模拟舰艇冲击运动对不同姿势兔伤情的实验研究

陈佳海，胡 明，徐 成，刘立洋，王 静，巨圆圆，阮狄克，王德利，何 勍

水面舰艇是现代海战中重要的作战力量之一。海战中，水面舰艇可能受到水下炸弹(水雷、鱼雷、深水炸弹)的攻击，这种非接触性的爆炸可引起舰艇的强烈冲击，尤其以垂直向上的冲击运动最为剧烈，即舰艇冲击运动，这样的冲击作用可造成舰艇仪器设备的损坏及舰员的损伤[1]，甚至危及生命，严重影响舰艇战斗力；再加上舰艇上医疗救治力量薄弱，因此，早期、全面认识舰艇冲击伤，并积极采取有效措施对预防损伤、减少战斗减员意义重大。柯文琪等[2-4]在模拟舰艇冲击运动对动物损伤方面做了许多工作，Zong和Lam[5]报道了坐姿条件下的生物力学研究，李新岭等[6]报道了模拟水下爆炸对舱室内大鼠颅脑损伤的研究，该研究以背靠位，模拟坐姿进行模拟研究，然而仅局限在颅脑损伤方面。本研究通过模拟舰艇冲击运动，观察实验动物分别在卧姿及模拟坐姿下受到舰艇冲击运动后的损伤情况，对损伤的伤情进行分析归纳，同时对损伤的脏器和组织进行解剖学及病理学观察，以期为进一步了解舰船冲击伤提供动物实验依据。

1 材料与方法

1.1 实验动物与分组 雄性新西兰兔40只，体重2.0～2.5 kg，来源于海军总医院实验动物中心[SCXK-(京)-2012-0004]，以随机数表法随机分为对照组(A组)，轻度冲击卧姿组(B组)和重度冲击卧姿组(C组)，轻度冲击坐姿组(D组)和重度冲击坐姿组(E组)，共5组，每组8只。

1.2 实验方法 采用海军某研究院冲击机(最高速度5 m/s)，轻度冲击速度约2.5 m/s，重度冲击速度约4.8 m/s，对照组放在冲击机边上。卧姿组：以速眠新Ⅱ0.08 mL/kg镇静，让兔以卧姿趴在冲击平台上；坐姿组：以速眠新Ⅱ0.08 mL/kg镇静，将兔固定在特制的座椅上，尽量模拟人的正常坐姿(图1)，然后分别以相应的冲击速度冲击1次。

A:卧姿; B:模拟坐姿图1 在冲击平台上的实验兔

1.3 观察指标 每次冲击后将动物带回海军总医院实验动物中心，动物苏醒后观察实验动物的一般状态，包括意识、反应力及进食情况。记录实验动物的活动情况，评价D组、E组(坐姿组)兔的活动情况。采用改良Jacob’s评分法[7]，将兔后肢肌力分为6级。0级：完全瘫痪(针刺无反应)；1级：最小机能性运动(肌肉搐动)，严重瘫痪；2级：有机能性运动(受累肢体可负重)，无法双足跳动(跛行)；3级：能齐足跳动，较重共济失调和轻瘫；4级：能齐足跳动，轻度共济失调和(或)轻瘫(奔跑但不够灵活)；5级：正常状态。伤后3 h左右以速眠新Ⅱ0.08 mL/kg镇静后行X线检查，然后以股动脉放血方法处死动物，进行伤情分析。重点观察动物的肺、心、肝、肾、胃肠道、膀胱、睾丸、脊柱及脊髓损伤情况，按照柯文琪等[2]的评定方法进行伤情评定：轻度损伤为少数散在的点状出血；中度损伤为多数密集点状出血或少数散在片状出血；重度损伤为多数广泛片状或条状出血；极重度损伤为内脏器官破裂或胸腹腔积血，实验动物的解剖由2名医生分别进行，按照大体外观、胸腔脏器、腹腔脏器、脊柱脊髓的顺序解剖死亡动物，确定伤情严重程度由2名医生和1名病理医生判断，并逐一进行详细记录，如存在争议3人协商后确定。

