水下冲击波致伤作用研究现状与展望

周建军，王国栋

爆炸冲击波能对人员生命安全及健康造成严重损害，其致伤机理和防护是各国军事医学的重要研究方向。爆炸冲击伤是指机体受爆炸冲击波直接或间接作用而发生的损伤。鱼雷、水雷和深水炸弹等水中武器在水下爆炸时会造成水下冲击伤，根据相关文献报道，在第二次世界大战期间产生了大量水下冲击伤[1]。二战以来，国外不少研究机构建立起自己的水下试验场及各种水下冲击波致伤动物模型，广泛研究了水下爆炸冲击波的致伤作用[2]。近20年来，我国许多实验室也相继开展了相关实验并取得了较多的研究成果。本文在论述水下爆炸冲击波基本特性的基础上，重点对水下冲击波致伤作用的实验研究现状进行了综述，展望了未来研究的方向。

1 水下爆炸冲击波的基本特性

爆炸的一个重要的特征就是在爆源周围的介质中产生急骤的压力跃升，冲击波则是压力跃升的传播方式[2]。水下爆炸的能量会转化为起始冲击波、气泡破裂脉冲以及冲击波上升沿压力带给水的速度、周围水的运动引起的骚动和推挤[3]。水的密度大约是空气的800倍，压缩性小，水下冲击波并不能形成像空气冲击波那样的压缩区和稀疏区，因而其传播速度更快，传播距离也更远。相同当量三硝基甲苯[C6H2CH3(NO2)3，TNT]水下爆炸与地面爆炸相比，水下冲击波峰值压力更高，正压持续时间更短，冲量大[1-2，4]。在过去水下冲击波的研究中，往往把爆源的水深设定得较深，得出冲击波的特征较为简单明确。但在实际情况里，爆源水深往往较浅，冲击波的特征往往复杂。国外学者对此进行了深入的研究，将浅水冲击波分为：爆源的直接波、水面缓冲波、底部反射波、经过底部材料传播并辐射回水中的波，上述4种波相互叠加构成了复杂的水下冲击波[5]。

2 水下冲击伤的特点与研究现状

水下冲击伤多发生于水下作业以及军队岛礁作战和登陆作战时，水下蛙人、落水人员往往多发此伤。大量研究表明，水下冲击波主要通过超压和负压对机体造成损伤，强度远远大于空气冲击波，因而有着较高的死亡率。由于冲击波由水下进入空气后冲量会大大衰减，因此一般情况下冲击波对水中人员的损伤主要集中在腹部空腔脏器与肺，而实质脏器、颅脑与颌面部损伤相对较少[6]。

2.1 国外水下冲击伤的研究现状 第二次世界大战期间发生了大量的水下冲击伤，当时将水下冲击伤称为“浸没冲击伤”。1967年埃以消耗战争期间，埃及的导弹快艇击中了以色列的“埃拉特号”驱逐舰，舰员弃舰，随后另一枚导弹在水下爆炸。有32名落水人员获救，其中肺冲击伤27人，腹部冲击伤24人，手术探查发现其中22人肠穿孔，19人同时有胃肠和肺损伤，4人死亡[7-8]。但真正水下冲击伤的研究于20世纪60年代美军建立水下试验场后才全面展开，他们提出了生命机体于垂直体位时水下冲击伤的标准和安全限值。当冲击波的冲量为33.79 kPa·ms时,人员无任何损伤；当冲量为68.79、137.93、282.76 kPa·ms时分别引起人员阈值损伤、轻度损伤和中、重度损伤；冲量为596.82 kPa·ms时引起50%人员死亡[7,9]。在水下冲击伤防护研究方面，Cripps等[10]研究发现复合材料(PbPV/PZ)对猪的肺和小肠有较好的防护效果，而结肠的防护效果不佳。目前由于在这方面的研究涉及到各国军事利益，因此至今未见详细的数据报道。

2.2 我国水下冲击伤的研究现状 我国水下冲击伤研究于20世纪90年代全面展开，由陆军军医大学野战外科研究所王正国院士领衔。他们发现同当量TNT在水下和空中爆炸，水下冲击波超压值比空气冲击波大200倍左右，冲量大10倍左右[7]。通过狗、兔等动物实验，对内脏器官大体形态学观察，初步明确了水下冲击伤的损伤特点，发现肺是水下冲击波致伤和致死的主要靶器官，腹部伤发生率较高，其中结肠损伤占多数，实质脏器和体表损伤发生率较低。通过初步的量效关系分析得出了引起轻、中、重、极重度水下冲击伤的冲量范围分别为121.1～142.0、142.0～214.3、247.8～322.6、322.6～579.8 kPa·ms[1]。进入21世纪后，他们对水下冲击伤进行了更深层次的研究，利用约1 kg TNT进行水下爆炸，通过大体、光镜和电镜分别观察了实验动物水下冲击伤后内脏器官的病理变化。光镜下观察到局灶性肺不张，肺内广泛出血，肺泡腔充满红细胞及纤维蛋白渗出，间质水肿并伴有白细胞浸润。电镜下可见变性的肺泡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。心肌纤维断裂，心肌细胞肿胀，间质血管充血、水肿，少量白细胞浸润。肠道浆膜下出血、血肿，肌层断裂，肠绒毛断裂、崩解，大量白细胞浸润，间质血管淤血。含液脏器与实质脏器损伤轻微，仅少数实验动物肝、脾、胰腺包膜下出血[11-12]。同时他们也对水下冲击伤的防护进行了相关研究，利用计算机模拟和仿真的方法，筛选了聚碳酸酯(PC)、玻璃纤维增强材料(GRP)及海绵等材料，并用硅橡胶现场成形技术将这些复合材料有机地组合在一起，设计出了适用于水下冲击伤防护的具有漂浮功能的防护背心[7,13]。

