水下沖擊波致傷作用研究現(xiàn)狀與展望

周建軍，王國棟

爆炸沖擊波能對人員生命安全及健康造成嚴重損害，其致傷機理和防護是各國軍事醫(yī)學的重要研究方向。爆炸沖擊傷是指機體受爆炸沖擊波直接或間接作用而發(fā)生的損傷。魚雷、水雷和深水炸彈等水中武器在水下爆炸時會造成水下沖擊傷，根據(jù)相關(guān)文獻報道，在第二次世界大戰(zhàn)期間產(chǎn)生了大量水下沖擊傷[1]。二戰(zhàn)以來，國外不少研究機構(gòu)建立起自己的水下試驗場及各種水下沖擊波致傷動物模型，廣泛研究了水下爆炸沖擊波的致傷作用[2]。近20年來，我國許多實驗室也相繼開展了相關(guān)實驗并取得了較多的研究成果。本文在論述水下爆炸沖擊波基本特性的基礎(chǔ)上，重點對水下沖擊波致傷作用的實驗研究現(xiàn)狀進行了綜述，展望了未來研究的方向。

1 水下爆炸沖擊波的基本特性

爆炸的一個重要的特征就是在爆源周圍的介質(zhì)中產(chǎn)生急驟的壓力躍升，沖擊波則是壓力躍升的傳播方式[2]。水下爆炸的能量會轉(zhuǎn)化為起始沖擊波、氣泡破裂脈沖以及沖擊波上升沿壓力帶給水的速度、周圍水的運動引起的騷動和推擠[3]。水的密度大約是空氣的800倍，壓縮性小，水下沖擊波并不能形成像空氣沖擊波那樣的壓縮區(qū)和稀疏區(qū)，因而其傳播速度更快，傳播距離也更遠。相同當量三硝基甲苯[C6H2CH3(NO2)3，TNT]水下爆炸與地面爆炸相比，水下沖擊波峰值壓力更高，正壓持續(xù)時間更短，沖量大[1-2，4]。在過去水下沖擊波的研究中，往往把爆源的水深設(shè)定得較深，得出沖擊波的特征較為簡單明確。但在實際情況里，爆源水深往往較淺，沖擊波的特征往往復(fù)雜。國外學者對此進行了深入的研究，將淺水沖擊波分為：爆源的直接波、水面緩沖波、底部反射波、經(jīng)過底部材料傳播并輻射回水中的波，上述4種波相互疊加構(gòu)成了復(fù)雜的水下沖擊波[5]。

2 水下沖擊傷的特點與研究現(xiàn)狀

水下沖擊傷多發(fā)生于水下作業(yè)以及軍隊島礁作戰(zhàn)和登陸作戰(zhàn)時，水下蛙人、落水人員往往多發(fā)此傷。大量研究表明，水下沖擊波主要通過超壓和負壓對機體造成損傷，強度遠遠大于空氣沖擊波，因而有著較高的死亡率。由于沖擊波由水下進入空氣后沖量會大大衰減，因此一般情況下沖擊波對水中人員的損傷主要集中在腹部空腔臟器與肺，而實質(zhì)臟器、顱腦與頜面部損傷相對較少[6]。

2.1 國外水下沖擊傷的研究現(xiàn)狀 第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)生了大量的水下沖擊傷，當時將水下沖擊傷稱為“浸沒沖擊傷”。1967年埃以消耗戰(zhàn)爭期間，埃及的導彈快艇擊中了以色列的“埃拉特號”驅(qū)逐艦，艦員棄艦，隨后另一枚導彈在水下爆炸。有32名落水人員獲救，其中肺沖擊傷27人，腹部沖擊傷24人，手術(shù)探查發(fā)現(xiàn)其中22人腸穿孔，19人同時有胃腸和肺損傷，4人死亡[7-8]。但真正水下沖擊傷的研究于20世紀60年代美軍建立水下試驗場后才全面展開，他們提出了生命機體于垂直體位時水下沖擊傷的標準和安全限值。當沖擊波的沖量為33.79 kPa·ms時,人員無任何損傷；當沖量為68.79、137.93、282.76 kPa·ms時分別引起人員閾值損傷、輕度損傷和中、重度損傷；沖量為596.82 kPa·ms時引起50%人員死亡[7,9]。在水下沖擊傷防護研究方面，Cripps等[10]研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料(PbPV/PZ)對豬的肺和小腸有較好的防護效果，而結(jié)腸的防護效果不佳。目前由于在這方面的研究涉及到各國軍事利益，因此至今未見詳細的數(shù)據(jù)報道。