1.4 统计学处理 应用SPSS 21.0软件，采用描述性统计方法分析伤亡率，对等级资料采用非参数检验方法进行统计分析，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 实验动物的总体伤情分析 实验动物共有40只，均无即刻死亡，E组有1只冲击后即刻发生尿失禁，出现腰椎后凸畸形，其余实验动物无明显出血，大小便失禁及畸形出现，2 h后兔恢复清醒，C、E组反应力稍差于B、D组，对坐姿状态下兔的活动情况采用改良Jacob’s评分法进行评分(表1)。

表1 坐姿状态下兔活动情况评分

3 h后对实验动物行X线检查，随后处死动物，进行大体解剖，解剖后的损伤情况见表2，卧姿冲击时以发生肺、肝冲击伤为主，而坐姿冲击时则以睾丸及脊柱损伤为主，总体损伤情况好于卧姿状态。卧姿状态下肺损伤表现为无损伤到极重度损伤(图2)，肝脏损伤表现为无损伤到重度损伤(图3)，其中有1只动物发生椎体爆裂骨折、椎间盘破裂(图4B、4C)，导致脊髓损伤致截瘫。睾丸损伤表现为睾丸表面淤血、水肿(图5C)。B组损伤率为75%，而C组损伤率为87.5%；D组损伤率为25%，E组损伤率为37.5%。

表2 实验动物大体解剖结果[n(%)]

A:正常肺组织;B：轻度损伤;C：中度损伤;D：重度损伤;E：极重度损伤图2 肺损伤程度的分级

A：正常肝脏组织；B：轻度损伤；C：重度损伤图3 肝损伤程度的分级

A：正常脊柱；B：脊柱爆裂骨折；C：上终板破裂；D：正常与损伤椎间盘对比图4 脊柱损伤程度

A：轻度睾丸损伤；B：中度睾丸损伤；C：重度睾丸损伤图5 睾丸损伤程度的分级

2.2 病理检查 组织的苏木精—伊红染色法染色(图6)。损伤肺可见部分肺泡萎陷，部分肺泡间隔破裂，部分肺泡腔中有较多红细胞和少量白细胞聚集，以肺表面为主(图6C)；肝脏组织可见部分肝窦及中央静脉扩张，红细胞显著增多(图6D)。

2.3 不同冲击强度的伤情对比分析

2.3.1 卧姿状态下不同冲击强度兔伤情的比较 为进一步比较卧姿条件下不同冲击强度对实验兔的损伤情况，分别统计肺损伤和肝损伤的累计例数，并计算百分率(表3)。在肺损伤方面，B、C组肺损伤的发生率分别为75%和87.5%，损伤的发生率均高于A组；对损伤程度的分布进行非参数统计检验，B组与A组、C组与A组肺损伤的损伤程度分布不同(P=0.001、P=0.004)，而B组与C组肺损伤分布差异无统计学意义(P=0.234)。在肝损伤方面，B组与C组肝损伤的发生率分别为12.5%和37.5%，同样高于A组；然而不同组在不同冲击强度下肝损伤分布差异均无统计学意义(P=0.317、P=0.118、P=0.407)。

A：正常肺；B：正常肝；C：损伤肺；D：损伤肝图6 苏木精—伊红染色组织的病理

损伤脏器组别损伤动物无损伤轻度中度重度极重度发生率(%)肺损伤A组B组C组8210320220120010.075.087.5肝损伤A组B组C组8750120000010000.012.537.5

2.3.2 模拟坐姿状态下不同冲击强度兔伤情比较为进一步比较模拟坐姿条件下不同冲击强度对实验兔的损伤情况，分别统计脊柱损伤与睾丸损伤的累计例数，并计算百分率，结果见表4。D、E组脊柱损伤的发生率分别为25.0%和25.0%，睾丸损伤发生率分别为12.5%和25.0%，E组2种损伤的发生率高于D组。对脊柱损伤程度的分布进行非参数检验(P=0.317、P=0.144、P=0.487)，对睾丸损伤程度的分布进行非参数检验(P=0.317、P=0.144、P=0.441)，可认为实验动物在不同冲击强度下，脊柱损伤与睾丸损伤各组损伤程度分布之间的差异均无统计学意义。