海军军医大学海军特色医学中心(原海军医学研究所)近年来也开展了相关研究，研究人员根据实验动物组织病理损伤发现，器官组织按照损伤严重程度排序依次为：肺、肝、胃肠道、心、脑。随着爆炸物当量及水下冲击波超压峰值加大，实验动物损伤部位增多，损伤程度加重[14]。并得出伤情差异主要与爆炸物产生的冲量以及能流密度有关的结论，这与李光华等[3]研究结果相符，他们把动物组织器官的损伤量化定性，利用数学建模，将水下爆炸冲击伤的伤情等级进行划分，建模时划分了5种状态：正常、轻伤、重伤、极重伤、死亡。选取合适的参数分别建立了2种模型：一种以冲量和能流密度为主要参数，另一种是以冲量和超压峰值为主要参数。最终第一种模型的预测结果跟实验结果十分吻合，而第2种模型较为混乱，尤其是在轻伤与重伤的区分上。姜永田等[15]对大白兔进行相应处理建立了脊髓水下冲击伤模型，发现水下爆炸冲击波可致实验动物脊髓损伤，损伤的程度与冲击波的冲量呈正相关，且在一定时间内存在继发性损伤。

3 展望

近些年，通过大量动物实验研究，已经对水下冲击伤的机制、分级以及防护等研究有了初步的成果。但随着武器装备等不断更新换代，战斗模式不断转换，水下冲击伤的研究也还需要不断深入与完善。水下冲击伤伤情复杂，涉及多个学科，既需要系统研究又需要单个器官组织研究，为提高我军海上卫勤保障能力，笔者认为，未来对于水下冲击伤的研究需要从以下几个方面进行完善改进。

3.1 研究方法 未来海战战场环境复杂，以往研究中实验环境设置较为简单，不能充分模拟出真实的海洋环境，因而得出的实验数据较为理想。国外一些研究机构在几十年前就开展了水下爆炸冲击波特点的数字模拟与试验研究，建立了许多对实际工程具有指导意义的经验公式，而我国在近几年才开展类似的研究[16-19]。因此，未来应继续加强仿真数据的采集，建立更加完善的水下冲击伤伤情等级的数学模型，开发合适的有限元显示动力分析软件，从而充分模拟出真实的海洋环境，为水下冲击伤实验研究提供技术支撑。

3.2 研究内容 目前动物实验研究主要集中在观察损伤器官的病理特点上，未能深入研究水下冲击波致伤的分子机制与病理生理特点。已有研究结果表明，空气冲击波致伤后机体内氧自由基增多，随之造成细胞氧化应激损伤，而抗氧化剂则能减轻这种损伤[20]。因此，未来在研究水下冲击伤时应深入研究其分子机制与病理生理特点，这也将为水下冲击伤的诊治与防护提供新的思路。既往已对水下冲击伤致空腔脏器损伤进行了大量的动物实验研究，但颅脑颌面部致伤研究较少，这是基于设想相关人员颅脑颌面部处于水面上的情况。伴随着当代海战模式的转变，尤其像水下蛙人这样的战斗人员不断出现，未来加强对颅脑颌面部的水下冲击伤的研究是必要的。目前相关研究已经证实空气冲击伤会对神经系统产生影响，部分冲击伤患者在伤后会有不同程度的中枢神经系统异常症状，同时冲击伤也可能是造成创伤后应激障碍的原因之一[21]。目前对于水下冲击伤是否会造成类似结果还未可知，未来需要进一步深入研究。复杂的海洋环境同时也会给搜救带来极大的困难，从开始搜救到伤员得到初步的治疗这段时间里水下冲击伤伤员将一直浸泡于海水中，目前的动物实验研究仅单纯的模拟水下冲击伤后实验动物的即刻损伤情况，未将海水浸泡的影响考虑到其中，因此未来也应重视水下冲击伤与海水浸泡伤的复合性损伤及相应的继发性损伤。防护系统的研究未来更应注重系统的防护，根据人员水下不同任务设计出相应的防护装具，研发有效的预防药物。

4 结语

未来战争随着新概念武器的不断出现，新方法、新技术的不断引入，水下爆炸冲击伤的伤情将复杂多变，因此应不断的完善水下冲击伤的研究，改进研究方法与研究内容，加强与基础、预防等学科的协作，密切与部队、武器研发、现场试验等部门的联系，以保障研究成果切实符合部队实际需求，为海上卫勤保障提供有力支撑。