模擬艦船沖擊運(yùn)動對坐姿狀態(tài)下兔腰椎間盤損傷效應(yīng)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(xiàn)代海戰(zhàn)中至關(guān)重要的作戰(zhàn)力量之一，在海戰(zhàn)中，當(dāng)水面艦艇受到水下炸彈(水雷、魚雷、深水炸彈)的攻擊時(shí)，這種非接觸性的爆炸可引起艦艇的強(qiáng)烈沖擊，尤其以垂直向上的沖擊運(yùn)動最為劇烈，即艦船沖擊運(yùn)動，這樣的沖擊作用可造成艦艇儀器設(shè)備的損害及艦員的損傷[1]，甚至危及生命，嚴(yán)重影響艦艇戰(zhàn)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(shù)系統(tǒng)模擬研究垂向沖擊時(shí)對坐姿人體的生物動力響應(yīng)；黃建松等[3]建立椎間盤的應(yīng)力松弛和蠕變實(shí)驗(yàn)，這些研究主要采用力學(xué)推導(dǎo)，關(guān)于艦艇沖擊運(yùn)動對坐姿狀態(tài)下動物的實(shí)驗(yàn)研究及損傷效應(yīng)的研究尚未見相關(guān)報(bào)道。我們前期研究已經(jīng)證明脊柱損傷是坐姿狀態(tài)下的常見傷情之一[4]，為進(jìn)一步研究兔在艦船沖擊后損傷效應(yīng)的變化規(guī)律，本實(shí)驗(yàn)研究艦船沖擊運(yùn)動對坐姿狀態(tài)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(shí)驗(yàn)動物與分組 雄性新西蘭兔20只，4月齡，體質(zhì)量2.5～3.0 kg，由中國人民解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心動物實(shí)驗(yàn)中心提供，編號：[SCXK-(京)2012-0004]，動物實(shí)驗(yàn)經(jīng)中國人民解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心倫理委員會核準(zhǔn)[醫(yī)倫字(2015)085號]。實(shí)驗(yàn)動物按隨機(jī)數(shù)表法隨機(jī)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(jī)(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(jī)邊上。沖擊組：先以速眠新Ⅱ 0.08 mL/kg鎮(zhèn)靜，然后將兔固定在特制的座椅上，盡量模擬人的坐姿狀態(tài)(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(yīng)后，隨后將兔帶回動物實(shí)驗(yàn)中心觀察。

圖1 模擬坐姿狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)動物

1.3 X線檢查 沖擊后3 h，以速眠新Ⅱ 0.08 mL/kg鎮(zhèn)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(shí)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(yī)師閱片并對椎間盤髓核采用Pfirrmann分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級[5]，若有分歧時(shí)則討論后決定。分析比較不同組別動物在不同時(shí)刻腰椎間盤的Pfirrmann分級。

1.5 大體解剖及組織學(xué)檢查 所有動物于沖擊后第12周時(shí)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(jìn)行解剖，觀察兔腰椎間盤損傷情況。腰椎間盤的處理：根據(jù)MRI檢查結(jié)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 21.0軟件，等級資料的比較采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 沖擊后兔的一般狀況 沖擊后無即刻死亡的動物，實(shí)驗(yàn)動物均出現(xiàn)明顯的受驚反應(yīng)，未見二便失禁及肢體功能障礙，實(shí)驗(yàn)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(fā)生骨折。

2.3 MRI檢查 在傷后第1周、第4周和第12周時(shí)對兔行腰椎MRI檢查，圖2為MRI的T2加權(quán)像，a為正常對照組腰椎間盤，b為重度沖擊組發(fā)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(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)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(shí)差異比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，沖擊后第4周、第12周分別與沖擊后第1周時(shí)比較，差異比較具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，沖擊造成了坐姿狀態(tài)下兔的腰椎間盤發(fā)生了退變。

a：對照組；b：重度沖擊組圖2 兔腰椎間盤MRI隨時(shí)間的變化

檢查時(shí)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(shí)刻沖擊組動物的L1-S1(共7個(gè))椎間盤Pfirrmann分級情況(個(gè))

