在渡海登岛、武装泅渡或舰船受损后人员落水时，水面泅渡或停留的作战人员如果遇到水雷、鱼雷等水下爆炸性武器的攻击，常会产生大批重伤伤员。随着战场快速救治技术的改进和转运后送能力的提高，战场伤亡率必将明显下降。但近年来世界各国均未发生过大规模的海战，水下爆炸致脏器损伤的临床病例和实验研究相对较少。目前美国海军水下风险救治指南也不是基于实战的爆炸损伤数据，而是完全基于20世纪50年代发表的一项数据模拟假设^[1]。随着各国海洋资源开发竞争的日益激烈，未来发生海上冲突的可能不断增加，有必要对水下爆炸的损伤特点进行研究。

一般按致伤因素的不同将爆炸相关的损伤分为4级，分别与爆炸产生的冲击波、弹片或二次破片、身体跌落碰撞和其他损伤因素（如爆炸产生的高温、火球、有毒气体等）有关^[2]。与空气中发生的爆炸不同，水下爆炸伤有以下特点：（1）水的密度和黏滞系数都比空气大得多，水下冲击波的传播速度更快、距离更远、损伤强度更大；（2）黏滞系数的增加使破片速度在短距离内急剧下降，二级损伤发生的可能性大大降低；（3）人员在水中漂浮，几乎没有跌落碰撞的危险；（4）由于水的有效阻隔，高温、火球、有毒气体等致伤因素的影响几乎可以忽略不计^[1]。因此，水下爆炸伤主要是由冲击波造成。本实验以比格犬为研究对象模拟水面泅渡状态，研究水下爆炸冲击波致颅脑和肺的病理学和影像学改变，为该类损伤的防护与救治提供参考。

成年比格犬20只（北京玛斯生物技术有限公司提供，动物合格证号：11400600000860），雌雄不限，体重9.0~12.0 kg，按与爆源的水平距离（以下简称爆距）随机分为5 m、8 m、11 m和15 m组，另设对照组，每组4只。

比格犬以戊巴比妥钠溶液腹腔内注射（40 mg/kg）联合速眠新Ⅱ号肌内注射（0.2 mg/kg）进行麻醉。麻醉成功后，将小型救生圈固定于犬的颈部并调节至合适松紧度，确保犬呼吸通畅。将受试比格犬按计划距离布置入实验水池（图 1），调整颈部救生圈确保比格犬头部露出水面，颈部以下身体位于水下。爆炸源为1 kg 2, 4, 6-三硝基甲苯（2, 4, 6-trinitrotoluene, TNT）裸药，固定于水下2 m位置，爆炸致动物损伤。实验过程中测量和记录水下压力、动物颅内压力，同时高速摄像。水下压力传感器固定于与比格犬等效位置的水面下0.3 m处，颅内微型传感器置于顶部硬膜外，连接动态数据采集系统检测爆炸压力。对照组同样经历麻醉、水池浸泡等过程，但不给予爆炸致伤。

图 1 实验布局及比格犬的水中状态 Fig 1 Experiment layout and the condition of beagles in water A: The underwater explosive pond has a diameter of 60 m and a maximum depth of 10 m at the center. It is shaped as an inverted truncated cone. The ambient temperature was 20-25 ℃. B: Schematic diagram of the experiment layout. The source of explosion was 1 kg TNT equivalent bare explosive, the vertical distance from the water surface (D) was 2 m, and the horizontal distance between beagle and explosive (L) was 5, 8, 11 or 15 m. C: The condition of beagles in water before blast. TNT: 2, 4, 6-trinitrotoluene.

