爆震傷的物理學基礎及損傷機制＊

王長松，張偉平，范乃軍，高春芳

爆震傷的物理學基礎及損傷機制＊

王長松，張偉平，范乃軍，高春芳

［摘要］強烈的爆炸可以造成多種類型的損傷，尤其是爆震壓就可以造成十分復雜的組織損傷。充分了解爆震傷發生的物理原理和發生機制將有助于院外急救人員、急診醫師和外科醫師等相關的醫護人員對其進行有效的分類及合理積極地救治，故對爆震傷發生的物理學原理和損傷層級等相關內容進行綜述。

［關鍵詞］爆震傷；物理學；損傷

近年來恐怖主義組織將商場、車站、地鐵、飛機和其他公眾場所作為襲擊目標，造成了大量的平民傷亡［1］，如美國的911事件。人們面對爆震傷的概率越來越高，大多數爆震傷患者，表現為相似的典型穿透傷或鈍性傷，但爆炸產生的沖擊波造成的創傷卻另有特點。沖擊波造成的壓力主要針對機體的含氣組織，如呼吸系統，胃腸道和聽覺系統。嚴重的呼吸系統創傷造成的動脈空氣栓塞可能造成局部缺血，尤其是腦部，心和腸道。此外，爆炸后出現的混亂場面中如何將傷病員準確有效地分類和及時地診治也應該得到高度關注，因為有些損傷可能不明顯或者臨床表現比較隱蔽或延后。本文就爆震傷的物理學基礎及損傷機制進行綜述，以幫助理解爆震傷的發生和損傷原理。

1　爆震的物理學原理

爆震是由于可爆炸物爆炸后迅速導致固體或液體進入空氣中所致。空氣迅速從爆炸點向外擴散并代替周圍的介質，通常為空氣或水。空氣的擴張引起壓力的急速增加，引起沖擊波，而后隨著距離和時間的延長而逐漸消散［2］。沖擊波推動物體或人體，從而造成損傷。爆震初始能量消失后，由于替代空氣造成的空虛在壓力恢復正常之前會形成一段時期的相對低壓狀態。爆震過程中可形成正向壓力和負向壓力。爆震波陣面超壓以及正壓期都可以造成爆震傷。

四種因素會影響爆震波陣面超壓的強度、爆震波的傳播速度和隨之而來的爆震傷。一是介質。爆炸發生時周圍的介質與之密切相關，如，水是不可壓縮的物質，所以水中的爆震波傳播速度會高于其他介質，而消減的速度卻較慢［3］，所以相比空氣介質所造成的損傷會更大［4］。二是距離。人與爆炸點的距離決定著爆炸后達到爆震波陣面超壓的強度，離爆炸點越近，承受的爆震波越大。由于爆震波的播散，爆震消散的能量、陣面超壓和距爆炸點距離的立方呈反比［3］，所以如果距離增加2倍，陣面超壓峰值將降至初始值的1/8。三是反射面。當爆震波從固體表面反射回來后，陣面超壓會被放大，增加其力量。例如，離墻體較近的人將承受增強的陣面超壓，爆震傷造成的損傷可能會更加嚴重。四是爆炸位置對陣面超壓的效應［5］。在開闊空間，沖擊波從爆炸點向四周擴散并迅速消散；如果爆炸發生在狹窄或密閉的空間里（如公交車，房間或建筑物里）最大壓力強度會被顯著擴大，因為爆炸力是在密閉空間內無法迅速消散。密閉空間增加了陣面超壓以及正向壓力周期的持續時間。

2　炸藥類型

化學炸藥的分類方法最常見是基于爆炸速度將其分為低爆速炸藥或高爆速炸藥［6］。低爆速炸藥迅速燃燒（爆燃），傳播速度低于1000 m/s，產生大量氣體，只有在密閉空間內才可能發生爆炸（如管道炸彈）。高爆速炸藥不會燃燒，但是當沖擊波以超過4500 m/s的速度穿過目標時會產生爆炸，隨之產生陣面超壓，即使不在密閉空間內也會產生這種效應。

低爆速炸藥的常見例子，如黑火藥，無煙火藥，常作為子彈和炮彈的推進劑。無煙火藥，發明于1864年，由硝化棉，乙醚和乙醇混合后干燥而成［6］，高爆速炸藥的種類較多，包括多種化學純化物，如硝酸甘油、三硝基甲苯、三過氧化三丙酮、三硝甲基胺、季戊四醇以及復合物（如甘油炸藥，硝酸銨燃油以及可塑炸藥［C4和塞姆汀可塑炸藥］）。