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(xué)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?zé)艄庀碌拿鲌鰣D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(huán)與中央的髓核；b為a圖的局部放大圖像，可見纖維環(huán)有序排列；c為退變腰椎間盤，可見纖維環(huán)與髓核界限不清，髓核的細(xì)胞形態(tài)發(fā)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(jié)構(gòu)，纖維環(huán)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(qiáng)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(jié)構(gòu)疏松，折光性強(qiáng)的Ⅰ型膠原相對減少，髓核組織區(qū)域中出現(xiàn)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(yùn)動，尤其以垂直方向?yàn)橹?，不同?qiáng)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(jié)合艦船沖擊傷動物實(shí)驗(yàn)及模擬人實(shí)驗(yàn)，建立了數(shù)學(xué)模型，制定GJB 2689-96《水面艦艇沖擊對人體作用安全限值》標(biāo)準(zhǔn)，初步奠定了艦船沖擊傷方面的研究基礎(chǔ)，然而其實(shí)驗(yàn)均以動物的自然體位進(jìn)行研究。劉新祥[10]建立了坐姿的非線性人體模型，計(jì)算坐姿人體受到的沖擊力量。通過該模型計(jì)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(yàn)算數(shù)據(jù)基于美國David Taylor船池的真人沖擊試驗(yàn)結(jié)果[11]，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法獲得，缺乏損傷后中遠(yuǎn)期變化相關(guān)研究。黃建松等[3]通過數(shù)學(xué)模型和尸體研究對胸、腰椎模型進(jìn)行蠕變試驗(yàn)和應(yīng)力松弛試驗(yàn)，研究主要基于力學(xué)推導(dǎo)和尸體研究，對坐姿狀態(tài)下傷情未能獲得相應(yīng)的具體傷情和病理改變。既往動物實(shí)驗(yàn)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(zhàn)時(shí)常見的姿勢，前期的研究表明艦船沖擊運(yùn)動容易損傷坐姿狀態(tài)下兔的脊柱和睪丸，因此腰椎間盤的損傷及其損傷后效應(yīng)是本實(shí)驗(yàn)研究的主要內(nèi)容。

椎間盤的損傷可導(dǎo)致退變，然而這是一個(gè)復(fù)雜的、多因素導(dǎo)致的病理生理過程[13-15]。Lipson和Muir[16]用手術(shù)刀對兔椎間盤造成損傷，在損傷后1周即出現(xiàn)纖維環(huán)與髓核分界模糊，4周后髓核開始出現(xiàn)纖維化，12周時(shí)髓核更加干燥和纖維化，6個(gè)月時(shí)出現(xiàn)了“蟹肉”樣組織，觀察到椎間盤大體結(jié)構(gòu)上發(fā)生形態(tài)學(xué)的退變。Cinotti等[17]證明軟骨終板的損傷也可導(dǎo)致椎間盤的退變。本實(shí)驗(yàn)研究模擬艦船沖擊運(yùn)動對坐姿狀態(tài)下的兔進(jìn)行沖擊并連續(xù)觀察12周，至12周時(shí)，沖擊組的兔腰椎間盤可出現(xiàn)明顯的退變，可見正常的髓核組織為纖維組織所替代，結(jié)構(gòu)紊亂；HE染色中已未見正常髓核細(xì)胞的形態(tài)，纖維環(huán)與髓核界限不清，纖維組織增生，纖維環(huán)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(gòu)成發(fā)生了改變。退變椎間盤在兔脊柱MRI的T2加權(quán)像上表現(xiàn)為信號的減低。任東風(fēng)等[18]描述了山羊腰椎間盤損傷后不同時(shí)間點(diǎn)的MRI表現(xiàn)及組織學(xué)改變，人為刺傷的椎間盤MRI改變在3周時(shí)與傷前差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而3個(gè)月和6個(gè)月時(shí)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與本研究結(jié)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(shí)發(fā)現(xiàn)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這可能與損傷程度差異不夠或者觀察的時(shí)間不夠有關(guān)。在本次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)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(jié)段，而L7-S1處于腰椎和骶椎之間，同時(shí)這兩個(gè)節(jié)段是所有椎間盤中最靠下的兩個(gè)節(jié)段，受到的沖擊力量也最強(qiáng)，因此退變程度也最嚴(yán)重。

經(jīng)過12周的觀察，本研究證實(shí)了艦艇沖擊運(yùn)動可造成坐姿兔腰椎間盤的退變。同時(shí)本研究也存在一定的局限性：①實(shí)驗(yàn)動物需要鎮(zhèn)靜，無法較好模擬坐姿的情況；②模擬艦艇沖擊運(yùn)動僅沖擊動物1次，出現(xiàn)明顯退變的時(shí)間晚，退變程度不夠重；③由于時(shí)間所限，對動物觀察的時(shí)間也比較短，無法觀察到更嚴(yán)重的退變情況。