爆炸后立即将犬从水中救出，判断死伤情况，用动物生命体征监测仪对其心电、体温、脉搏、血压、血氧进行监测。

爆炸后3 h内对存活的比格犬进行头部和胸部CT检查，以及头部MRI的T1、T2、液体衰减反转恢复（fluid attenuated inversion recovery, FLAIR）、扩散加权成像（diffusion-weighted imaging, DWI）序列的检查，观察颅脑和肺的损伤情况。

对爆炸后死亡的比格犬立即进行现场解剖，存活的比格犬在爆炸后24 h麻醉、放血处死，取脑、肺观察大体损伤情况，之后将脑和肺置于4%多聚甲醛溶液中固定，留存待检。选取顶叶皮质和海马区的脑组织、肺部淤血区域与外观正常组织交界处组织行常规石蜡包埋，切片，H-E染色，光学显微镜下观察组织的病理形态学改变。同时，将上述包埋好的组织进行TUNEL染色，DAB显色，用光学显微镜观察脑和肺组织内细胞凋亡情况。

根据压力波形进行分析可知，各爆距的爆炸过程中水下环境压力变化都主要由冲击波作用和气泡脉动作用构成，而且上述2种作用均在比格犬颅内引起了压力响应。不同爆距水下爆炸2个作用阶段的压力峰值、压力冲量值及比格犬颅内响应压力的峰值见表 1。图 2展示了爆炸过程中爆距11 m处水下及比格犬颅内的压力曲线。

表 1 (Tab 1)

表 1 水下爆炸过程中水下0.3 m处及比格犬颅内压力参数 Tab 1 Physical parameters of 0.3 m underwater and intracranial pressure of beagles during underwater explosion Horizontal distance/m Blast wave underwater Bubble pulsation underwater Intracranial responding peak pressure of beagle/kPa Peak pressure/MPa Impulse/(Pa•s) Peak pressure/MPa Impulse/(Pa•s) Blast wave Bubble pulsation 5 7.67 680.0 1.32 225.0 5.20 2.93 8 5.16 367.0 1.27 160.0 4.73 4.72 11 3.81 190.0 1.03 107.6 3.10 2.31 15 2.48 105.0 0.17 31.0 0.47 0.16

表 1 水下爆炸过程中水下0.3 m处及比格犬颅内压力参数 Tab 1 Physical parameters of 0.3 m underwater and intracranial pressure of beagles during underwater explosion

图 2 爆炸时爆距11 m处水下及比格犬颅内的压力变化 Fig 2 Changes of underwater pressure and intracranial pressure of beagles 11 m from explosion source A: Pressure curve at the point of 0.3 m below the water surface 11 m from the explosion source during explosion; B: Intracranial pressure curve of beagles 11 m from the explosion source during explosion.

高速摄像机拍摄频率为每秒730帧。如图 3所示，水下爆炸对比格犬的致伤作用可分为冲击波作用和气泡作用2个阶段，作用过程中可见比格犬全身剧烈震动，前一个阶段时幅度更大。

图 3 水下爆炸高速摄像结果 Fig 3 Records of high-speed camera of underwater explosion A: Beginning of the explosion; B: The blast wave stage; C: The bubble pulsation stage; D: The explosion gradually subsided.

爆炸后将比格犬迅速从水中捞出，判断死伤情况并监测生命体征。5 m、8 m、11 m和15 m组比格犬分别死亡4、3、1、0只。其中，5 m组全部4只、8 m组有2只当场死亡，8 m组和11 m组各有1只呈濒死状态并在2 h内死亡，15 m组4只均存活。由于水中浸泡原因，比格犬的体温普遍比正常参考值低1~2 ℃，呼吸频率下降，部分犬出现心律不齐、心率减缓（约40 min^-1）、平均动脉压下降，血氧饱和度为80%~95%。麻醉清醒后犬精神状态较差，食欲下降，活动减少。

如图 4所示，爆炸后比格犬的胸部CT最突出的表现是肺内出血，部分比格犬出现气胸、血胸或胸腔积液等表现，对照组未见明显变化；各实验组比格犬的头部CT表现基本正常，与对照组相比无明显差异，未发现颅骨骨折、脑挫裂伤、颅内出血、水肿等原发性或继发性脑损伤表现。

图 4 水下爆炸后对照组与11 m组比格犬的胸部和头部CT检查结果 Fig 4 CT findings of chest and head of beagles in control group and 11 m group A: Chest CT of control group; B: Head CT of control group; C: Chest CT of 11 m group; D: Head CT of 11 m group. CT: Computed tomography.

