模擬艦艇沖擊運動對不同姿勢兔傷情的實驗研究

陳佳海，胡 明，徐 成，劉立洋，王 靜，巨圓圓，阮狄克，王德利，何 勍

水面艦艇是現代海戰中重要的作戰力量之一。海戰中，水面艦艇可能受到水下炸彈(水雷、魚雷、深水炸彈)的攻擊，這種非接觸性的爆炸可引起艦艇的強烈沖擊，尤其以垂直向上的沖擊運動最為劇烈，即艦艇沖擊運動，這樣的沖擊作用可造成艦艇儀器設備的損壞及艦員的損傷[1]，甚至危及生命，嚴重影響艦艇戰斗力；再加上艦艇上醫療救治力量薄弱，因此，早期、全面認識艦艇沖擊傷，并積極采取有效措施對預防損傷、減少戰斗減員意義重大。柯文琪等[2-4]在模擬艦艇沖擊運動對動物損傷方面做了許多工作，Zong和Lam[5]報道了坐姿條件下的生物力學研究，李新嶺等[6]報道了模擬水下爆炸對艙室內大鼠顱腦損傷的研究，該研究以背靠位，模擬坐姿進行模擬研究，然而僅局限在顱腦損傷方面。本研究通過模擬艦艇沖擊運動，觀察實驗動物分別在臥姿及模擬坐姿下受到艦艇沖擊運動后的損傷情況，對損傷的傷情進行分析歸納，同時對損傷的臟器和組織進行解剖學及病理學觀察，以期為進一步了解艦船沖擊傷提供動物實驗依據。

1 材料與方法

1.1 實驗動物與分組 雄性新西蘭兔40只，體重2.0～2.5 kg，來源于海軍總醫院實驗動物中心[SCXK-(京)-2012-0004]，以隨機數表法隨機分為對照組(A組)，輕度沖擊臥姿組(B組)和重度沖擊臥姿組(C組)，輕度沖擊坐姿組(D組)和重度沖擊坐姿組(E組)，共5組，每組8只。

1.2 實驗方法 采用海軍某研究院沖擊機(最高速度5 m/s)，輕度沖擊速度約2.5 m/s，重度沖擊速度約4.8 m/s，對照組放在沖擊機邊上。臥姿組：以速眠新Ⅱ0.08 mL/kg鎮靜，讓兔以臥姿趴在沖擊平臺上；坐姿組：以速眠新Ⅱ0.08 mL/kg鎮靜，將兔固定在特制的座椅上，盡量模擬人的正常坐姿(圖1)，然后分別以相應的沖擊速度沖擊1次。

A:臥姿; B:模擬坐姿圖1 在沖擊平臺上的實驗兔

1.3 觀察指標 每次沖擊后將動物帶回海軍總醫院實驗動物中心，動物蘇醒后觀察實驗動物的一般狀態，包括意識、反應力及進食情況。記錄實驗動物的活動情況，評價D組、E組(坐姿組)兔的活動情況。采用改良Jacob’s評分法[7]，將兔后肢肌力分為6級。0級：完全癱瘓(針刺無反應)；1級：最小機能性運動(肌肉搐動)，嚴重癱瘓；2級：有機能性運動(受累肢體可負重)，無法雙足跳動(跛行)；3級：能齊足跳動，較重共濟失調和輕癱；4級：能齊足跳動，輕度共濟失調和(或)輕癱(奔跑但不夠靈活)；5級：正常狀態。傷后3 h左右以速眠新Ⅱ0.08 mL/kg鎮靜后行X線檢查，然后以股動脈放血方法處死動物，進行傷情分析。重點觀察動物的肺、心、肝、腎、胃腸道、膀胱、睪丸、脊柱及脊髓損傷情況，按照柯文琪等[2]的評定方法進行傷情評定：輕度損傷為少數散在的點狀出血；中度損傷為多數密集點狀出血或少數散在片狀出血；重度損傷為多數廣泛片狀或條狀出血；極重度損傷為內臟器官破裂或胸腹腔積血，實驗動物的解剖由2名醫生分別進行，按照大體外觀、胸腔臟器、腹腔臟器、脊柱脊髓的順序解剖死亡動物，確定傷情嚴重程度由2名醫生和1名病理醫生判斷，并逐一進行詳細記錄，如存在爭議3人協商后確定。

