2. 400042 重庆，第三军医大学大坪医院野战外科研究所：第四研究室，车辆/生物碰撞重庆市重点实验室
2. Department 4, Chongqing Key Laboratory of Vehicle/Biological Crash Security, Institute of Surgery Research, Daping Hospital, Third Military Medical University, Chongqing, 400042, China
由于机动性能优异，直升机在登岛作战、悬空警戒以及兵力投送等方面具有重要作用，已成为我军重要的飞行武器平台。然而，直升机又是一种事故易发的空中平台[1-2]。美海军航空军医的《飞行事故调查手册》指出，碰撞减速度、侵入挤压、烧伤等是飞行事故伤的常见致伤因素[3]。碰撞事故伤经过近半个世纪的研究，目前已经明确水平向(前后向、侧向)冲击的损伤特点，但对直升机事故的常见伤害因素-垂直向减速冲击研究却鲜有报道。因猪胸腹部脏器解剖结构、损伤病生变化与人相似[4-5]，本实验选用成年香猪在轨道式碰撞实验平台上进行碰撞实验，模拟坐姿驾乘人员在直升机坠落事故时的垂直向碰撞(即头盆向碰撞)，制作直升机坠落事故胸腹部损伤动物模型，并观察其损伤特点，以期为直升机事故伤研究奠定一定基础。
1 材料与方法 1.1 实验动物及分组成年香猪18只，4~6月龄，雌雄不限，体质量(27.17±3.32) kg，由大坪医院野战外科研究所实验动物中心提供。碰撞速度参照轻型固定翼飞机和旋翼机坠撞要求(MIL-STD-1290A)，根据碰撞速度差将实验动物采用简单抽样法平均分为2组(n=9)：Ⅰ组，8 m/s；Ⅱ组，11 m/s。实验前8 h禁食，3%戊巴比妥钠(30 mg/kg)行耳源静脉注射麻醉。动物盆骨、头部安装加速度传感器(Endevco, 7264C-2k)，腹腔、颅内(正中沟处)和腰椎管内安装压力传感器(CYG-41000，图 1)。动物实验得到本院所医学伦理委员会批准(编号:20150415)，实验过程中尽量减少动物使用数量，并尽最大努力避免动物遭受痛苦。
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| A：腹腔、腰椎管内压力传感器以及骨盆处加速度传感器的固定；B：头部加速度传感器和颅内压力传感器的固定 图 1 成年香猪体内加速度传感器以及压力传感器的固定 |
1.2 实验设备
在车辆碰撞实验平台基础上，用碰撞台车、壁障和牵引系统等设备开展垂直向碰撞冲击实验。在碰撞台车上安装滑轨，研制倒置平放刚性座椅，座椅可沿光滑滑轨自由滑行。碰撞台车与壁障之间通过吸能装置减速停车，座椅与壁障之间用座椅底部布置的橡胶缓冲碰撞冲击，以避免装置损坏(图 2)。
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| A：碰撞台车及动物固定设计简图；B：碰撞前实物 图 2 垂直向减速冲击实验装置示意图和实物 |
1.3 实验过程
通过钢索将台车系上牵引小车，牵引小车用机械装置夹紧钢缆，预紧牵引钢缆；设置碰撞速度，开启高速摄影灯光系统、测速系统和高速摄像；启动牵引系统，碰撞台车沿跑道滑行碰撞壁障，碰撞台车减速停止后，座椅结构沿滑轨继续滑行，碰撞壁障后停止运动。
1.4 损伤观察监测动物生命体征，取颈动脉血进行血气分析(i-STAT, 美国), G3+血气片由美国雅培提供。采用ELISA法检测血清神经免疫标记物，包括神经特异性烯醇化酶(neuron-specific enolase, NSE)、胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein, GFAP)、髓鞘碱性蛋白(myelin basic protein, MBP)和血清星型胶质源蛋白S100B，试剂盒由上海酶联科技生物有限公司提供。动物致伤后6 h内间隔1 h进行血气分析。碰撞前取颈动脉血做血气分析及血清神经免疫标志物作为对照组。对动物进行CT检查，并解剖动物，采用简明损伤评分(AIS2005) 以及损伤严重程度评分(ISS)评价多发伤，并将主要胸腹部脏器及脑脊髓组织脱水、包埋、切片固定等，再HE染色后光镜检查。脑、脊髓等组织于2.5%戊二醛溶液中固定，在透射电镜(JEM-1400PLUS，日本)下观察并拍照。
