模擬艦船沖擊運動對坐姿狀態下兔腰椎間盤損傷效應的研究

陳佳海，阮狄克，胡 明，徐 成，劉立洋，王 靜，巨圓圓，李 軍

水面艦艇是現代海戰中至關重要的作戰力量之一，在海戰中，當水面艦艇受到水下炸彈(水雷、魚雷、深水炸彈)的攻擊時，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，即艦船沖擊運動，這樣的沖擊作用可造成艦艇儀器設備的損害及艦員的損傷[1]，甚至危及生命，嚴重影響艦艇戰斗力。坐姿是艦員在艦艇上的一種常見姿勢，Zong和Lam[2]通過建立集中參數系統模擬研究垂向沖擊時對坐姿人體的生物動力響應；黃建松等[3]建立椎間盤的應力松弛和蠕變實驗，這些研究主要采用力學推導，關于艦艇沖擊運動對坐姿狀態下動物的實驗研究及損傷效應的研究尚未見相關報道。我們前期研究已經證明脊柱損傷是坐姿狀態下的常見傷情之一[4]，為進一步研究兔在艦船沖擊后損傷效應的變化規律，本實驗研究艦船沖擊運動對坐姿狀態下兔腰椎間盤損傷及腰椎間盤退變的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗動物與分組 雄性新西蘭兔20只，4月齡，體質量2.5～3.0 kg，由中國人民解放軍總醫院第六醫學中心動物實驗中心提供，編號：[SCXK-(京)2012-0004]，動物實驗經中國人民解放軍總醫院第六醫學中心倫理委員會核準[醫倫字(2015)085號]。實驗動物按隨機數表法隨機分為3組：對照組(A組，4只)，輕度沖擊組(B組，8只)，重度沖擊組(C組，8只)。

1.2 沖擊方法 采用海軍某研究院的沖擊機(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。沖擊組：先以速眠新Ⅱ 0.08 mL/kg鎮靜，然后將兔固定在特制的座椅上，盡量模擬人的坐姿狀態(圖1)。分別以2.5 m/s和4.8 m/s沖擊1次，沖擊后觀察10 min兔的反應后，隨后將兔帶回動物實驗中心觀察。

圖1 模擬坐姿狀態的實驗動物

1.3 X線檢查 沖擊后3 h，以速眠新Ⅱ 0.08 mL/kg鎮靜兔后于我院放射科行X線檢查。

1.4 磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)檢查 沖擊后第1周、第4周及第12周時對兔行MRI檢查，用速眠新Ⅱ 0.15 mL/kg將兔麻醉后取仰臥位，以腰部為中心，將獲得的影像資料由2位盲化的高年資醫師閱片并對椎間盤髓核采用Pfirrmann分級標準進行分級[5]，若有分歧時則討論后決定。分析比較不同組別動物在不同時刻腰椎間盤的Pfirrmann分級。

1.5 大體解剖及組織學檢查 所有動物于沖擊后第12周時以速眠新Ⅱ 0.15 mL/kg麻醉，采用股動脈放血的方法處死后進行解剖，觀察兔腰椎間盤損傷情況。腰椎間盤的處理：根據MRI檢查結果先判斷出可能損傷的腰椎間盤，用微型鋸將兔L5-S1椎間盤連同軟骨終板鋸下，立即以10%福爾馬林固定1周，于Perenyi’s脫鈣液中脫鈣1周，脫鈣后行蘇木精-伊紅(hematoxylin-eosin,HE)染色和天狼星紅染色，在普通光鏡下觀察腰椎間盤的組織結構，天狼星紅染色則通過偏振光鏡觀察膠原纖維的變化。

1.6 統計學處理 采用SPSS 21.0軟件，等級資料的比較采用Mann-WhitneyU檢驗，以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 沖擊后兔的一般狀況 沖擊后無即刻死亡的動物，實驗動物均出現明顯的受驚反應，未見二便失禁及肢體功能障礙，實驗過程中B組死亡2只；C組死亡1只。

2.2 X線檢查 所有兔均未發生骨折。

2.3 MRI檢查 在傷后第1周、第4周和第12周時對兔行腰椎MRI檢查，圖2為MRI的T2加權像，a為正常對照組腰椎間盤，b為重度沖擊組發生退變的腰椎間盤(L7-S1)。對照組、輕度沖擊組和重度沖擊組兔的腰椎間盤Pfirrmann分級情況見表1，對照組與輕度沖擊組、重度沖擊組比較，差異比較有統計學意義(P<0.05)；而輕度沖擊組和重度沖擊組比較，差異比較無統計學意義(P>0.05)。沖擊后第1周、第4周及沖擊后第12周兔的腰椎間盤Pfirrmann分級情況如表2，沖擊后第1周和第4周時差異比較無統計學意義(P>0.05)，沖擊后第4周、第12周分別與沖擊后第1周時比較，差異比較具有統計學意義(P<0.05)，沖擊造成了坐姿狀態下兔的腰椎間盤發生了退變。

a：對照組；b：重度沖擊組圖2 兔腰椎間盤MRI隨時間的變化

檢查時間A級B級C級D級E級對照組207100輕度沖擊組1029300重度沖擊組1529500

注：對照組和輕度沖擊組的比較，U=-3.734,P<0.001；對照組和重度沖擊組的比較，U=-3.343,P=0.001；輕度和重度沖擊組的比較，U=-0.358,P=0.700