1.4 統計學處理 應用SPSS 21.0軟件，采用描述性統計方法分析傷亡率，對等級資料采用非參數檢驗方法進行統計分析，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 實驗動物的總體傷情分析 實驗動物共有40只，均無即刻死亡，E組有1只沖擊后即刻發生尿失禁，出現腰椎后凸畸形，其余實驗動物無明顯出血，大小便失禁及畸形出現，2 h后兔恢復清醒，C、E組反應力稍差于B、D組，對坐姿狀態下兔的活動情況采用改良Jacob’s評分法進行評分(表1)。

表1 坐姿狀態下兔活動情況評分

3 h后對實驗動物行X線檢查，隨后處死動物，進行大體解剖，解剖后的損傷情況見表2，臥姿沖擊時以發生肺、肝沖擊傷為主，而坐姿沖擊時則以睪丸及脊柱損傷為主，總體損傷情況好于臥姿狀態。臥姿狀態下肺損傷表現為無損傷到極重度損傷(圖2)，肝臟損傷表現為無損傷到重度損傷(圖3)，其中有1只動物發生椎體爆裂骨折、椎間盤破裂(圖4B、4C)，導致脊髓損傷致截癱。睪丸損傷表現為睪丸表面淤血、水腫(圖5C)。B組損傷率為75%，而C組損傷率為87.5%；D組損傷率為25%，E組損傷率為37.5%。

表2 實驗動物大體解剖結果[n(%)]

A:正常肺組織;B：輕度損傷;C：中度損傷;D：重度損傷;E：極重度損傷圖2 肺損傷程度的分級

A：正常肝臟組織；B：輕度損傷；C：重度損傷圖3 肝損傷程度的分級

A：正常脊柱；B：脊柱爆裂骨折；C：上終板破裂；D：正常與損傷椎間盤對比圖4 脊柱損傷程度

A：輕度睪丸損傷；B：中度睪丸損傷；C：重度睪丸損傷圖5 睪丸損傷程度的分級

2.2 病理檢查 組織的蘇木精—伊紅染色法染色(圖6)。損傷肺可見部分肺泡萎陷，部分肺泡間隔破裂，部分肺泡腔中有較多紅細胞和少量白細胞聚集，以肺表面為主(圖6C)；肝臟組織可見部分肝竇及中央靜脈擴張，紅細胞顯著增多(圖6D)。

2.3 不同沖擊強度的傷情對比分析

2.3.1 臥姿狀態下不同沖擊強度兔傷情的比較 為進一步比較臥姿條件下不同沖擊強度對實驗兔的損傷情況，分別統計肺損傷和肝損傷的累計例數，并計算百分率(表3)。在肺損傷方面，B、C組肺損傷的發生率分別為75%和87.5%，損傷的發生率均高于A組；對損傷程度的分布進行非參數統計檢驗，B組與A組、C組與A組肺損傷的損傷程度分布不同(P=0.001、P=0.004)，而B組與C組肺損傷分布差異無統計學意義(P=0.234)。在肝損傷方面，B組與C組肝損傷的發生率分別為12.5%和37.5%，同樣高于A組；然而不同組在不同沖擊強度下肝損傷分布差異均無統計學意義(P=0.317、P=0.118、P=0.407)。

A：正常肺；B：正常肝；C：損傷肺；D：損傷肝圖6 蘇木精—伊紅染色組織的病理

損傷臟器組別損傷動物無損傷輕度中度重度極重度發生率(%)肺損傷A組B組C組8210320220120010.075.087.5肝損傷A組B組C組8750120000010000.012.537.5

2.3.2 模擬坐姿狀態下不同沖擊強度兔傷情比較為進一步比較模擬坐姿條件下不同沖擊強度對實驗兔的損傷情況，分別統計脊柱損傷與睪丸損傷的累計例數，并計算百分率，結果見表4。D、E組脊柱損傷的發生率分別為25.0%和25.0%，睪丸損傷發生率分別為12.5%和25.0%，E組2種損傷的發生率高于D組。對脊柱損傷程度的分布進行非參數檢驗(P=0.317、P=0.144、P=0.487)，對睪丸損傷程度的分布進行非參數檢驗(P=0.317、P=0.144、P=0.441)，可認為實驗動物在不同沖擊強度下，脊柱損傷與睪丸損傷各組損傷程度分布之間的差異均無統計學意義。

