)1338 nm激光照射时间为5 ms的条件下,当入射光斑直径小于1 mm时,角膜损伤阈值随入射光斑的增大迅速减小;当入射光斑直径大于1 mm时,角膜损伤阈值随入射光斑直径的增大不再明显变化。兔眼最易损伤组织随入射光斑的增大逐渐从角膜变为视网膜,即当入射光斑直径小于2 mm时更易损伤角膜,而当入射光斑直径大于2 mm时则更易损伤视网膜。(2)在75 ms~10s范围内,1319 nm激光兔眼角膜损伤阈值随照射时间的变化规律服从ED50=128.9t0.36(R=0.997),角膜损伤阈值时间依赖性(回归直线的斜率)略小于其他中远红外光。(3)“过渡区”近红外激光角膜损伤累及全层,损伤修复的主要特征是角膜上皮细胞的层数增多、基质空泡化和内皮细胞的分裂增生。阈值水平的损伤7d~30d基本修复,超阈值水平损伤照后270d仍未完全修复。(4)对于“过渡区”近红外激光,眼轴长度对视网膜损伤阈值(TIE)的影响很大,而眼底色素含量的影响则较小。视网膜损伤阈值随眼轴长度的增大而增大。(5)在0.1~10 s范围内,1319 nm激光视网膜损伤阈值(TIE)随照射时间的变化规律服从ED50=6.31t0.66(R=0.9999)。“热透镜”效应对兔眼视网膜损伤阈值随照射时间的变化规律影响不明显。(6)对于兔眼,照射时间为0.1 s~10s的1319 nm激光在大光斑条件下,角膜损伤阈值恒小于视网膜损伤阈值,即最易损伤靶组织是视网膜;对于人眼,在大光斑入射条件下,照射时间小于1 s时最容易损伤视网膜,而当照射时间大于1 s时则最容易损伤角膜。现有的激光安全标准对于“过渡区”近红外激光照射限制的规定具有充足的安全空间。
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【学位授予单位】：中国人民解放军军事医学科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R779.1

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