表4 模拟坐姿状态下不同冲击强度兔伤情的比较[n(%)]

2.4 不同姿势的伤情对比分析

2.4.1 轻度冲击状态下卧姿与模拟坐姿的伤情比较 我们对轻度冲击条件下不同姿势的损伤情况进行了统计分析(表5)。卧姿和坐姿的肺损伤的发生分别为75%和0%，肺损伤程度分布差异有统计学意义(P=0.004)；而肝损伤、脊柱损伤、睾丸损伤程度分布差异均无统计学意义(均为P=0.317)。卧姿状态下无脊柱及睾丸损伤的情况，而坐姿状态下未见明显肺损伤及肝损伤的情况。可见在不同的姿势条件下出现不同的伤情，卧姿组以胸腹部脏器损伤为主，而坐姿组则以脊柱及睾丸损伤为主。

表5 轻度冲击作用下不同姿势兔伤情的比较[n(%)]

2.4.2 重度冲击条件下卧姿与模拟坐姿兔伤情比较 类似的，统计分析了重度冲击条件下不同姿势的兔损伤情况(表6)，结果与轻度冲击条件下的伤情类似。C组和E组的肺损伤的发生率分别为87.5%和0，对肺损伤程度分布进行统计分析，差异有统计学意义(P=0.001)，可见其损伤程度分布不同；而轻度和重度中级组在肝损伤、脊柱损伤和睾丸损伤之间差异无统计学意义(P=0.239、P=0.144、P=0.144)。在实验中还发现E组出现了1例肝损伤，不同体位的损伤脏器类型有所区别。

表6 重度冲击作用下不同姿势兔伤情的比较[n(%)]

3 讨论

水下非接触爆炸可对舰艇造成剧烈的冲击，导致舰艇自下而上剧烈的起伏运动，这样的冲击运动可引起舰艇装备的损坏及人员的伤亡[1]。舰艇冲击运动本质上属于固体冲击波，冲击波通过舰船体引起强烈的震动，传递至舰员而引起损伤效应，即舰船冲击伤。多数学者认为,舰艇冲击对机体的损伤作用包括水下爆炸引起舰艇甲板向上运动的加速与向下运动时造成的减速2个阶段所产生的冲击作用[8]。加速与减速阶段均可引起内脏损伤,其损伤特点一般表现为脏器出血,严重者可引起内脏破裂、大血管断裂等。加速阶段时机体因受自身的惯性力作用而处于初始压缩状态，易使骨骼产生压缩性损伤；减速阶段时机体因受向上的惯性力作用而处于飞离状态,易发生碰撞损伤及跌落损伤。由于器官组织的质量不同，惯性不一，位移速度也有所差异，致使器官与骨骼、韧带、肌肉之间或者器官相互之间发生摩擦、碰撞、挤压和牵拉,造成内脏器官出血撕裂等损伤[9]。舰船冲击损伤的严重程度和作用与机体的冲击加速度大小以及作用时间有密切关系，柯文琪等[2]组织了一系列舰船冲击伤的动物实验及模拟人实验，建立了数学模型，制定了GJB 2689—96《水面舰艇冲击对人体作用安全限值》标准，奠定了舰船冲击伤方面的研究基础。该模型选取站姿为标准姿势，依据实船水下爆炸动物效应实验[2]、模拟舰艇冲击动物实验[9]及人体骨骼静态及动态抗压数据[10]。刘新祥[11]建立了坐姿非线性人体模型，用来计算坐姿人体受到的冲击力量，该模型采用的验算数据基于1966年美国David Taylor船池的真人冲击试验结果[12]，由于军事保密的原因，很多进一步的数据无法获得。在舰船冲击运动对坐姿舰员损伤研究方面，黄建松等[13-14]先通过数学模型来推导胸腰椎的运动方程，再通过尸体骨骼研究对胸腰椎模型进行蠕变试验和应力松弛试验，通过方程计算和试验结果进行比对，获得相应的方程式，这些研究主要基于力学推导和尸体研究，对坐姿状态下伤情未能获得相应的具体伤情和病理改变，舰船冲击伤目前可获取的既往资料有限，真人试验存在很大的风险，动物实验中主要以自然体位为主[15]。而且在军事操演中，对爆炸采取的躲避姿势，或者在站姿情况下舰船受到冲击之后，舰员最常发生的往往是摔倒，此时的二次舰船冲击对舰员的损伤就会出现卧姿的情形，卧姿在舰船受到冲击后导致的损伤情况在以前的研究中均以自由体位方式进行[1,15]，自由体位下兔子呈蹲姿状态，而狗、山羊等动物则四肢着地，难以正确模拟人卧姿的情况。基于此，为进一步探究舰船冲击对卧姿及坐姿状态下的伤情设计本实验。在模拟舰船冲击运动方面，采用海军某研究院的新型冲击机，该冲击机模拟的运动曲线为双半正弦冲击波，各项指标符合实验要求[16-17]。

