段朝霞，李冠樺，張東冬，翁昌梅，陳魁君，張潔元，張良潮，陳志強(qiáng)，謝秀娟，王建民

低頻強(qiáng)聲又稱高強(qiáng)度低頻噪音，一般是指頻率在20～1000 Hz，聲壓級>140 dB的聲源。聲源對人體的危害及影響主要是取決于聲源的頻率、強(qiáng)度及作用的距離。長期以來，有關(guān)聲音對生物體影響的大部分研究都局限于低強(qiáng)度的環(huán)境聲，其聲壓級一般在90 dB(A)以下。隨著現(xiàn)代社會中強(qiáng)聲出現(xiàn)的次數(shù)日益增多，以及強(qiáng)聲危害日益受到重視，有關(guān)強(qiáng)聲特性及其應(yīng)用的研究成了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。研究表明，當(dāng)人體暴露到強(qiáng)聲中，可能會出現(xiàn)的物理危害有以下幾種情況：暴露到聲壓級為90～120 dB(A)的低頻聲(5～200 Hz)1 min就會產(chǎn)生極度的煩躁和心煩意亂感；110～130 dB(A)的次聲將引起腸道疼痛和嚴(yán)重惡心；當(dāng)聲壓級達(dá)到140～150 dB(A)時就會產(chǎn)生巨大的身體創(chuàng)傷和組織損傷；>170 dB(A)的聲音會產(chǎn)生瞬時沖擊波型的創(chuàng)傷[1-5]。

近年來，聲學(xué)裝備以其獨(dú)特的性能受到越來越多國家的重視。怎樣合理有效地使用聲學(xué)裝備，是研究和開發(fā)聲學(xué)裝備的關(guān)鍵。由于聲學(xué)裝備具有非致命性、可控性強(qiáng)、無二次污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，使其成為在不對人體造成物理損傷的前提下驅(qū)散人群、控制人群的一種有效手段。怎樣在不造成人群物理損傷內(nèi)行的前提下達(dá)到最優(yōu)的人群控制效果，就是低頻強(qiáng)聲驅(qū)散樣機(jī)研制者們的主要目的。為了解中科院理化技術(shù)研究所自制低頻強(qiáng)聲驅(qū)散樣機(jī)(75～85 Hz)在不同聲強(qiáng)(108～141.5 dB)情況下的安全性和有效性，本研究擬通過不同強(qiáng)度的低頻強(qiáng)聲對不同實驗動物(山羊、巴馬小香豬和大鼠)損傷效應(yīng)特點(diǎn)研究，明確低頻強(qiáng)聲驅(qū)散樣機(jī)的安全性和有效性，為低頻強(qiáng)聲驅(qū)散器的定型與使用安全，也為制定該類傷員的診斷、救治、防護(hù)措施提供依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1實驗場地一般情況 實驗場地位于中國人民解放軍陸軍特色醫(yī)學(xué)中心(原陸軍軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所)靜音室，實驗場地溫度20℃，地面干燥。

1.2實驗動物布放及致傷 實驗共用重慶當(dāng)?shù)厣窖?只，體重32～36 kg，雌雄各半；巴馬小香豬4只，體重25～30 kg，雌雄各半；陸軍特色醫(yī)學(xué)動物中心SD大鼠40只，雌雄各半，體重200～250 g。實驗分兩階段，共8次實驗。第一階段：低聲強(qiáng)段(108 dB和130 dB的聲強(qiáng)，2018年3月完成，共做3次實驗，用大鼠20只，山羊2只)；第二階段：高聲強(qiáng)段(138 dB和141.5 dB的聲強(qiáng)，2019年4月完成，共做5次實驗，用大鼠20只，山羊4只，巴馬小香豬4只)。第一階段第一次和第二次實驗僅用大鼠，每次10只(其中5只做誘發(fā)電位重復(fù)使用)；第三次實驗用10只SD大鼠和1只山羊同時致傷(由于第三次實驗10 min后儀器損壞，剩余的5只大鼠和1只山羊未做致傷對照)。第二階段第一、二、三次實驗用山羊和巴馬小香豬各1只，SD大鼠10只(包括5只做誘發(fā)電位的大鼠)，第四次實驗僅用1只山羊，第五次實驗僅用1只巴馬小香豬。實驗動物分別放在不同籠內(nèi)，以最近距離，不同聲強(qiáng)(108、130、138、141.5 dB)持續(xù)時間30 min。