1.5 统计学分析采用SPSS 19.0统计软件，计量资料以x±s表示，血气分析采用单因素方差分析，ISS评分比较采用独立样本t检验，检验水准α=0.05。
2 结果 2.1 动物碰撞过程形态变化台车碰撞后设备完好，动物碰撞过程的高速摄像序列图见图 3(1 000 f/s)。碰撞后动物呈头盆向压缩(图 3A、B)，胸腰部上凸(图 3C)，随后抛起之后落下(图 3D)。
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| A：滑车尚未与壁障碰撞；B：碰撞后动物躯干呈头盆向压缩；C：脊柱变形、胸腰部上凸；D：动物抛起 图 3 成年香猪碰撞实验序列 |
2.2 致伤力学参数与力学响应
动物碰撞实验中台车实际碰撞速度分别为(8.21±0.13) m/s和(10.69±0.41) m/s。两组间比较，台车加速度以及动物体的力学响应，即动物盆骨加速度、头颅加速度、胸腹部压力、腰椎管内压力以及颅内压力等，随着速度的增加而增加(表 1)。组内比较，减速冲击之后，骨盆处传感器首先产生响应，其绝对值及波动范围远大于头部(P=0.000)；腰大池内脑脊液压力绝对值高于颅内，波动范围也大于头部(P=0.000，表 1，图 4)。
| 组别 | 座椅速度(m/s) | 台车加速度(g) | 盆骨加速度(g) | 头颅加速度(g) | 腹腔压力(kPa) | 椎管内压力(kPa) | 颅内压力(kPa) |
| Ⅰ组 | 8.21±0.13 | 20.11±0.94 | 108.92±58.87a | 28.18±10.87 | 41.24±16.89 | 130.50±128.73b | 15.34±4.28 |
| Ⅱ组 | 10.69±0.41 | 26.08±3.53 | 139.19±78.54a | 47.41±28.54 | 63.61±65.83 | 267.34±138.00b | 34.93±9.84 |
| a：P=0.000，与头颅加速度比较；b：P=0.000，与颅内压力比较 | |||||||
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| 头部与骨盆处加速度见左侧纵坐标，正中沟压力、腹腔压力与腰大池压力见右侧纵坐标 图 4 Ⅱ组成年香猪碰撞实验体内各部位传感器响应曲线 |
2.3 动物损伤观察 2.3.1 碰撞后动物一般情况
Ⅰ组动物存活均超过6 h，Ⅱ组1只动物实验后5 min死亡，其余在1~2 h内死亡。两组动物碰撞后数分钟内心率、呼吸加快，而后缓慢降低至平稳；Ⅰ组动物血压在碰撞后迅速下降至稳定，Ⅱ组动物血压短时间内迅速下降至无法测量。
2.3.2 血气分析及神经免疫标志物测定动物致伤后6 h内间隔1 h进行血气分析，Ⅰ组动物在3 h出现p(CO2)升高(P=0.009)，pH降低(P=0.023)；Ⅱ组动物由于均在2 h内死亡，取第1小时血气进行分析。Ⅱ组动物1 h即出现pH下降(P=0.000)，HCO3-下降(P=0.011, 表 2)。对Ⅰ组动物血清进行神经免疫物检测，发现NSE、S100B、GFAP和MBP等指标分别在1、4、1、2 h有显著性升高(P＜0.05，图 5)。
| 组别 | 时间 | p(CO2) (mmHg) | p(O2) (mmHg) | pH | HCO3- (mmol/L) |
| 对照组 | 0 h | 43.20±2.13 | 82.00±22.10 | 7.40±0.61 | 27.60±3.44 |