图 5为11 m组爆炸后存活犬的头部MRI检查结果，可见双侧大脑半球对称，灰白质对比正常，未见局灶性异常信号，各脑室、脑池形态正常，中线结构居中，灰白质交界、基底节区及脑干等爆震伤易损区域在T1、T2、FLAIR、DWI序列上均未见到明显异常信号影。以上结果进一步证明水下爆炸对颅脑的损伤作用甚微。

图 5 水下爆炸后11 m组比格犬的头部MRI检查结果 Fig 5 Head MRI findings of beagles in 11 m group after underwater explosion A: T1-weighted imaging; B: T2-weighted imaging; C: FLAIR imaging; D: DWI. MRI: Magnetic resonance imaging; FLAIR: Fluid attenuated inversion recovery; DWI: Diffusion-weighted imaging.

与对照组（图 6A）比较，各实验组比格犬均出现不同程度的肺冲击伤，损伤主要位于肺中叶和下叶，可见肺内片状出血，部分伴有胸腔积液或血胸（图 6B）。H-E染色可见大量肺泡壁破裂，肺泡腔融合，红细胞充填在肺泡腔内，肺间质内有大量炎症细胞浸润，水肿严重，间质毛细血管血流淤滞（图 6C、6D）。TUNEL染色见肺泡上皮细胞和间质细胞的细胞核广泛深染，呈现凋亡坏死趋势（图 6E、6F）。

图 6 水下爆炸后对照组与11 m组比格犬肺的大体观察和病理结果 Fig 6 Macropathology and pathology of beagles' lung in control group and 11 m group after underwater explosion A: Macropathology of control group; B: Macropathology of 11 m group; C: H-E staining of 11 m group (100×); D: H-E staining of 11 m group (400×); E: TUNEL staining of 11 m group (100×); F: TUNEL staining of 11 m group (400×). H-E: Hematoxylin-eosin; TUNEL: Terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP-biotin nick end labeling.

由于头部位于水面以上，各实验组比格犬均未见到明显的脑组织损伤，与对照组比较无明显差异（图 7A、7B）。光镜下观察各实验组比格犬顶叶皮质及海马区的H-E染色图片（图 7C~7F），脑组织形态未见明显变化，也无明显的脑水肿，毛细血管和神经元结构正常，未见明显炎症细胞渗出。TUNEL染色图片仅见海马区少量细胞的细胞核呈阳性表现（图 7G、7H）。

图 7 水下爆炸后对照组与11 m组比格犬脑的大体观察和病理结果 Fig 7 Macropathology and pathology of beagles' brain in control group and 11 m group after underwater explosion A: Macropathology of control group; B: Macropathology of 11 m group; C: H-E staining of parietal cortex in 11 m group (100×); D: H-E staining of parietal cortex in 11 m group (400×); E: H-E staining of hippocampus in 11 m group (100×); F: H-E staining of hippocampus in 11 m group (400×); G: TUNEL staining of 11 m group (100×); H: TUNEL staining of 11 m group (400×). H-E: Hematoxylin-eosin; TUNEL: Terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP-biotin nick end labeling.

抢滩登陆、舰船对抗等战斗往往相当激烈，水面泅渡或坠船落水人员如果遇到水雷、鱼雷等爆炸性武器袭击常在短时间内大量死伤。本实验通过水下爆炸致伤水面漂浮的比格犬模拟上述过程，对其受伤后的一般情况、脑部和肺部的病理学和影像学表现进行研究，结果显示肺部冲击伤为其主要损伤类型，脑部损伤相对轻微。

水的密度约为空气的800倍，冲击波在水中的传播速度更快，杀伤范围更广^[3]。水下爆炸后，水中首先形成向四周扩展的冲击波，紧随在冲击波之后爆炸形成的“气球”在水中膨胀然后回缩、反复振荡并不断上浮，同时产生向四周扩展的二次压力脉冲波。因此，水下爆炸的致伤过程有冲击波作用和气泡脉冲作用2个阶段^[4]。本实验的压力曲线和高速摄影结果都记录到了这2个过程，其中以冲击波的杀伤强度更大。水下爆炸的致伤作用由上述2个作用叠加形成，损伤也相对严重。一般以冲击波的压力峰值和冲量大小来衡量其杀伤强度，这2个物理参数与爆炸源的当量、相对距离、传播介质、环境是否密闭等因素均密切相关^[5]。本实验结果显示，1 kg TNT水下爆炸对比格犬的致死杀伤半径为11~15 m，其对应的压力峰值和冲量分别为2.48~3.81 MPa和105~190 Pa•s。美国《海军潜水手册》显示，水下爆炸冲击波压力峰值为3.45~13.8 MPa时将会对人体造成重伤^[6]，与本实验结果较为接近。