表4 模擬坐姿狀態下不同沖擊強度兔傷情的比較[n(%)]

2.4 不同姿勢的傷情對比分析

2.4.1 輕度沖擊狀態下臥姿與模擬坐姿的傷情比較 我們對輕度沖擊條件下不同姿勢的損傷情況進行了統計分析(表5)。臥姿和坐姿的肺損傷的發生分別為75%和0%，肺損傷程度分布差異有統計學意義(P=0.004)；而肝損傷、脊柱損傷、睪丸損傷程度分布差異均無統計學意義(均為P=0.317)。臥姿狀態下無脊柱及睪丸損傷的情況，而坐姿狀態下未見明顯肺損傷及肝損傷的情況。可見在不同的姿勢條件下出現不同的傷情，臥姿組以胸腹部臟器損傷為主，而坐姿組則以脊柱及睪丸損傷為主。

表5 輕度沖擊作用下不同姿勢兔傷情的比較[n(%)]

2.4.2 重度沖擊條件下臥姿與模擬坐姿兔傷情比較 類似的，統計分析了重度沖擊條件下不同姿勢的兔損傷情況(表6)，結果與輕度沖擊條件下的傷情類似。C組和E組的肺損傷的發生率分別為87.5%和0，對肺損傷程度分布進行統計分析，差異有統計學意義(P=0.001)，可見其損傷程度分布不同；而輕度和重度中級組在肝損傷、脊柱損傷和睪丸損傷之間差異無統計學意義(P=0.239、P=0.144、P=0.144)。在實驗中還發現E組出現了1例肝損傷，不同體位的損傷臟器類型有所區別。

表6 重度沖擊作用下不同姿勢兔傷情的比較[n(%)]

3 討論

水下非接觸爆炸可對艦艇造成劇烈的沖擊，導致艦艇自下而上劇烈的起伏運動，這樣的沖擊運動可引起艦艇裝備的損壞及人員的傷亡[1]。艦艇沖擊運動本質上屬于固體沖擊波，沖擊波通過艦船體引起強烈的震動，傳遞至艦員而引起損傷效應，即艦船沖擊傷。多數學者認為,艦艇沖擊對機體的損傷作用包括水下爆炸引起艦艇甲板向上運動的加速與向下運動時造成的減速2個階段所產生的沖擊作用[8]。加速與減速階段均可引起內臟損傷,其損傷特點一般表現為臟器出血,嚴重者可引起內臟破裂、大血管斷裂等。加速階段時機體因受自身的慣性力作用而處于初始壓縮狀態，易使骨骼產生壓縮性損傷；減速階段時機體因受向上的慣性力作用而處于飛離狀態,易發生碰撞損傷及跌落損傷。由于器官組織的質量不同，慣性不一，位移速度也有所差異，致使器官與骨骼、韌帶、肌肉之間或者器官相互之間發生摩擦、碰撞、擠壓和牽拉,造成內臟器官出血撕裂等損傷[9]。艦船沖擊損傷的嚴重程度和作用與機體的沖擊加速度大小以及作用時間有密切關系，柯文琪等[2]組織了一系列艦船沖擊傷的動物實驗及模擬人實驗，建立了數學模型，制定了GJB 2689—96《水面艦艇沖擊對人體作用安全限值》標準，奠定了艦船沖擊傷方面的研究基礎。該模型選取站姿為標準姿勢，依據實船水下爆炸動物效應實驗[2]、模擬艦艇沖擊動物實驗[9]及人體骨骼靜態及動態抗壓數據[10]。劉新祥[11]建立了坐姿非線性人體模型，用來計算坐姿人體受到的沖擊力量，該模型采用的驗算數據基于1966年美國David Taylor船池的真人沖擊試驗結果[12]，由于軍事保密的原因，很多進一步的數據無法獲得。在艦船沖擊運動對坐姿艦員損傷研究方面，黃建松等[13-14]先通過數學模型來推導胸腰椎的運動方程，再通過尸體骨骼研究對胸腰椎模型進行蠕變試驗和應力松弛試驗，通過方程計算和試驗結果進行比對，獲得相應的方程式，這些研究主要基于力學推導和尸體研究，對坐姿狀態下傷情未能獲得相應的具體傷情和病理改變，艦船沖擊傷目前可獲取的既往資料有限，真人試驗存在很大的風險，動物實驗中主要以自然體位為主[15]。而且在軍事操演中，對爆炸采取的躲避姿勢，或者在站姿情況下艦船受到沖擊之后，艦員最常發生的往往是摔倒，此時的二次艦船沖擊對艦員的損傷就會出現臥姿的情形，臥姿在艦船受到沖擊后導致的損傷情況在以前的研究中均以自由體位方式進行[1,15]，自由體位下兔子呈蹲姿狀態，而狗、山羊等動物則四肢著地，難以正確模擬人臥姿的情況。基于此，為進一步探究艦船沖擊對臥姿及坐姿狀態下的傷情設計本實驗。在模擬艦船沖擊運動方面，采用海軍某研究院的新型沖擊機，該沖擊機模擬的運動曲線為雙半正弦沖擊波，各項指標符合實驗要求[16-17]。