| Ⅰ组 | 1 h | 39.47±4.75 | 94.00±24.81 | 7.40±0.22 | 24.75±3.22 |
| 2 h | 38.32±2.45 | 95.75±30.17 | 7.42±0.47 | 25.05±2.46 | |
| 3 h | 44.10±2.44a | 97.75±27.20 | 7.35±0.35a | 24.97±2.93 | |
| 4 h | 44.31±1.14 | 96.75±25.72 | 7.36±0.29 | 25.15±2.28 | |
| 5 h | 43.60±3.50 | 98.50±22.78 | 7.36±0.25 | 25.07±2.90 | |
| 6 h | 41.60±3.34 | 98.00±25.96 | 7.37±0.17 | 24.42±2.36 | |
| Ⅱ组 | 1 h | 45.57±26.13 | 72.00±26.47 | 7.23±0.76a | 19.05±6.24a |
| a：P＜0.05，与对照组比较 | |||||
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| a:P＜0.05，与对照组(0 h)比较；NSE、MBP、S100B、GFAP均在6 h内出现不同程度的升高，仅NSE值见右侧纵坐标 图 5 Ⅰ组成年香猪神经免疫物检测结果 |
2.3.3 大体损伤及镜下观察
实验动物体表损伤较轻，仅Ⅱ组动物有皮毛擦挂痕迹。碰撞后Ⅰ、Ⅱ组动物分别以简单随机抽样法挑选2只行CT检查，明显观察到中轴骨骨折(图 6)。实验后6 h处死动物，进行大体解剖，发现垂直向冲击损伤部位包括骨盆及脊柱(图 6)、脾脏、肺脏(图 7)、心脏(图 8)等。两组动物均有明显的胸腹部损伤，Ⅱ组动物损伤范围更广，胸腹部脏器损伤更严重；镜下可见肺间质充血，肺泡毛细血管损伤，脾脏破裂出血(图 9)；脊髓离断，脑神经纤维脱髓鞘(图 10)；两组动物心内膜肉眼及镜下均可见出血，但Ⅰ组心内膜出血发生率(5/9, 44%)高于Ⅱ组(1/9，11%)；两组动物均未见肝脏损伤。Ⅰ、Ⅱ组动物胸、腹部最大AIS2005评分相同，分别为4分和5分；ISS评分分别为(26.67±5.02) 分和(52.71±6.13) 分，差异有统计学意义(P＜0.05)。
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| A：整体观；B：胸腰结合部脊柱脱位：C：骨盆骨折 图 6 Ⅱ组成年香猪中轴骨损伤CT重建表现 |
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| A：Ⅰ组动物脾脏破裂；B：Ⅱ组动物脾脏破裂；C：Ⅰ组动物肺脏未见损伤；D：Ⅱ组动物肺挫伤 图 7 两组成年香猪胸腹部典型损伤大体观察 |
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| A:大体观；B：镜下观察(HE×40)；箭头示出血部位 图 8 Ⅰ组成年香猪心内膜出血观察 |
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| A:肺脏可见毛细血管破裂；B：脾出血 图 9 Ⅱ组成年香猪肺脏及脾脏光镜观察(HE×40) |
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| A:脊髓离段大体观察；B：脑神经纤维脱髓鞘电镜观察 图 10 Ⅱ组成年香猪脊髓大体和脑组织电镜观察 |
3 讨论
本研究在生物碰撞实验平台的基础上，通过改造碰撞台车，在其上安装滑轨，倒置平放座椅，让刚性座椅可沿滑轨自由滑行，使该实验平台可模拟垂直向碰撞冲击实验。碰撞实验表明，在冲击性载荷作用下，该实验装置可反复使用，能满足实验要求。
