光环境对不同视力者视觉绩效的影响

陈剑政，陈 涛，苏玉婷，江 川，许馨月，张作明

0 引言

人类感知的外界信息80%来自视觉系统，而飞行主要是在视觉引导下的活动[1]，为此民航或外军要求飞行员在飞行时视力(裸眼、戴镜或手术矫正)必须≥1.0[2-3](小数视力)。按照目前我军的《飞行人员体格检查标准》，飞行人员的视力标准低于1.0，轰炸机、运输机飞行人员可以降到0.6甚至0.4[1]。但是，随着全天候、全空域作战方式的转变，飞行光学环境从正午阳光到曙暮光和云上光，复杂的光照变化可能对飞行员尤其是视力低于正常飞行员的视觉绩效产生明显的影响。因此，深入验证并分析光环境对于不同视力者视觉绩效的影响，有利于优化我军飞行人员视力检查标准，对于保障飞行安全、提高战斗力具有十分重要的现实意义。

1 对象和方法

1.1对象本研究为随机对照研究。招募24名志愿者，男性，年龄19～34(平均25.84±4.31)岁，排除屈光不正手术史、色盲、色弱、青光眼和糖尿病视网膜病变等眼部器质性疾病。其中6名受试者单眼裸眼远视力≥1.0，另18名受试者单眼裸眼远视力<1.0，根据军队飞行人员视力检查标准，所有受试者满足近视度数≤-2.00D，远视度数≤+2.50D，散光度数≤1.00D且最佳矫正视力≥1.0。本研究经空军军医大学西京医院伦理委员会审核批准，所有受试者均知情同意并签署知情同意书。

1.2方法

1.2.1试验环境课题组试验室通过标准化灯光照明系统，可完成日光(1500lx、5000K)、曙暮光(15lx、3000K)和云上光(750lx、5000K)等全光谱飞行光学环境的模拟(照度和色温为受试者眼前5cm处测得)。受试者座位前下方放置2块55cm×55cm的全光谱灯模拟云上光环境。

1.2.2试验仪器采用自动验光仪(TOPCON KR-8100PA)验光，采用无背光标准对数远视力表(人民卫生出版社)检测静态远视力，采用深度觉计和视觉测试软件系统(空军军医大学航空航天临床医学中心)检测深径觉误差、动态视力(kinetic visual acuity，KVA)和视觉搜索时间，采用Farnsworth-Munsell 100色棋检测色觉误差。

1.2.3试验设计本试验的目的是通过模拟3种飞行光学环境，比较不同视力和光学环境对视觉绩效的影响。采用两因素多水平试验设计，因素一为4种不同视力(组间因素)，因素二为3种不同的光学环境(组内因素)。因变量为双眼最佳静态远视力、动态视力、色觉误差、深径觉误差和视觉搜索时间。

1.2.4试验方法受试者验光后在350lx均匀标准照度下检查视力，通过配镜将单眼视力<1.0受试者的右眼/左眼视力就近矫正为0.8/0.8、0.6/0.6和0.4/0.4。将24名受试者根据右眼/左眼视力分为1.0/1.0、0.8/0.8、0.6/0.6和0.4/0.4共4组，每组6人，分别在日光、曙暮光和云上光3种模拟光环境下依次进行以下视觉指标的检测。受试者在每种模拟光环境下适应5min后开始试验。在曙暮光环境试验前，受试者需额外完成10min暗适应。所有试验由同一主试者完成，试验前让受试者进行充分练习以消除学习效应。每种光学环境下的动态视力、色觉和深径觉误差各测量3次，取平均值。

1.2.5观察指标

1.2.5.1双眼静态远视力受试者矫正为相应视力后，在3种光环境下检测双眼最佳静态远视力。检测结果转换为最小分辨角对数(LogMAR)视力进行统计分析。

1.2.5.2动态视力视标“E”始终在75cm×121cm大小的屏幕中心，尺寸由小变大，模拟物体从50m距离以15km/h的运动速度向受试者飞近，受试者在距离屏幕5m处判断视标开口方向并做出反应，判断正确的最小视标对应受试者的动态视力。检测结果转换为LogMAR视力进行统计分析。

1.2.5.3色觉误差将Farnsworth-Munsell 100色棋分为蓝、紫、绿、红4组颜色并随机排列，受试者座位距色棋70cm，主试者根据随机数表随机抽取1个色棋，受试者观察后选择颜色与其最接近的色棋，两色棋的序号差值为色觉误差。

1.2.5.4深径觉误差深度觉计上的2根滑杆初始水平位置相同，主试者根据随机数表控制1号杆随机纵向移动一定距离，要求受试者坐于5m远处移动2号杆到同一水平位置，两杠间的纵向距离差即为深径觉误差。

1.2.5.5视觉搜索时间视标“E”在屏幕任意位置出现28次，间隔时间随机，受试者在2m远处于75cm×121cm的屏幕上寻找0.2908cm×0.2908cm大小的视标(相当于1.0视力)并且判断视标开口方向。记录受试者做出正确判断的平均反应时间。