我们还同时记录了水下爆炸过程中水下及比格犬颅内压力的变化，可以看出比格犬颅内的压力响应总体上随外界压力的增加而增大。在冲击波作用阶段，比格犬颅内响应峰压与冲击波压力呈正相关关系，然而在气泡作用阶段两者之间却无明显相关关系。结合高速摄像记录，我们推测这可能是由于比格犬的身体在受到冲击波作用后部分浮出水面，在气泡脉冲作用时胸腹部受冲击的面积减小所造成的；同时，由于头部位于水面以上，爆炸引起的颅内压力峰值很低。当在同一介质内（如空气）传播时，冲击波通过2种方式造成脑损伤：一种是冲击波穿过头皮和颅骨等组织引起脑组织移位变形而产生损伤；另一种是冲击波作用于胸腹部瞬时挤压该处的大血管，压力经大血管传导入颅并阻碍颅内静脉回流而致伤，2种方式中前者占主导地位^[7-8]。冲击波在穿过不同介质界面时能量会在界面附近沉积而严重衰减^[9]。因此，在本实验中颅内压力的变化主要经胸腹部传导引起，各实验组比格犬的颅内压力峰值均低于10 kPa。已有研究证实，当冲击波压力峰值在100 kPa以上时才能引起较为明显的脑组织损伤^[10]，因而水下爆炸对水面泅渡或落水人员的颅脑损伤相对较小^{[1, 11]}。

从病理学和影像学检查结果来看，肺是水下爆炸损伤最主要的靶器官。肺作为空腔脏器，最容易被冲击波致伤^[12-13]。Boutillier等^[14]的一项关于猪肺爆震伤的研究发现肺损伤的阈值为爆炸冲量58.3 Pa•s，当冲量超过232.8 Pa•s时便可引起重度肺损伤（30%~60%面积的肺组织瘀斑）。冲击波的内爆效应和组织间的剪切牵拉引起肺泡和血管破裂、组织挫伤，发生肺内出血和黏液分泌，导致呼吸困难^[15]。该病变严重时用胸部X线片便可诊断，表现为典型的“蝠翼征”或“蝴蝶征”^[16-17]。胸部CT能更清楚地显示支气管和血管病变，对轻型肺爆震伤有更好的诊断价值，也利于与其他肺部疾病相鉴别。肺爆震伤的临床表现包括咳嗽、咯血、呼吸困难、窒息等^[1]，爆炸强度越大损伤越严重。本实验爆炸后即刻死亡的比格犬尸检发现，它们都存在广泛的肺内出血。因此，我们建议对现有的救生衣进行改进，使其既具有漂浮作用又能够对抗或减弱冲击波能量的传导，防止肺爆震伤的发生。与其他爆炸环境不同，本实验中的水下爆炸并未造成明显的脑组织损伤。但是，在潜水或水下作业时人员全身浸入水中，水下爆炸仍会造成一定程度的颅脑损伤，必须采取相应的防护措施^[18-19]。

综上所述，水下爆炸对模拟水面泅渡或漂浮的比格犬杀伤力强，损伤主要表现为肺爆震伤，其病理学和影像学改变具有一定的特征性，同时脑组织损伤相对轻微。根据本实验结果，作战人员在执行类似环境的作战行动时应佩戴相应的防护装具对胸部加以保护；建议爆炸发生后尽快对伤员进行相关的影像学检查，以辅助早期诊断、快速开展针对性治疗。本研究样本量较小，由于研究条件限制仅在单一时间点进行了的相关检查，未对不同程度肺爆震伤的影像学表现进行分级，还有待后续实验进一步探究。