本实验复制出直升机坠落过程中垂直向冲击所致重度和危重度减速伤动物模型，用动物模型模拟研究垂直向冲击直升机飞行员事故伤特点，弥补以往用尸体、物理假人和计算机模型不能观察到人体重要解剖部位损伤病理与生理变化的局限性[6-8]。本研究发现，垂直向冲击所致减速时，起力学支撑作用的中轴骨在碰撞力学传递过程中易骨折，动物胸腹部重要脏器如肺、心、脾和肾等和中枢神经系统都易受到伤害。随着减速度增大，损伤部位更广泛，损伤更严重。本实验Ⅰ组成年香猪ISS评分(26.67±5.02)，Ⅱ组ISS评分(52.71±6.13)，两组比较差异有统计学意义(P＜0.05)。腹腔出血休克是危重伤组动物死亡的主要原因。
本实验中动物以头盆向减速碰撞模拟直升机垂直事故伤，研究结果与以往航空事故伤流行病学结果相似，如颅脑和胸腹脏器为常见损伤部位[9-11]。此外，本研究结果与已报道航空事故调查也存在差异，如本研究发现除脊柱和骨盆损伤外，其他部位未见骨折，但航空事故调查却发现最常见的骨骼损伤还有肋骨、颅骨和胫骨[10-11]。我们认为，除实验动物与人解剖结构不同引起损伤部位差异外，航空事故伤还可能同时复合多种其他伤害因素，正如美海军《飞行事故调查手册》[3, 12]提出，撞击、侵入也是重要的损伤机制，但本研究仅考虑了垂直向碰撞减速度冲击，尚未复合其他伤害因素。
Richter等[13]调查发现，人体以11.9 m/s速度坠落(7.2 m高处坠落)可引起胸腰椎骨折。为研究飞行员弹射安全，国内外研究机构早前开展了垂直向冲击所致的人体损伤实验，结果表明，成年男性垂直向冲击载荷达到20 g，持续5 ms即可导致椎体骨折，并且姿势会影响人体垂直向冲击耐受极限。本研究以(8.21±0.13) m/s和(10.69±0.41) m/s碰撞，其减速度载荷分别为127.85 g和164.35 g，远超过上述研究的损伤耐限，致伤载荷与直升机垂直坠落更为接近，动物损伤已达重伤和危重伤。本研究结果是否与真实直升机事故结果一致，还需数据进行进一步验证。
头盆向碰撞冲击时，腹腔脏器在碰撞中相互挤压，实质性脏器易出现损伤，本研究中未见空腔脏器损伤。脾脏是血管十分丰富的实质性器官，脾脏实质小裂口即有可能导致大出血。肝脏在腹腔的位置相对脾脏固定，且肝脏头端有膈肌保护，其余方向相邻组织空腔脏器居多，对垂直向冲击有较大缓冲，在本实验头盆向碰撞冲击中未见肝脏损伤，这一点与相关流行病学调查结果[14-16]不一致，我们推测肝脏损伤继发于水平向冲击或二次伤害，而非垂直向碰撞。类似情况也见于肺脏挫伤：Ⅰ组中未见肺脏损伤，Ⅱ组仅出现1例肺挫伤，提示肺挫伤并非头盆向垂直碰撞的主要原发性损伤。
Ⅰ组动物44%出现心内膜出血，Ⅱ组为11%，低速组更易出现此类损伤，与两组其他器官损伤的发生率及严重程度相反。Charaschaisri等[17]认为心内膜出血可导致心功能不全，甚至可以导致死亡。心内膜出血机制目前尚不明确，其在颅脑损伤[18]、失血性休克[19]和长时间暴露在加速度中均有可能发生。Burton等[20]研究发现，心内膜出血与以下3个因素有关：承受加速度时的加速度值、心率、体内儿茶酚胺的水平。由于该实验在心内膜出血出现阳性特征后即处死动物，没有连续观察，我们认为，除以上3点外，与损伤动物的存活时间，即心脏继续搏动次数可能相关：碰撞瞬间的减速伤导致心肌一定程度受损，搏动时心壁的牵张变化导致破裂的微小血管无法停止出血，待一定时间后表现出可见的出血。本研究发现心内膜出血位置位于左心室或右心室的心脏搏动幅度最大部位，间接支持这一推断。
直升机事故中，除了减速伤，有可能同时复合多种伤害因素[3]，如二次撞击、挤压、烧伤、有毒气体吸入等，坠入海中还涉及海水浸泡；直升机坠落冲击方向以及环境特征(坚硬地面、滩涂和水面)对伤害结果也有重要影响。本研究未涵盖上述因素，仅模拟垂直向减速度冲击这一典型致伤因素，与实际情况有一定差异。后续工作应根据流行病学调查结果及我军实际情况，进行计算机模拟仿真分析与动物实验相结合的研究，为提升直升机坠落事故伤的伤情预测与救治提供理论支撑。
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