"过渡区"近红外激光眼损伤效应的实验研究与理论模拟

Many Peculiarities of ocular damage induced by lasers within "tansition zone" hase been documented in the past few years. However, the quantitive dependence of both corneal and retinal damage thresholds on exposure duration have never been explored.In this project, both experimental study and theoretical simulation of ocular damage induced by near infrared laser within the "transition zone" will be conducted with an 1.319μm laser on rabbit and rhesus. Firstly, the corneal and retinal damage thresholds will be determined for 1ms, 10ms, 100ms, 1s and 10s exposure durations. Secondly, the the thickness of every refractive media layer and the total transmittance will be measured in vivo and the optial parameters for all tissues in vitro. Thirdly, the theoretical model will be constructed for analyzing the laser induced thermal damage effects. With the measured tissue optical parameters, the ocular damage threshold can then be numerically calculated. Finally, based on the established theoretial model, the human ocular damage threshold can be exptroplated from that of rabbit and/or rhesus. The results will provide both theoretial and experimental foundations for laser safety standards.

尽管"过渡区"近红外激光眼损伤效应的多靶性、复杂性已经充分显现，但眼（包括角膜和视网膜）损伤阈值随照射时间的定量变化规律还远未阐明。本项目拟以1.319μm激光为典型光源，以青紫蓝灰兔和恒河猴为实验动物，以"非线性依赖时段"（1ms-10s）为重点，系统开展眼损伤效应的实验研究和理论模拟，包括：①实验研究激光在1ms、10ms、100ms、1s、10s等照射时间下的角膜和视网膜损伤效应，计算损伤阈值并分析其随照射时间的变化规律。②实验测量动物屈光介质各层厚度、总透光率以及角膜、视网膜等各层组织的光学参数。③研究适用于"过渡区"近红外激光眼损伤的理论模型和数值分析方法，结合组织光学参数计算损伤阈值（理论值）。④以理论模拟为基础，建立眼损伤阈值由动物向人外推的比较生物学方法，阐明"过渡区"近红外激光致人角膜和视网膜损伤的基本规律。以上研究将为激光安全标准的制/修订提供坚实的理论支撑和实验依据。

本项目对过渡区近红外激光眼损伤效应进行了试验研究和理论分析。实验确定出了1319nm激光2mm入射光斑75ms、0.35s、2s、10s照射时间以及1338nm激光2mm入射光斑5ms照射时间条件下的家兔角膜损伤阈值ED50，结果为51.5、87.2、156.3、311.1 和27.0 J/cm2, 1338nm激光角膜损伤阈值转换为1319nm激光角膜损伤阈值为39.4 J/cm2，回归分析表明在75ms~10s范围内角膜损伤阈值随照射时间t的变化规律服从指数规律ED50=128.9t0.36（R=0.997）；实验确定出了1319nm激光5mm入射光斑0.1s、1s、10s照射时间以及1338nm激光5mm入射光斑5ms照射时间条件下的家兔视网膜损伤阈值ED50，以总入射能量表示的结果为1.36、 6.33、28.6和0.904 J，1338nm激光视网膜损伤阈值转换为1319nm激光视网膜损伤阈值为0.326 J，回归分析表明视网膜损伤阈值随照射时间t的变化规律服从指数规律ED50 = 6.31t0.66（R=0.9999）；实验确定出1338nm激光在5ms照射时间条件下0.3、1.0、2.0、3.7mm入射光斑直径的角膜损伤阈值，61.2、31.5、27.0、27.9 J/cm2，表明角膜损伤阈值随光班直径的增大迅速降低，当光斑直径增大到1mm以上时，损伤阈值趋于恒定，与5mm光斑5ms照射时间的视网膜损伤阈值（0.904 J）比较分析可知，激光入射光斑直径小于2mm时最容易损伤角膜，光斑直径大于2mm时则最容易损伤视网膜；实验测量了家兔眼屈光介质各层厚度以及眼轴长度随动物年龄的变化，比较了同种动物(青紫蓝灰兔)不同眼轴长度条件下的1319nm激光5mm入射光斑0.1s照射时间条件下的视网膜损伤阈值，结果眼轴长度15.9mm和17.25mm对应的视网膜损伤阈值分别为6.12和9.44 J/cm2，二者有显著性差异；根据实验测定的眼屈光介质结构参数和光学参数进行了损伤理论分析，并根据动物眼损伤阈值外推获得了人眼损伤阈值随照射时间变化规律，结果表明1319nm激光5mm入射光斑条件下，照射时间小于1 s时人眼视网膜损伤阈值低于角膜，而当照射时间大于1 s时人眼视网膜损伤损伤阈值高于角膜。上述研究界为过渡区近红外激光安全标准的制订提供坚实的实验依据。