从本研究可得知不同的姿势状态下的伤情不同，在卧姿状态下，肺损伤总体发生率81.25%，肝损伤发生率25%，而坐姿状态下，脊柱损伤发生率25%，睾丸损伤发生率18.25%。卧姿状态下主要出现的损伤是肺损伤和肝损伤，发生肺损伤的动物多于发生肝损伤的动物，其中肺损伤重度组和轻度组之间差异无统计学意义，肝损伤重度组和轻度组之间差异无统计学意义，这可能与损伤程度较轻和实验动物较少有关，这2种损伤均为常见损伤。出现肺损伤的情况多于肝脏损伤，这与李政年等[3]的研究类似。在中-重度的肺损伤中可发现平行肋骨的出血条纹的出血点，舰船冲击伤导致的血性压痕考虑可能与肺受限于骨性胸腔结构，胸腔受到冲击后发生变形，同时肺撞击在胸腔背侧，损伤的发生也主要以背侧为主，考虑血性压痕来源于肋骨的可能性大，更明确的机制还需要进一步研究。在模拟坐姿状态下主要出现脊柱损伤和睾丸损伤。本研究中，为了更好的模拟人的坐姿，我们将兔子的尾巴从设计的座椅中拿出，虽然发生脊柱及睾丸损伤的例数比较少，但最严重的脊柱损伤可致椎体爆裂骨折，动物截瘫，椎间盘终板破裂，虽然从统计学分析与对照组差异无统计学意义，然而这样损伤的发生不是偶然的，需要引起重视。同时，重度冲击下睾丸损伤发生率12.5%，睾丸水肿，出血明显，这是首次发现的睾丸损伤。既往研究动物均采用自由体位，兔子在自由体位情况下类似人的蹲姿，受力点是上下肢。在预实验中发现兔在清醒状态时，睾丸未触及冲击平台，脊柱则处于水平位，因此需要坐位才能更好模拟人体在坐姿状态下的伤情。本研究出现的损伤提示在舰船座椅的设计上要增加软垫的厚度，对预防和减轻脊柱及睾丸损伤具有一定意义。不同姿势下的舰船冲击伤伤情各有特点，相比而言，卧位冲击伤伤情重于坐位，伤情随着冲击强度增加而增强。这在预防冲击伤方面，在预知可能发生水下爆炸的情况下及时采用坐姿可减少一定程度的损伤，而发生舰船冲击伤的情况下，在有限紧急的战时环境，了解受伤时的姿势对预防和判定伤情具有重要意义。

本研究的局限性：①为尽量模拟卧姿状态和将动物妥善固定在特制的座椅上，将实验动物镇静，这可能导致相应损伤程度的增加；②参照GJB 2689—96《水面舰艇冲击对人体作用安全限值》标准，本研究只选取2个冲击强度，2.5 m/s和4.8 m/s，且仅冲击1次，出现的损伤比较少，可能对统计分析有一定影响。

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