1.3聲強(qiáng)檢測 實驗過程中的聲強(qiáng)檢測由中科院理化技術(shù)研究所采用專用的聲強(qiáng)檢測儀檢測，聲強(qiáng)檢測非實時檢測，驅(qū)散器聲強(qiáng)穩(wěn)定后測試聲強(qiáng)，然后記錄致傷時間。

1.4心電圖檢測 為檢查驅(qū)散樣機(jī)的安全性和有效性以及實驗前后對實驗動物的心臟損傷情況，實驗大動物(山羊和巴馬小香豬)在致傷前，在上下肢體部皮膚去毛，將實時心電圖導(dǎo)聯(lián)電極片置于皮膚表面，并將電極用透明膠粘牢，露出導(dǎo)聯(lián)線，采用清心L8便攜式心電監(jiān)護(hù)儀，實時監(jiān)測實驗動物傷前正常及傷后心電圖變化。SD大鼠用生理檢測儀器：MFE便攜式腦電記錄儀，福田720型6導(dǎo)心電圖機(jī)，聽覺腦干誘發(fā)電位儀。

1.5大體觀察與病理解剖 實驗中所有大動物(山羊和巴馬小香豬)分別在致傷后3 h解剖觀察；大鼠在實驗后1周解剖。檢查組織損傷程度和范圍；疑有損傷處取材固定，鏡下觀察顯微結(jié)構(gòu)變化。大體解剖程序為：體表、四肢軟組織、骨骼；脊柱；聽器(鼓膜穿孔面積、聽小骨是否完整)；眼(角膜、前房、虹膜、玻璃體、視網(wǎng)膜)；顱腦出血部位、面積，軟腦膜充血程度；胸壁、肋骨完整性，胸腔積血、積液量；咽喉、氣管、肺臟出血或煙塵異物黏附面積、部位；心外膜、內(nèi)膜出血面積；腹腔實質(zhì)臟器(肝、脾、腎)有無破裂，包膜下出血范圍與量；腹腔空腔臟器(胃、小腸、結(jié)腸)黏膜出血、穿孔大小、范圍。低頻強(qiáng)聲驅(qū)散樣機(jī)對耳鼓膜的損傷效應(yīng)觀察：鋸開顱骨，打開內(nèi)耳聽泡，觀察耳鼓膜破裂、出血及聽骨鏈完整情況。

1.6生化指標(biāo)檢測 SD大鼠于致傷后不同時間解剖時從心臟取血。血生化：血清肌酸激酶(CK)、乳酸脫氫酶(LDH)、肌酸激酶同工酶(CK-MB)、肌酐(CREA)、尿素(BUN)、丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶(ALT)、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶(AST)采用日本SP-4430型干式生化分析儀檢測；血清神經(jīng)元特異性烯醇酶(NSE)、肌鈣蛋白(cTn-T)、血管生成因子1(AGGF1)、醋酸纖維(CA)、皮質(zhì)醇(Corisol)和中樞神經(jīng)特異性蛋白(S-100β)用酶聯(lián)免疫吸附實驗檢測。其中AST、ALT主要反映肝臟損傷嚴(yán)重度；CREA、BUN主要反映腎臟損傷嚴(yán)重度；NSE、S100β主要反映腦損傷嚴(yán)重度；GLU、CK、LDH、cTn-T、AGGF1、CA、Corisol主要反映應(yīng)激反應(yīng)及廣泛性肌肉組織損傷嚴(yán)重度。第一階段的生化檢測部分由重慶巴爾思生物科技公司完成，第二階段的生化檢測部分由中國人民解放軍陸軍特色醫(yī)學(xué)中心檢驗科完成。