2.2 我國水下沖擊傷的研究現(xiàn)狀 我國水下沖擊傷研究于20世紀90年代全面展開，由陸軍軍醫(yī)大學野戰(zhàn)外科研究所王正國院士領(lǐng)銜。他們發(fā)現(xiàn)同當量TNT在水下和空中爆炸，水下沖擊波超壓值比空氣沖擊波大200倍左右，沖量大10倍左右[7]。通過狗、兔等動物實驗，對內(nèi)臟器官大體形態(tài)學觀察，初步明確了水下沖擊傷的損傷特點，發(fā)現(xiàn)肺是水下沖擊波致傷和致死的主要靶器官，腹部傷發(fā)生率較高，其中結(jié)腸損傷占多數(shù)，實質(zhì)臟器和體表損傷發(fā)生率較低。通過初步的量效關(guān)系分析得出了引起輕、中、重、極重度水下沖擊傷的沖量范圍分別為121.1～142.0、142.0～214.3、247.8～322.6、322.6～579.8 kPa·ms[1]。進入21世紀后，他們對水下沖擊傷進行了更深層次的研究，利用約1 kg TNT進行水下爆炸，通過大體、光鏡和電鏡分別觀察了實驗動物水下沖擊傷后內(nèi)臟器官的病理變化。光鏡下觀察到局灶性肺不張，肺內(nèi)廣泛出血，肺泡腔充滿紅細胞及纖維蛋白滲出，間質(zhì)水腫并伴有白細胞浸潤。電鏡下可見變性的肺泡Ⅱ型上皮細胞，肺泡壁結(jié)構(gòu)不完整，細胞核染色質(zhì)邊集，核仁粗大。心肌纖維斷裂，心肌細胞腫脹，間質(zhì)血管充血、水腫，少量白細胞浸潤。腸道漿膜下出血、血腫，肌層斷裂，腸絨毛斷裂、崩解，大量白細胞浸潤，間質(zhì)血管淤血。含液臟器與實質(zhì)臟器損傷輕微，僅少數(shù)實驗動物肝、脾、胰腺包膜下出血[11-12]。同時他們也對水下沖擊傷的防護進行了相關(guān)研究，利用計算機模擬和仿真的方法，篩選了聚碳酸酯(PC)、玻璃纖維增強材料(GRP)及海綿等材料，并用硅橡膠現(xiàn)場成形技術(shù)將這些復(fù)合材料有機地組合在一起，設(shè)計出了適用于水下沖擊傷防護的具有漂浮功能的防護背心[7,13]。

海軍軍醫(yī)大學海軍特色醫(yī)學中心(原海軍醫(yī)學研究所)近年來也開展了相關(guān)研究，研究人員根據(jù)實驗動物組織病理損傷發(fā)現(xiàn)，器官組織按照損傷嚴重程度排序依次為：肺、肝、胃腸道、心、腦。隨著爆炸物當量及水下沖擊波超壓峰值加大，實驗動物損傷部位增多，損傷程度加重[14]。并得出傷情差異主要與爆炸物產(chǎn)生的沖量以及能流密度有關(guān)的結(jié)論，這與李光華等[3]研究結(jié)果相符，他們把動物組織器官的損傷量化定性，利用數(shù)學建模，將水下爆炸沖擊傷的傷情等級進行劃分，建模時劃分了5種狀態(tài)：正常、輕傷、重傷、極重傷、死亡。選取合適的參數(shù)分別建立了2種模型：一種以沖量和能流密度為主要參數(shù)，另一種是以沖量和超壓峰值為主要參數(shù)。最終第一種模型的預(yù)測結(jié)果跟實驗結(jié)果十分吻合，而第2種模型較為混亂，尤其是在輕傷與重傷的區(qū)分上。姜永田等[15]對大白兔進行相應(yīng)處理建立了脊髓水下沖擊傷模型，發(fā)現(xiàn)水下爆炸沖擊波可致實驗動物脊髓損傷，損傷的程度與沖擊波的沖量呈正相關(guān)，且在一定時間內(nèi)存在繼發(fā)性損傷。