表2 不同時刻沖擊組動物的L1-S1(共7個)椎間盤Pfirrmann分級情況(個)

注：沖擊后第1周與第4周比較，U=-1.456，P=0.145；沖擊后第1周和第12周比較，U=-4.380，P<0.001；沖擊后第4周和第12周比較，U=-3.013，P=0.003

2.4 腰椎間盤的組織學染色檢查 典型的L7-S1椎間盤正中矢狀位剖面見圖3，其HE染色見圖4，天狼星紅染色見圖5(a、c為鹵素燈光下的明場圖像，b、d為偏振光下的圖像)。

a：正常腰椎間盤；b：Pfirrmann C級腰椎間盤圖3 兔腰椎間盤正中矢狀位剖面圖

a為正常腰椎間盤HE染色清晰顯示上下骨性終板、前后纖維環與中央的髓核；b為a圖的局部放大圖像，可見纖維環有序排列；c為退變腰椎間盤，可見纖維環與髓核界限不清，髓核的細胞形態發生改變，d為c圖的局部放大圖像，箭頭所示部位為增生的纖維結構，纖維環排列紊亂圖4 兔腰椎間盤HE染色

a：正常腰椎間盤天狼星紅染色在普通光鏡下的圖像；b：可見折光性強的Ⅰ型膠原纖維排列較多且緊密；c：退變腰椎間盤天狼星紅染色在普通光鏡下的圖像；d：可見折光性弱的Ⅱ型膠原較多且結構疏松，折光性強的Ⅰ型膠原相對減少，髓核組織區域中出現紅、黃色的Ⅰ型膠原圖5 兔腰椎間盤天狼星紅染色

3 討論

水下爆炸可引起艦船劇烈的上下起伏運動，尤其以垂直方向為主，不同強度的水下爆炸可對艦員造成不同程度的損傷[3，6]。柯文琪、劉新祥等[7-9]結合艦船沖擊傷動物實驗及模擬人實驗，建立了數學模型，制定GJB 2689-96《水面艦艇沖擊對人體作用安全限值》標準，初步奠定了艦船沖擊傷方面的研究基礎，然而其實驗均以動物的自然體位進行研究。劉新祥[10]建立了坐姿的非線性人體模型，計算坐姿人體受到的沖擊力量。通過該模型計算，在4.572 m/s的沖擊作用下脊柱受到的壓縮載荷是7.2 kN，該模型采用的驗算數據基于美國David Taylor船池的真人沖擊試驗結果[11]，具體實驗數據無法獲得，缺乏損傷后中遠期變化相關研究。黃建松等[3]通過數學模型和尸體研究對胸、腰椎模型進行蠕變試驗和應力松弛試驗，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。既往動物實驗主要以自然體位為主[12]，而人體主要姿勢為站姿、坐姿和臥姿，坐姿也是海戰時常見的姿勢，前期的研究表明艦船沖擊運動容易損傷坐姿狀態下兔的脊柱和睪丸，因此腰椎間盤的損傷及其損傷后效應是本實驗研究的主要內容。

椎間盤的損傷可導致退變，然而這是一個復雜的、多因素導致的病理生理過程[13-15]。Lipson和Muir[16]用手術刀對兔椎間盤造成損傷，在損傷后1周即出現纖維環與髓核分界模糊，4周后髓核開始出現纖維化，12周時髓核更加干燥和纖維化，6個月時出現了“蟹肉”樣組織，觀察到椎間盤大體結構上發生形態學的退變。Cinotti等[17]證明軟骨終板的損傷也可導致椎間盤的退變。本實驗研究模擬艦船沖擊運動對坐姿狀態下的兔進行沖擊并連續觀察12周，至12周時，沖擊組的兔腰椎間盤可出現明顯的退變，可見正常的髓核組織為纖維組織所替代，結構紊亂；HE染色中已未見正常髓核細胞的形態，纖維環與髓核界限不清，纖維組織增生，纖維環排列紊亂；天狼猩紅染色也顯示退變椎間盤的膠原纖維的構成發生了改變。退變椎間盤在兔脊柱MRI的T2加權像上表現為信號的減低。任東風等[18]描述了山羊腰椎間盤損傷后不同時間點的MRI表現及組織學改變，人為刺傷的椎間盤MRI改變在3周時與傷前差異無統計學意義，而3個月和6個月時差異有統計學意義，與本研究結果基本類似。趙新剛等[19]用24G針頭刺傷兔椎間盤3次，可在4周時發現兔椎間盤退變。本研究中，重度沖擊較輕度沖擊對兔椎間盤的Pfirrmann分級有一定的影響，然而差異比較無統計學意義，這可能與損傷程度差異不夠或者觀察的時間不夠有關。在本次試驗中發現Pfirrmann C級的椎間盤集中分布在L6-L7、L7-S1，L6-L7是兔腰椎曲度最大的節段，而L7-S1處于腰椎和骶椎之間，同時這兩個節段是所有椎間盤中最靠下的兩個節段，受到的沖擊力量也最強，因此退變程度也最嚴重。

經過12周的觀察，本研究證實了艦艇沖擊運動可造成坐姿兔腰椎間盤的退變。同時本研究也存在一定的局限性：①實驗動物需要鎮靜，無法較好模擬坐姿的情況；②模擬艦艇沖擊運動僅沖擊動物1次，出現明顯退變的時間晚，退變程度不夠重；③由于時間所限，對動物觀察的時間也比較短，無法觀察到更嚴重的退變情況。