2 结果

2.1不同视力者在不同光环境下双眼静态远视力的变化不同光环境下静态远视力的主效应差异具有统计学意义(F组内=189.71，P组内<0.001)，不同视力者静态远视力的主效应差异有统计学意义(F组间=67.290，P组间<0.001)，视力与光环境之间不存在交互作用(F交互=0.385，P交互=0.938)。不同光环境下双眼静态远视力两两比较，差异均有统计学意义(P<0.05)，其中日光下双眼静态远视力最高，标准照度高于云上光，曙暮光下最低。不同视力组间双眼静态远视力两两比较，差异均有统计学意义(P<0.05)，其中1.0/1.0组双眼静态远视力最高，0.8/0.8组高于0.6/0.6组，0.4/0.4组最低，见表1。

表1 不同视力者在不同光环境下双眼静态远视力的变化

2.2不同视力者在不同光环境下动态视力的变化不同光环境下KVA(15km/h)的主效应差异具有统计学意义(F组内=7.287，P组内=0.004)，不同视力者KVA(15km/h)的主效应差异有统计学意义(F组间=24.301，P组间=0.003)，视力与光环境之间存在交互作用(F交互=3.940，P交互=0.003)，表明不同视力者KVA在不同光环境下变化的趋势不同。在3种光环境下，与1.0/1.0组、0.8/0.8组比较，0.6/0.6组、0.4/0.4组KVA显著降低，差异均有统计学意义(P<0.05)。在0.4/0.4视力组，与日光环境相比，曙暮光、云上光环境下KVA显著降低，差异均有统计学意义(P<0.01)，见图1。

图1 不同光环境下的动态视力变化 aP<0.05 vs 相同光环境下1.0/1.0组；cP<0.05 vs 相同光环境下0.8/0.8组；fP<0.01 vs 0.4/0.4组日光环境。

2.3不同视力者在不同光环境下色觉误差的变化不同光环境下蓝色、紫色、绿色、红色色觉误差的主效应差异有统计学意义(F组内=43.979、13.833、43.706、22.450，均P组内<0.001)，不同视力者蓝色、紫色、绿色、红色色觉误差的主效应差异均无统计学意义(F组间=1.173、2.278、0.439、1.012，均P组间>0.05)，光环境与视力也均不存在交互作用(F交互=0.241、0.580、0.491、2.453，均P交互>0.05)，见图2。与日光环境相比，曙暮光、云上光下蓝色、紫色色觉误差显著增大，差异有统计学意义(P<0.01)。不同光环境下绿色、红色色觉误差两两比较，差异均有统计学意义(P<0.05)，其中日光下绿色、红色色觉误差最小，云上光次之，曙暮光最大，见图3。

图2 不同光环境下的色觉误差变化 A：蓝色色觉误差；B：紫色色觉误差；C：绿色色觉误差；D：红色色觉误差。

图3 不同颜色的色觉误差变化 aP<0.05 vs 日光；cP<0.05 vs 曙暮光。

2.4不同视力者在不同光环境下深径觉误差的变化不同光环境对深径觉误差的主效应差异有统计学意义(F组内=13.892，P组内<0.001)，不同视力者深径觉误差的主效应差异有统计学意义(F组间=7.935，P组间=0.001)，视力与光环境之间不存在交互作用(F交互=1.803，P交互=0.123)。不同光环境下深径觉误差两两比较，差异均有统计学意义(P<0.05)，其中日光下深径觉误差最小，云上光次之，曙暮光最大。与1.0/1.0组和0.8/0.8组比较，0.6/0.6组、0.4/0.4组深径觉误差显著增大，差异均有统计学意义(P<0.05)，见表2。

表2 不同视力者在不同光环境下深径觉误差的变化

2.5不同视力者在不同光环境下视觉搜索时间的变化不同光环境下视觉搜索时间的主效应差异有统计学意义(F组内=6.103，P组内=0.005)，不同视力者视觉搜索时间的主效应差异有统计学意义(F组间=6.905，P组间=0.002)，视力与光环境之间不存在交互作用(F交互=0.900，P交互=0.504)。与日光环境相比，曙暮光、云上光下视觉搜索时间显著增加，差异均有统计学意义(P<0.05)。与1.0/1.0组相比，其余各组视觉搜索时间均增加，且0.6/0.6组、0.4/0.4组视觉搜索时间显著增加，差异均有统计学意义(P<0.05)；与0.4/0.4组相比，0.8/0.8组、0.6/0.6组视觉搜索时间显著减少，差异均有统计学意义(P<0.05)，见表3。