20世紀以來，多種高爆速炸藥得到了發展，包括三硝基甲苯，三硝甲基胺以及戊四硝酯。通過混合高爆速炸藥（如硝酸甘油或者三硝甲基胺）和增塑劑可制造出可塑炸藥。這種獨特的黏土樣特質使其廣泛應用于爆破和軍事用途［7］。更有甚者，有記載顯示可塑性炸藥難以被安全專家檢測到，因此倍受恐怖分子的喜愛，被應用于1988年在英國舉辦的泛美飛行、2000年也門舉辦的USS Cole warship和2002印度孟買火車上的恐怖爆炸事件。

三過氧化三丙酮和六亞甲基三過氧化二胺是高爆速液體炸藥的代表，2005年倫敦地鐵爆炸案是以過氧化物為基礎的炸藥；另一高爆速炸藥用硝酸銨和燃油以94∶6的比例混合，常用于采礦工業和建筑業?？植婪肿邮褂眠@種爆炸物引起了特別的關注，因為硝酸銨（肥料）和燃油容易得到。

高爆速炸藥進一步可分為初級炸藥（可被機械撞擊，摩擦或熱能引爆）和次級炸藥 （需要二次引爆）。

錐形裝藥和爆炸形成的穿透可以直接增大陣面超壓，錐形裝藥在底部具有線性的中空結構，可以在特定方向聚焦炸藥的大部分能量，這種聚焦增進了可控性，增加了破壞的可能性，由此受到恐怖分子的鐘愛。2006年首次報道了高密惰性金屬炸藥（dense inert metal explosive，DIME）的應用，這種炸藥由單一的高爆速炸藥（如三硝甲基胺）和惰性的金屬小碎片（如鎢）組成，這些炸藥的研制成功使炸彈體積更小，有更有效的爆炸半徑。據稱這種炸藥具有較低的附加損傷能力，因為大量的惰性金屬造成壓力衰減的速度加快。爆炸時，DIME的外殼破裂成很小的碎片，這些彈片和爆炸沖擊力在較近的范圍內是致命的，爆炸后的存活者常會伴四肢截肢，而且體內殘留重金屬彈片，因與腫瘤形成有關而倍受關注。

臨時爆炸裝置是指任何臨時制備的，可替代炸彈的爆炸裝置，使用后造成損傷、致殘，多用于多次襲擊或轉移對方的注意力。多種裝置可用來引爆這些臨時爆炸裝置，包括電子發射器，翻傾開關，熱控開關，運動探測器，壓力感應棒以及絆網等等。盡管引爆機制很復雜，但殘留部分（如由計算器開關，洗衣機定時器和跳閘線制備的壓力裝置）則易于隱藏，難以被發現。偶爾，阻止拆除或滅活的裝置也會安裝在臨時爆炸裝置上。

以交通工具為載體的臨時爆炸裝置，即交通工具裝載炸藥沖向高價值目標或政府部門而引爆。發生于2001年美國紐約的世貿中心恐怖襲擊事件，其載體飛機就是交通工具負載的臨時性爆炸裝置。住宅負載的臨時性爆炸裝置是將大量炸藥放置于住宅中，當目標出現時引爆。這些以交通工具和住宅為載體的爆炸裝置對無交通工具或載體保護的人群釋放巨大的直接的陣面超壓。

為了增加臨時性爆炸裝置的威力，進而增加爆炸傷威力，制造者可能采用錐形裝藥或添加物質碎片，如滾珠軸承，碎石或廢舊金屬。此外，也可能添加糞便，這樣可以引起污染的穿透碎片。更有甚者，結合有化學武器的爆炸裝置也可能被引爆，如氯罐，可以釋放有毒的氯氣。另外，這些炸彈裝置在馬德里，倫敦和孟買的恐怖爆炸中也有應用［8］。

3　爆震傷的機制

爆炸傷害模式分為初級，次級和三級傷害，后來提出的四級傷害主要用來形容復雜性或混合性損傷，最近又提出了五級傷害模式。爆炸中受傷人員往往有多重損傷，這就使得這些損傷模式的界限無法明確區分，于是產生了多維損傷的概念。

3.1初級爆震傷當陣面超壓到達人體并且作用于人體時產生初級爆震傷，造成組織的直接損傷。1950年，Schardin描述了三種能夠引起損傷的爆炸力：裂解力、聚爆力和慣性力。這些力在空氣-組織界面處具有濃集效應，在密閉空間內的力量比開放空間更強，造成的傷害的概率更高。然而，造成傷害的真正力量強度還不清楚。

當壓力波從一種致密載體向較低密度載體傳播時，會產生裂解力，導致高密度介質移位并裂解低密度介質。例如水下爆炸會引起高密度的水潑灑進入相對低密度的空氣中，并呈向上的碎片狀水珠。

當組織內的氣體突然被陣面超壓壓縮時產生爆聚力。當正向壓力過后，氣體重新擴張并同時釋放大量的動能。Ho描述了一種簡單地脹裂和爆聚力引起肺的損傷，他描繪出了爆震波如何通過相對不可壓縮的血液在血管內進行傳播的，爆聚力破壞了血管壁的內皮，當沖擊波進入肺泡，肺泡內壓縮后的氣體重新擴張，迫使氣體溢入毛細血管，形成空氣栓子。