2 結(jié)果

2.1實驗動物損傷情況 本實驗通過在靜音室內(nèi)用中科院理化技術(shù)研究所自制低頻強(qiáng)聲驅(qū)散樣機(jī)(75～85 Hz)在不同聲強(qiáng)(108、130、138、141.5 dB)情況下作用于不同實驗動物(大鼠、巴馬小香豬、山羊)，以觀察中科院理化所自制低頻強(qiáng)聲驅(qū)散樣機(jī)使用的有效性和安全性。聲強(qiáng)≤130 dB的實驗共做了3次，第1次出口處的聲強(qiáng)為120 dB，鐵籠處的聲強(qiáng)為108 dB，持續(xù)30 min；第2次鐵籠處的聲強(qiáng)為130 dB，持續(xù)30 min；第3次鐵籠處的聲強(qiáng)為130 dB，持續(xù)10 min(儀器壞掉)。實驗結(jié)果顯示：實驗大鼠和山羊在初次聽到聲音時，并未表現(xiàn)出驚慌、亂竄、停止吃食等受到驚嚇的表現(xiàn)，但20 min后，籠內(nèi)的大鼠都擠在一起；心腦、聽閾檢測也未發(fā)現(xiàn)異常；大體解剖后，大鼠和山羊心、肺、肝、腎、大腦、鼓膜均未發(fā)現(xiàn)異常；大鼠行為學(xué)檢查及病理解剖均未發(fā)現(xiàn)異常。

聲強(qiáng)138 dB和141.5 dB的實驗共做了5次，分別將1只山羊、1只巴馬小香豬和9只SD大鼠放在不同籠內(nèi)，強(qiáng)聲驅(qū)散器以最近距離作用于實驗動物，驅(qū)散器出口處的聲強(qiáng)第1次為138 dB，其余4次均為141.5 dB。實驗結(jié)果顯示：實驗大鼠、巴馬小香豬和山羊在初次聽到聲音時，并未表現(xiàn)出驚慌、亂竄、停止吃食等受到驚嚇的表現(xiàn)，但20 min后，籠內(nèi)的大鼠都擠在一起；心腦、聽閾檢測也未發(fā)現(xiàn)異常；大體解剖后發(fā)現(xiàn)：138 dB和141.5 dB的聲強(qiáng)作用于實驗動物后，有3只巴馬小香豬的心或肺出現(xiàn)點(diǎn)狀出血的輕度損傷；2只山羊肝或肺出現(xiàn)了點(diǎn)狀出血的輕度損傷，其余動物肺、肝、腎、胃腸、鼓膜、腦均正常；第一次實驗的羊解剖后心、肺、肝、腎、胃腸、鼓膜、腦均正常，巴馬小香豬解剖后發(fā)現(xiàn)左心室二尖瓣上有一個0.1 cm×0.1 cm的點(diǎn)狀出血。第二次實驗的巴馬小香豬解剖后左肺下葉上緣有一個0.1 cm×0.1 cm的點(diǎn)狀出血，其余心、肝、腎、胃腸、鼓膜、腦均正常；第二次實驗的羊解剖后發(fā)現(xiàn)左肝下葉有十幾個散在的點(diǎn)狀出血點(diǎn)，大小為0.1 cm×0.1 cm，左側(cè)鼓膜充血；其余動物心、肺、腎、胃腸、腦均正常。第三次實驗的巴馬小香豬解剖后發(fā)現(xiàn)心、肺、肝、腎、胃腸、鼓膜、腦均正常；第三次實驗的羊解剖后發(fā)現(xiàn)心、肺、肝、腎、胃腸、鼓膜、腦均正常。第四次實驗的巴馬小香豬解剖后發(fā)現(xiàn)左肺中葉有一個0.1 cm×0.1 cm的點(diǎn)狀出血，左肺上葉背側(cè)有一個0.3 cm×0.1 cm的肺大泡，左肺下葉背側(cè)有一個0.1 cm×0.1 cm的點(diǎn)狀出血，其余動物心、肝、腎、胃腸、鼓膜、腦均正常。第五次實驗的羊解剖后發(fā)現(xiàn)左肺上葉背側(cè)有一個0.3 cm×0.2 cm的肺大泡，右肺下葉腹側(cè)有4個0.1 cm×0.1 cm的點(diǎn)狀出血，其余動物心、肝、腎、胃腸、鼓膜、腦均正常。

2.2實驗動物損傷的生理功能變化 大鼠用生理檢測儀器：MFE便攜式腦電記錄儀，福田720型6導(dǎo)心電圖機(jī)，聽力誘發(fā)電位儀。動物心電圖檢查均為竇性心律，正常心電圖，致傷后實驗動物僅有心率不同程度加快或變化不大，未出現(xiàn)明顯ST段抬高改變，表明不同強(qiáng)度的低頻強(qiáng)聲對靜音室內(nèi)實驗動物未引起明顯的心臟損傷。聽力誘發(fā)電位結(jié)果顯示，暴露30 min后，108、130、138、141.5 dB的聲強(qiáng)均不引起SD大鼠聽力閾改變。