表3 不同视力者在不同光环境下视觉搜索时间的变化

3 讨论

现代空战是全天候、全空域作战，飞行员必须具备昼间、夜间及各种复杂气象条件下起飞作战的能力。在不同的气象条件，飞机外部光照变化范围可以相差10～12个数量级[4]。目前研究表明，光线环境会对注意力、学习和工作表现造成影响[5-6]，光源的照度及色温会对视觉舒适度、知觉和认知表现产生影响[7-11]。但是，既往研究多集中于室内办公或学习的光线环境，本课题组选取并模拟了3种具有代表性的飞行光学环境，即日光、曙暮光和云上光环境。从试验结果分析得知，日光下的双眼静态远视力、深径觉能力、绿色及红色辨别能力最高，云上光次之，曙暮光最低。与日光环境相比，曙暮光、云上光下蓝色及紫色辨别能力和视觉搜索能力显著下降。在0.4/0.4视力组，曙暮光、云上光环境下动态视力显著低于日光环境。可见，在曙暮光、云上光环境飞行时，人眼的视觉功能、视觉绩效有所下降，影响飞行安全和作战效能。有研究表明，不利的光环境会造成飞行员的不安全行为，使飞行员判读、操作的错误率提高[12]。国外飞行事故资料统计分析显示，“人为差错”造成的事故占全部事故的40%，直升机达70%，而不利光环境引起的视觉功能下降是造成“人为差错”的直接原因之一[13]。本试验模拟的云上光环境下双眼静态远视力显著低于日光环境。因为云上飞行时，大量光线由下向上反射，使人产生“上暗下亮”的感觉，同时影响视网膜成像而使视力下降[1]。飞行人员进入云上飞行后，应集中注意力以减少错觉的发生，多借助雷达搜索以减少目视搜索时间，同时配戴好护目镜，避免长时间的云上飞行和注视下方云层，防止产生眩光[14]。与日光环境相比，曙暮光环境下色觉辨别能力下降明显。在日光环境，只有视锥细胞起作用，而曙暮光环境处于中间视觉亮度水平，人眼的视锥和视杆细胞相互作用，有文献表明视杆细胞作用的增加会降低颜色的辨别能力[15]，这与本研究结果相符。

视力是选拔飞行员的首要条件，良好的视力对于飞行安全的重要性不言而喻[16-17]。但是，近年来，我国近视患病率居高不下[18]，屈光不正已成为我军飞行人员停飞最常见的眼科疾病[19-20]。从起飞到着陆的整个飞行过程中，飞行员要随时观察仪表的变化情况和舱外的各种目标，如天地线、地形、地貌及地标等。着陆时，视力好的飞行员可以在较远的地方看清跑道，较早建立目视参考，而视力差的飞行员其看清跑道的距离就大大缩短。由于视觉运动反应时间的生理限制和操纵飞机的时间限制而对迎面物体来不及看清或回避的空间距离，称为“空中盲距”[1]。飞机飞行的速度越快，空中盲距越大，尤其对视力低于正常的飞行员，而不利的光环境会延长视觉运动反应时间，进一步加大空中盲距，发生事故的风险也会成倍增加。因此，外军要求飞行人员飞行时的裸眼或矫正视力≥20/20(相当于小数视力1.0)。如美国空军要求飞行学员裸眼视力不得低于20/70(矫正视力≥20/20)，领航学员的裸眼视力不得低于20/200(矫正视力≥20/20)；陆军直升机飞行员裸眼视力不得低于20/50(矫正视力≥20/20)；海军陆战队飞行员的裸眼视力不得低于20/40(矫正视力≥20/20)[2]。然而，我军飞行人员的视力标准低于1.0，有的放宽到0.6甚至0.4，且目前并未允许戴镜飞行或可通过手术矫正屈光不正的相关规定。

本研究结果显示，同1.0/1.0视力组比较，0.6/0.6、0.4/0.4视力组双眼静态远视力、深径觉能力、视觉搜索能力和动态视力显著下降。深径觉亦称“立体知觉”或“距离知觉”，是对物体的立体或不同物体远近的知觉，是用眼辨别物体空间方位、深度、凸凹等相对位置的能力。飞行人员在飞机着陆、编队飞行和空中加油等操作过程中均涉及距离的判断，而屈光不正可造成深径觉功能下降[21]，威胁飞行安全。视觉搜索能力是自由空战尤其近距空战胜负的关键因素，直接影响飞行员的战斗力。动态视力是指辨识移动物体细微部分的一种运动视觉能力，对涉及快速移动物体的视觉运动表现(如飞行)至关重要，直接影响运动状态下工作任务的完成质量。Palidis等[22]在对棒球队员(视力正常或矫正视力正常)的动态视力研究中发现，当物体以50°/s的角速度运动时，静态视力与动态视力显著相关。与之不同的是，本研究发现与正视眼人群相比，近视人群的动态视力下降明显，并会受到周围光环境的叠加影响。

综上所述，飞行人员的视力下降会严重影响飞行时搜索敌机、辨别目标和判断距离的能力，危及飞行安全，降低作战效能。据此，建议我军飞行人员应该在保持正常视力情况下执行作训任务，即应该提高目前我军飞行人员现行的视力标准以满足战机在复杂多变的光环境下作训飞行的客观需求。对于不能满足正常视力标准的，应该尽快出台允许飞行人员配戴矫正眼镜或通过屈光手术矫正视力的政策。当然，本研究存在一定的局限性：(1)试验模拟的光学环境与真实的飞行环境存在一定差异；(2)受试者的左右眼矫正视力相同，而飞行人员的左右眼视力可能存在不同或差异较大的情况。因此，尚需进一步加强环境模拟和丰富试验对象，完善研究。