慣性力，即剪切力，這種力類似于在非爆震損傷時力量消減的病理生理效應，如，汽車碰撞。相對于超壓峰，不同密度的組織運動速度也不同，于是當超壓穿過某一個器官時，不同密度的結構成分扭結在一起，并被這些剪切力破壞。

3.2次級爆震傷次級爆震傷多由陣面超壓或沖擊波形成的碎片造成的傷害。這種碎片能夠引起穿通傷和鈍器傷類似于和平時期的創傷（如，刺戳傷，沖擊傷，明顯可見的損傷等）?？植勒◤椩斐傻钠矫駛τ泻芏喽紝儆诖渭壉饌驗檫@些炸彈通常都含有碎片成分，如滾珠軸承，小五金，碎石或廢舊金屬等，以達到武器的最大殺傷力。有時機體表面表現為小刺傷的次級爆震傷會遮掩這些碎片及嚴重的內在損傷。

碎片在介質中移行距離并造成損傷比陣面超壓移行的距離要大，損傷要嚴重。因此，碎片能夠造成距離爆炸中心成百上千米遠的目標次級沖擊傷，而初級爆震傷僅發生于數十米范圍內。因此，次級爆震傷比初級爆震傷更常見。

3.3三級爆震傷當人體接觸到超壓峰的壓力，爆震傷以及受到鈍性傷后即為三級爆震傷，如閉合性顱腦損傷、鈍性腹部創傷、組織挫傷或骨折。此外，建筑物或附屬物結構坍塌也增加了嚴重的三級爆震傷的危險度（如，頭部創傷，創傷性窒息以及擠壓傷），死亡率接近未發生坍塌的密閉空間內發生的爆震。

3.4四級和五級爆震傷四級爆震傷，偶爾稱之為復合性爆震傷，直接由爆震導致，而部分歸類于初級、次級或三級爆震傷，包括但不僅限于燒傷，有毒物質沾染（如，放射性物質，一氧化碳中毒，氰化物中毒），窒息和心理創傷。

最后是五重損傷模式。這種分類方法基于在以色列爆炸事件中觀察到患者具有高度的炎癥反應狀態而分類?；颊弑憩F為高熱、大汗、低中心靜脈壓以及正向的體液平衡。對創傷的持續性研究將可能增進對這種爆震傷損傷模式的理解。

4　結　論

現代社會中，局部軍事沖突和恐怖主義事件時有發生，甚至在工農業生產中也可以產生爆震傷，如礦山開采，建筑物爆破等等，這些爆震傷的增加，對于進行急診搶救和治療，分類管理的醫護人員提出了更高的要求，因為他們是首先接觸到傷病員的，更應充分認識爆震傷的物理原理，發生機制，病情分類以及組織損傷類型。

【參考文獻】

［1］de Ceballos JP，Turegano-Fuentes F，Perez-Diaz D，et al.11 March 2004：The terrorist bomb explosions in Madrid，Spainan analysis of the logistics，injuries sustained and clinical management of casualties treated at the closest hospital［J］.Crit Care，2005，9（S1）：104-111.

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［5］Arnold JL，Halpern P，Tsai MC，et al.Mass casualty terrorist bombings：a comparison of outcomes by bombing type［J］.Ann Emerg Med，2004，43（3）：263-273.

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［7］Cooper PW.Explosives engineering［M］.New York City，NY：Wiley-VCH，1996.

［8］Mehta S，Agarwal V，Jiandani P.Ocular injuries in survivors of improvised explosive devices（IED）in commuter trains［J］.BMC Emerg Med，2007，7（1）：16.

［2015-05-09收稿，2015-06-07修回］［本文編輯：韓松］

［中圖分類號］R826

［文獻標志碼］A

［基金項目］國家科技重大專項基金支持（2014ZX09J14101-01A）

［作者單位］471031河南洛陽，解放軍150醫院病理科（王長松），肛腸外科研究所（范乃軍，高春芳）；471000河南洛陽，解放軍71621部隊（張偉平）

Physical basement and mechanism of blast injuries

WANG Chang-song①，ZHANG Wei-ping，FAN Naijun，et al.①Department of Pathology，the 150th Hospital Chiese PLA，Luoyang，Henan 471031，China

［Abstract］Powerful explosions have the potential to inflict many different types of injuries on victims. Blast pressures can also result in very complex injures on all kinds of tissues.These challenge out-of-hospital personnel，emergency physicians，and trauma surgeons to specifically seek evidence of these internal injuries in individuals with multiple trauma，and ensure greatly aid for the management of blast-injured patients.So as to understand the mechanism of blast injury well，this article reviewed the related publications.

［Key words］Blast injury；Physical mechanism；Damage