3 展望

近些年，通過大量動物實驗研究，已經(jīng)對水下沖擊傷的機制、分級以及防護等研究有了初步的成果。但隨著武器裝備等不斷更新?lián)Q代，戰(zhàn)斗模式不斷轉(zhuǎn)換，水下沖擊傷的研究也還需要不斷深入與完善。水下沖擊傷傷情復(fù)雜，涉及多個學科，既需要系統(tǒng)研究又需要單個器官組織研究，為提高我軍海上衛(wèi)勤保障能力，筆者認為，未來對于水下沖擊傷的研究需要從以下幾個方面進行完善改進。

3.1 研究方法 未來海戰(zhàn)戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜，以往研究中實驗環(huán)境設(shè)置較為簡單，不能充分模擬出真實的海洋環(huán)境，因而得出的實驗數(shù)據(jù)較為理想。國外一些研究機構(gòu)在幾十年前就開展了水下爆炸沖擊波特點的數(shù)字模擬與試驗研究，建立了許多對實際工程具有指導意義的經(jīng)驗公式，而我國在近幾年才開展類似的研究[16-19]。因此，未來應(yīng)繼續(xù)加強仿真數(shù)據(jù)的采集，建立更加完善的水下沖擊傷傷情等級的數(shù)學模型，開發(fā)合適的有限元顯示動力分析軟件，從而充分模擬出真實的海洋環(huán)境，為水下沖擊傷實驗研究提供技術(shù)支撐。

3.2 研究內(nèi)容 目前動物實驗研究主要集中在觀察損傷器官的病理特點上，未能深入研究水下沖擊波致傷的分子機制與病理生理特點。已有研究結(jié)果表明，空氣沖擊波致傷后機體內(nèi)氧自由基增多，隨之造成細胞氧化應(yīng)激損傷，而抗氧化劑則能減輕這種損傷[20]。因此，未來在研究水下沖擊傷時應(yīng)深入研究其分子機制與病理生理特點，這也將為水下沖擊傷的診治與防護提供新的思路。既往已對水下沖擊傷致空腔臟器損傷進行了大量的動物實驗研究，但顱腦頜面部致傷研究較少，這是基于設(shè)想相關(guān)人員顱腦頜面部處于水面上的情況。伴隨著當代海戰(zhàn)模式的轉(zhuǎn)變，尤其像水下蛙人這樣的戰(zhàn)斗人員不斷出現(xiàn)，未來加強對顱腦頜面部的水下沖擊傷的研究是必要的。目前相關(guān)研究已經(jīng)證實空氣沖擊傷會對神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，部分沖擊傷患者在傷后會有不同程度的中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常癥狀，同時沖擊傷也可能是造成創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙的原因之一[21]。目前對于水下沖擊傷是否會造成類似結(jié)果還未可知，未來需要進一步深入研究。復(fù)雜的海洋環(huán)境同時也會給搜救帶來極大的困難，從開始搜救到傷員得到初步的治療這段時間里水下沖擊傷傷員將一直浸泡于海水中，目前的動物實驗研究僅單純的模擬水下沖擊傷后實驗動物的即刻損傷情況，未將海水浸泡的影響考慮到其中，因此未來也應(yīng)重視水下沖擊傷與海水浸泡傷的復(fù)合性損傷及相應(yīng)的繼發(fā)性損傷。防護系統(tǒng)的研究未來更應(yīng)注重系統(tǒng)的防護，根據(jù)人員水下不同任務(wù)設(shè)計出相應(yīng)的防護裝具，研發(fā)有效的預(yù)防藥物。

4 結(jié)語

未來戰(zhàn)爭隨著新概念武器的不斷出現(xiàn)，新方法、新技術(shù)的不斷引入，水下爆炸沖擊傷的傷情將復(fù)雜多變，因此應(yīng)不斷的完善水下沖擊傷的研究，改進研究方法與研究內(nèi)容，加強與基礎(chǔ)、預(yù)防等學科的協(xié)作，密切與部隊、武器研發(fā)、現(xiàn)場試驗等部門的聯(lián)系，以保障研究成果切實符合部隊實際需求，為海上衛(wèi)勤保障提供有力支撐。