從本研究可得知不同的姿勢狀態下的傷情不同，在臥姿狀態下，肺損傷總體發生率81.25%，肝損傷發生率25%，而坐姿狀態下，脊柱損傷發生率25%，睪丸損傷發生率18.25%。臥姿狀態下主要出現的損傷是肺損傷和肝損傷，發生肺損傷的動物多于發生肝損傷的動物，其中肺損傷重度組和輕度組之間差異無統計學意義，肝損傷重度組和輕度組之間差異無統計學意義，這可能與損傷程度較輕和實驗動物較少有關，這2種損傷均為常見損傷。出現肺損傷的情況多于肝臟損傷，這與李政年等[3]的研究類似。在中-重度的肺損傷中可發現平行肋骨的出血條紋的出血點，艦船沖擊傷導致的血性壓痕考慮可能與肺受限于骨性胸腔結構，胸腔受到沖擊后發生變形，同時肺撞擊在胸腔背側，損傷的發生也主要以背側為主，考慮血性壓痕來源于肋骨的可能性大，更明確的機制還需要進一步研究。在模擬坐姿狀態下主要出現脊柱損傷和睪丸損傷。本研究中，為了更好的模擬人的坐姿，我們將兔子的尾巴從設計的座椅中拿出，雖然發生脊柱及睪丸損傷的例數比較少，但最嚴重的脊柱損傷可致椎體爆裂骨折，動物截癱，椎間盤終板破裂，雖然從統計學分析與對照組差異無統計學意義，然而這樣損傷的發生不是偶然的，需要引起重視。同時，重度沖擊下睪丸損傷發生率12.5%，睪丸水腫，出血明顯，這是首次發現的睪丸損傷。既往研究動物均采用自由體位，兔子在自由體位情況下類似人的蹲姿，受力點是上下肢。在預實驗中發現兔在清醒狀態時，睪丸未觸及沖擊平臺，脊柱則處于水平位，因此需要坐位才能更好模擬人體在坐姿狀態下的傷情。本研究出現的損傷提示在艦船座椅的設計上要增加軟墊的厚度，對預防和減輕脊柱及睪丸損傷具有一定意義。不同姿勢下的艦船沖擊傷傷情各有特點，相比而言，臥位沖擊傷傷情重于坐位，傷情隨著沖擊強度增加而增強。這在預防沖擊傷方面，在預知可能發生水下爆炸的情況下及時采用坐姿可減少一定程度的損傷，而發生艦船沖擊傷的情況下，在有限緊急的戰時環境，了解受傷時的姿勢對預防和判定傷情具有重要意義。

本研究的局限性：①為盡量模擬臥姿狀態和將動物妥善固定在特制的座椅上，將實驗動物鎮靜，這可能導致相應損傷程度的增加；②參照GJB 2689—96《水面艦艇沖擊對人體作用安全限值》標準，本研究只選取2個沖擊強度，2.5 m/s和4.8 m/s，且僅沖擊1次，出現的損傷比較少，可能對統計分析有一定影響。

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