2.3實驗動物生化指標(biāo)檢測 各指標(biāo)損傷后不同時間比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表1。

2.4實驗動物行為學(xué)指標(biāo)檢測 SD大鼠在不同強(qiáng)度的強(qiáng)聲致傷后在Morris水迷宮內(nèi)尋找平臺逃避潛伏期、空間探索實驗時在第Ⅲ象限游動時間和穿越原平臺位置次數(shù)與致傷前比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表2、3。

3 討論

聲波裝備是新概念致傷裝置中發(fā)明較晚、發(fā)展比較穩(wěn)健、殺傷機(jī)制比較清楚的一類非致命性裝備，但目前尚無安全有效便攜的非致命聲波裝備。按照產(chǎn)生聲波頻率的不同，一般將聲波武器分為次聲波裝備、強(qiáng)噪聲裝備和超聲波裝備。次聲波裝備是通過發(fā)射<20 Hz的次聲波，與人體生理系統(tǒng)發(fā)生共振，使目標(biāo)神經(jīng)錯亂、全身不適，從而失去戰(zhàn)斗力；強(qiáng)噪音裝備可發(fā)射高達(dá)150 dB的強(qiáng)大脈沖聲波，使目標(biāo)聽覺器官暫時致聾，產(chǎn)生頭暈?zāi)垦?、惡心，失去自我控制能力和定向能力，從而逃離作用區(qū)域；超聲波裝備是利用高能超聲波發(fā)生器發(fā)出頻率>20 000 Hz聲波，產(chǎn)生強(qiáng)大的空氣壓力，引起視覺模糊、惡心等生理反應(yīng)，從而造成人員戰(zhàn)斗力減弱或完全喪失。目前，研究最多、最明確的是次聲裝備，但近年來噪音裝備也逐漸受人關(guān)注，尤其是利用低頻強(qiáng)噪音(強(qiáng)聲)制備的低頻強(qiáng)聲定向驅(qū)散樣機(jī)。

表1 定向強(qiáng)聲驅(qū)散樣機(jī)實驗大鼠傷后不同時間生化指標(biāo)檢測結(jié)果

注：cTn-T為肌鈣蛋白，AGGF1為血管生成因子1，CA為醋酸纖維，Corisol為皮質(zhì)醇，NSE為血清神經(jīng)元特異性烯醇化酶，S-100β為中樞神經(jīng)特異性蛋白，ALT為丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶，AST為天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶，CREA為肌酐，CK-MB為肌酸激酶同工酶，LDH為乳酸脫氫酶，BUN為尿素，CK為肌酸激酶

表2 大鼠致傷前后水迷宮定位航行實驗逃避潛伏期結(jié)果

表3 大鼠致傷前后水迷宮空間探索實驗結(jié)果

強(qiáng)聲一般是指頻率在20～1000 Hz，聲壓級>140 dB的聲源。聲源對人體的危害及影響主要是取決于聲源的頻率、強(qiáng)度及作用的距離。人體各器官的固有頻率為3～17 Hz，頭部的固有頻率為8～12 Hz，腹部內(nèi)臟的固有頻率為4～6 Hz，次聲波非致命武器就是選擇人體敏感的聲波頻率4～8 Hz作用目標(biāo)；對于脈沖噪音，人耳對不同頻率的聲音感受的強(qiáng)度不同，根據(jù)等響曲線，對2～5 kHz頻率的聲音最敏感，所以聲波定向驅(qū)散器一般選擇人耳最為敏感的頻段作為攻擊聲，遠(yuǎn)距離聲音定向驅(qū)散裝置的發(fā)射頻率為2100～3100 Hz，可以達(dá)到很好的驅(qū)散效果。

聲音對機(jī)體的影響分為四個等級。一般聲強(qiáng)<120 dB，對機(jī)體的影響是可恢復(fù)的；120～140 dB,經(jīng)一定時間的聲波沖擊后，內(nèi)耳就有可能遭受永久性損傷；140～150 dB,遭受刺激的人可能形成嚴(yán)重腦損傷；>150 dB時，聽覺器官會發(fā)生鼓膜破裂出血、迷路出血、螺旋器從基底膜急性剝離，一次刺激就有可能使雙耳完全失去聽力。

