水下冲击波致犬肺损伤的病理学改变

              作者：刘大维，周继红，杨志焕，张波，黄宏，朱佩芳，王正国，蒋建新，

            尹志勇，宁心，李晓炎，严军，董蕻，张良，张岫竹，王锋，杨在亮，代维

【摘要】  目的 探讨水下冲击伤后肺的病改变。方法 成年杂种犬29只，布放于离爆心10.36～15.25m处，分别用968、1019、1020g TNT水下3m爆炸，水中压力传感器测定冲击波物理参数，观察伤后肺的大体形态学改变以及光镜和电镜下组织结构的变化。结果 肺损伤的发生率达93.1%，大体形态学改变主要为肺出血、肺淤血和肺水肿；光镜下可见肺泡腔内有大量的红细胞及纤维蛋白渗出；电镜下可见肺泡壁毛细血管内皮细胞破坏严重，部分线粒体出现空泡变与髓鞘样结构，常可见脱落的变性的肺泡II型上皮细胞等特点。结论 严重的肺出血和肺水肿可能为动物水下冲击伤早期死亡的主要原因。

【关键词】  冲击波；水下;肺损伤；病理学
   
　　Abstract：  Objective  To explore pathological changes of underwater blast lung injury in dogs.Methods  Underwater blast lung injury was made in 29 adult hybrid dogs,which were placed 10.36?15.25meters from center of underwater explosion that occurred at TNT of 968,1 019 and 1 020 g underwater 3meters.Underwater pressure transmitter was used to measure physical parameters of blasts;and light microscope (LM) and electron microscope (EM) were employed to measure gross morphlogical changes and structural changes of the tissues.Results  Incidence rate of lung injury was as high as 93.1%,with main gross changes including pulmonary hemorrhage,congestion and edema.LM showed exudation of large number of red cells and fibrin in alveolar space.EM showed damaged capillary endothelium of alveolar wall,vacuolization and myelin figure of partial mitochondria and degenerated type Ⅱ endothelium of alveolus.Conclusion  Severe pulmonary hemorrhage and edema may be the main cause of early death of animal with underwater blast injury.
   
　　Key words：blast wave;underwater;pulmonary injury;pathological

　　水下冲击伤是岛礁作战和渡海登陆作战中常见的一种损伤。据有关报道［1］，第二次世界大战时曾发生数千例水下冲击伤伤员，尤其以肺部损伤最为严重，是伤员死亡的主要原因之一。本研究在既往水下冲击伤研究的基础上，于2006年9月利用工程物理研究院流体物理研究所210号爆炸水池进行了犬水下冲击伤试验，旨在积累更多的水下冲击伤效应资料，进一步探讨水下冲击波引起的肺损伤的病理形态学改变，从而为其防治提供更加可靠的依据。

　　材料与方法

　　1  实验动物及致伤方法
   
　　成年杂种犬29只（由第三军医大学大坪动物中心提供），雌性15只，雄性14只，体重7.6～14.4kg。1.5%戊巴比妥钠（20～30mg/kg）静脉注射麻醉后，颈部固定漂浮夹具，然后垂直于水面，胸腹部及四肢浸没于水中。爆炸物为两个半球构成的TNT球，质量分别为968g、1019g、1020g，装药密度为（1.643+0.005）g/cm3，共3发，第1发用黑索今(RDX)粉末捣实作为传爆药柱，其余2发用泰安(?32mm×11mm)作传爆药柱。将TNT球放入网兜中并扎紧，其上端系上悬挂用钢丝绳，下端用尼龙丝系上一吊锤，炸药入水深度为3m，用高压瞬发雷管（24?1?3C）通过传爆药柱在药球中心起爆致水下冲击伤。

　　2  冲击波物理参数测试
   
　　采用美国PCB公司系列压电水下爆炸压力传感器测定冲击波物理参数。传感器置于水下0.3m，分别布放于距离爆心10.36、11.33、12.97、15.25m。处理系统为2台4路HP54540数字示波器和PCB F482A20讯号适调仪。

　　3  观察指标

　　3.1  冲击波物理参数  从电压波形直接读取冲击波到达时间tb，与峰值压力相对应的峰值电压Um，正压持续时间t+和压力上升时间tr 。

　　3.2  形态学观察  现场死亡犬立即作大体解剖观察，活存动物于伤后20～28小时用1.5%戊巴比妥钠（30mg/kg）麻醉后股动脉放血处死做大体解剖。重点观察肺、胃肠道、肝脾等脏器的损伤情况，并根据冲击伤病理诊断标准确定冲击伤程度［2］。部分犬取损伤与正常之间的肺组织，置于10%甲醛溶液中固定，HE染色，作光镜观察；置于4%戊二醛中，行电镜观察。

　　4  统计学分析
   
　　计量资料以±s表示。

　　结果

　　1  冲击波物理参数
   
　　水下冲击波物理参数表现为高峰值压力，但正压持续时间较短，压力上升时间快， 仅为数微秒量级，冲量较大。物理参数的总趋势是随距爆心距离增加，峰值压力逐渐下降，正向持续时间缩短，冲量降低，而压力上升时间变化不大。结果详见表1。
   
　　由表1可见，第2发和第3发的数据比较接近，而第1发的峰值压力和正向冲量远较第2发和第3发低得多，其原因可能与第1发TNT药球的存放时间较长，没有适合的传爆药柱，使用黑索金(RDX)粉末捣实作为起爆药柱，从而发生了半爆现象有关。

　　2  形态学观察

　　2.1  大体形态学改变：结果详见表2。
   
　　第1发由于发生了半爆现象，冲量值低，除1只布放于距爆心10.36m的动物有重度肺损伤外，其余动物为无伤至轻度肺损伤。第2发和第3发均完全爆轰，峰值压力和冲量也相近，故该2发的肺损伤主要表现为不同程度的肺出血和肺水肿（图1），肺出血严重者气管内可见大量血性泡沫样液体，肺体指数明显增加，但均未见有肺破裂。肺损伤的发生率为100%。肺损伤的程度与距爆心距离有关，距爆心10.36m的动物以发生极重度伤为主，个别为中度和重度肺损伤；距爆心12.79m的动物主要发生中度伤，少数可发生极重度伤；距爆心15.25m的动物，表现为轻微至轻度肺损伤。总体趋势随距爆心距离的增加，肺损伤发生率降低，程度减轻。

　　2.2  光、电镜观察

　　2.2.1  光镜观察  光镜下可见肺组织内广泛出血，肺泡腔内有大量的红细胞及纤维蛋白渗出， 小血管周围有水肿套形成，间质有大量的白细胞浸润，部分肺不张（图2）。

　　2.2.2  电镜观察  可见肺泡腔内有较多红细胞及少量降解的细胞碎片、散在的排空的板层小体，尚可见脱落的变性的肺泡II型上皮细胞，肺泡壁结构不完整，细胞核染色质边集，核仁粗大，胞浆内部分板层小体排空、退变失去了正常的髓鞘样结构（图3）。

　　表1  水下爆炸的冲击波物理参数（略）

　　表2  TNT水下爆炸肺损伤的大体形态学改变（略）

　　图1  距爆心10.36m极重度肺出血、水肿（略）

　　图2  距爆心11.33m小血管周围水肿套形成，间质有大量的白细胞浸润。部分肺不张、可见肺大泡形成（HE×100）（略）

　　图3  距爆心10.36m，肺泡腔内可见较多的红细胞、细胞碎片、散在的排空的板层小体，尚可见脱落变性的肺泡II型上皮细胞，细胞核染色质边集，核仁粗大，胞浆内部分板层小体排空、退变失去了正常的髓鞘样结构(TM×4200)（略）

　　讨论

　　1  水下冲击波的物理特性
   
　　冲击波借助于介质如空气、水、固体向周围传播，通常介质的密度愈大，冲击波传播的速度也愈快，传播的距离也愈远。水的密度约为空气的800倍，且具有相对的不可压缩性和稀疏性。因此，水下冲击波不仅传播的速度比空气冲击波快，而且传播的距离也远得多。据有关报道［3］，水下冲击波的传播速度大致相当于同样强度空气冲击波的3～4倍；同质量TNT地面爆炸与水下爆炸相比，同距离的压力值可相差200倍左右。本研究室的前期研究工作也得到了上述相类似的结果［4］。本研究采用1kg TNT球水下爆炸，第1发由于发生了半爆现象，因此冲击波物理参数明显偏低，而第2发和第3发爆炸充分，测得的物理参数为：距爆心10.36、12.79、15.25m峰值压力分别为（3592.5±82.73）、（3096±79.20）、（2298.5±68.59）kPa，冲量分别为（284.96±10.01）、（176.64±11.07）、（119.61±7.33）kPa·ms，与既往的研究结果相近［5］。由此表明测试的物理参数稳定，可用于伤情和量效关系的分析。