據(jù)目前的文獻(xiàn)報道，強(qiáng)聲對機(jī)體的多個器官系統(tǒng)都有不同程度的影響或損害，但研究主要集中在耳、呼吸系統(tǒng)(肺)、消化系統(tǒng)(主要是肝、脾)及神經(jīng)系統(tǒng)(腦)；對機(jī)體的損傷效應(yīng)又分為急性期效應(yīng)和長期反復(fù)接觸引起的損傷效應(yīng)。目前的研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)聲對人和動物造成的損傷主要是描述性的、暫時性的功能損傷，大體解剖很少發(fā)現(xiàn)有異常，病理染色發(fā)現(xiàn)部分臟器出現(xiàn)細(xì)胞水平的改變(50 Hz，142 dB可造成巴馬香豬的聽力閾值較暴露前明顯升高；掃描電鏡下可見內(nèi)、外毛細(xì)胞靜纖毛融合、散亂及缺失等改變[6]；103或300 Hz 150 dB作用10 min，可造成大鼠不同程度的血管擴(kuò)張、充血、淤血及組織水腫等改變[7]；用100 Hz 140 dB低頻強(qiáng)聲，1 h/d，連續(xù)作用20 d，HE染色發(fā)現(xiàn)即刻的低頻強(qiáng)聲暴露對海馬回細(xì)胞形態(tài)、分布和凋亡無影響，而較長時間(10～20 d)的低頻強(qiáng)聲暴露可導(dǎo)致海馬回細(xì)胞數(shù)目減少，排列疏松、紊亂[8]；陳超等[9]研究發(fā)現(xiàn)80～100 Hz的低頻強(qiáng)聲在160 dB時，可導(dǎo)致巴馬小香豬在致傷過程中或致傷后2 h內(nèi)死亡。

中科院自制驅(qū)散樣機(jī)的頻率為75～85 Hz，大鼠的心率>200/min，山羊的心率約100/min，更接近人的心率。因此，本研究采用大鼠、巴馬小香豬和山羊做實驗，以了解中科院理化技術(shù)研究所自制的低頻強(qiáng)聲驅(qū)散樣機(jī)的不同聲強(qiáng)對不同實驗動物的損傷特點(diǎn)、致傷的靶器官及損傷閾值。研究結(jié)果表明，不同強(qiáng)度的低頻強(qiáng)聲作用于放于靜音室內(nèi)的實驗動物30 min后，較高聲強(qiáng)(138 dB和141.5 dB)作用后可引起部分臟器(心、肺、肝)的點(diǎn)狀出血(輕微損傷)，但未發(fā)現(xiàn)聽閾、功能及行為學(xué)異常；<130 dB聲強(qiáng)均未發(fā)現(xiàn)聽閾、解剖、功能及行為學(xué)異常。提示該種低頻強(qiáng)聲驅(qū)散樣機(jī)在不同聲強(qiáng)(108～141.5 dB)情況下僅會引起實驗動物主要臟器的點(diǎn)狀出血。

本研究通過對中科院理化技術(shù)研究所自制的低頻強(qiáng)聲驅(qū)散樣機(jī)的不同聲強(qiáng)對不同實驗動物(大鼠、巴馬小香豬和山羊)的損傷效應(yīng)評估，了解了該低頻強(qiáng)聲驅(qū)散樣機(jī)對生物的損傷特點(diǎn)、致傷的靶器官，可得出以下結(jié)論：①聲強(qiáng)在141.5 dB時可引起部分大動物(山羊和巴馬小香豬)的輕微損傷，后續(xù)實驗需要進(jìn)一步確認(rèn)損傷效果和損傷閾值。②該驅(qū)散樣機(jī)的低頻強(qiáng)聲主要引起大動物的心、肝、肺等重要臟器損傷，對聽覺器官損傷不明顯。③該種低頻強(qiáng)聲驅(qū)散樣機(jī)在不同聲強(qiáng)(108～141.5 dB)情況下僅會引起實驗動物主要臟器的點(diǎn)狀出血，根據(jù)臨床分析，臟器的點(diǎn)狀出血可在1周左右吸收，不會引起臟器的不可逆性損傷，具有安全性；基于臨床分析，主要臟器的點(diǎn)狀出血可能會引起人員的不適，而使得該驅(qū)散樣機(jī)具有潛在的驅(qū)散能力(有效性)。