　　2  肺损伤特点及机制

　　2.1  动物死亡率较空气冲击波高  29只犬中，现场死亡6只，伤后7小时左右和12～28小时间各死亡1只，死亡率为27.59%（8/29）。笔者所在实验室发现，0.5kgTNT水下爆炸的死亡边界与既往40kgTNT地面爆炸的相当［6］。显然，水下冲击伤的死亡率要比同当量间距离空气冲击伤的死亡率高得多。这可能与水下冲击波较空气冲击波传播的速度快，传播的距离远，同质量爆炸时同距离的冲击波强度远大于空气冲击波有关。

　　2.2  肺仍是水下冲击波致伤和致死的靶器官  本研究发现0.5kgTNT完全爆炸情况下肺损伤的发生率为100%，主要表现为不同程度的肺出血，肺出血严重者常伴有不同程度的肺水肿，肺体指数明显增加。由于肺是体内比较脆弱、柔软与含气的组织，易受到冲激波的影响。肺损伤机制主要通过3个方面［7］：（1）冲击波的负压引起的肺泡过速和过度扩张所致；（2）冲击波超压通过内爆效应而引起肺损伤；（3）冲击波对机体胸廓直接打击所引起的肺损伤。由此表明同空气冲击波一样，含气组织肺仍是水下冲击波致伤最敏感的靶器官。加之水下冲击波传播的速度比空气冲击波传播的速度要快3～4倍，且压力值高200倍左右，所以，对肺组织的损伤就更为严重，但腹部损伤较轻，仅见部分动物胃肠道有浆膜下出血或血肿，肝脾轻微包膜下出血［8］。因此分析肺损伤可能是动物早期死亡的主要原因。

　　3  对水下冲击伤防治的意义
   
　　本研究的结果表明严重肺损伤可能是动物早期死亡的主要原因，因此，在水下冲击伤早期救治中，仍应把肺损伤的处理作为早期救治的重点。在水下冲击伤的防护方面，防护装备研究应着重于胸部的防护，当可能遭受水中爆炸性武器袭击时，应尽快离开水面，来不及时可尽快从深水区转移到浅水区，或采用仰卧于水面的体位，这样可避免或减轻冲击波引起的胸部脏器损伤。

【文献】
  　　［1］Phillips YY，Zaitchuk I.The management of primary blast injury in Bellamy RF and Zaitchuk K conventional warfare ballistics ,blast and burn injuries［M］.Textbook of military medicine part 1.vol 5.published by office of the surgeon general dept of the Army USA Washington DC，1991.231-231,258-260.

　　［2］王正国.冲击伤伤情的病理判定标准［C］.59171部队科研资料汇编,1976.73-75.

　　［3］王正国.冲击伤［M］.北京:人民军医出版社，1983.77-78.

　　［4］宁心,李晓炎,杨志焕,等.水下冲击波和空气冲击波传播速度及物理参数的对比研究［J］.解放军医学杂志,2004,29(2):97-99.

　　［5］杨志焕,朱佩芳,蒋建新,等.水下冲击伤损伤特点的初步探讨［J］.中华创伤杂志,2003,19(2):111-114.

　　［6］杨志焕,朱佩芳,蒋建新.水下冲击伤处理原则的初步探讨［J］.创伤外科杂志,2006,8(3):234-237.

　　［7］陈海斌，王正国，杨志焕，等.冲击波传播的三个时段模拟实验中动物肺的损伤［J］.爆炸与冲击,2000,20(3):264-269.

　　［8］王峰，周继红，杨志焕.水下冲击伤伤情特点的实验研究［J］.创伤外科杂志，2007，9（6）：540-543.