爆炸波致顱腦損傷力學機制與防護綜述

蔡志華 ,賀葳 ,汪劍輝 ,王幸 ,張磊

(1.湖南科技大學 機電工程學院,湖南 湘潭 411201;2.軍事科學院國防工程研究院 工程防護研究所,河南 洛陽 471023)

0 引言

新戰爭模式下,戰爭和恐怖主義活動形式復雜多變,使用簡易爆炸裝置是現代局部戰爭和反恐作戰中的主要作戰手段。爆炸波對有生目標的傷害極大且防護較為困難,其中對人體的損害以頭-頸、胸部占比較高。美國國防和退伍士兵腦損傷中心統計數據(見圖1)表明,在2000 年至2020 年第四季度間,有434 618 名美國軍人被診斷為創傷性腦損傷(TBI),其中輕度創傷性腦損傷占82.4%。Connelly 等對6 590 名入院治療的美軍士兵進行了完整的TBI 篩查,其中5 665 名士兵因作戰受傷入院,因爆炸沖擊致傷的占61.9%。另外對美國海軍陸戰隊戰斗創傷登記處的數據分析,統計發現52%的顱腦損傷患者均是因爆炸沖擊導致。總之,爆炸波致顱腦損傷是最常見的損傷類型之一,也是單兵面臨的主要殺傷因素,對單兵的作戰、生存能力造成極大威脅。

圖1 美軍創傷性顱腦損傷統計數據[1](2000 年—2020 年第四季度)Fig.1 Statistics of U.S.military traumatic brain injury[1](in 2000～the fourth quatar in 2020)

針對爆炸波致顱腦損傷的研究,國內外研究人員初步提出了顱腦沖擊傷的機制,開展了大量的動物實驗、少量尸體實驗及數值模擬來揭示損傷機理和組織耐受閾值。目前相關研究對顱腦沖擊傷的損傷規律和量效關系認識不足,尚無法確定顱腦損傷的耐受閾值,缺少防彈頭盔對爆炸防護性能的評價體系等,嚴重制約了現代戰爭條件下戰斗力的提升?；诖?本文主要對目前國內外針對爆炸波作用下顱腦損傷與安全防護的相關研究進行總結,以期為從事相關研究的科研人員提供參考。

1 爆炸波的產生和造成的顱腦損傷類型

1.1 爆炸波

爆炸波對生物體的毀傷效應主要取決于5 個因素:1)超壓峰值;2)超壓持續時間;3)爆炸介質;4)爆心距;5)爆炸波流場環境。其中第5 個因素是最近頗受研究人員關注的問題,最初研究發現處于爆源和建筑物之間的受害者所受的傷害往往是在開放空間的2～3 倍,而在封閉環境(如建筑物內部、城市環境或車輛)中,爆炸波與周圍結構相互作用并產生多個反射波,反射波與入射波相互疊加產生復雜波,與單一的爆炸波相比,復雜波會對生物體造成更大的損傷。

爆炸裝置爆炸時瞬間產生大量的高壓氣體,同時釋放大量的熱。高熱高壓氣體迅速向四周膨脹,并將其能量傳給周圍的空氣介質,形成向外傳播的沖擊波。沖擊波到達測量位置時,該點的空氣壓力因突然受到壓縮而瞬間到達最大值,沖擊波前沿通過該點后,空氣壓力和流速均逐漸降低,當壓縮區尾部經過該點時空氣壓力已降至正常大氣壓,緊接著稀疏區通過該點空氣壓力此時恢復至正常大氣壓力之下形成負壓,當稀疏區通過該點后該點的空氣壓力恢復正常。典型的點源爆炸空氣沖擊波曲線如圖2所示,目前對沖擊波壓力時程曲線的研究仍主要集中于通過試驗手段獲取真實的壓力波形,并在此基礎上給出壓力波形擬合曲線。圖2 中,()為時刻的超壓值,為正常大氣壓,為超壓峰值,為沖擊波正壓持續時間,為沖擊波負壓持續時間,為負壓。Baker給出常用的空氣沖擊波超壓曲線經驗公式,認為Friedlander 方程從工程適用角度是最合適的,因為其能較準確預測波形曲線,同時所需要經驗參數少,便于通過試驗結果得到。

圖2 空氣沖擊波曲線[13]Fig.2 Air shock wave curve[13]

Friedlander 方程:

式中:為空氣沖擊波衰減系數,取值如圖3所示。

圖3 空氣沖擊波衰減系數[13]Fig.3 Decay constant of air shock wave[13]

1.2 爆炸顱腦損傷類型

根據主要毀傷元的不同,爆炸顱腦損傷通常可分為5 類:1)原發性爆炸腦損傷,是由沖擊波與大腦組織的直接作用引起的毀傷;2)繼發性爆炸腦損傷,主要由爆炸產生的高速破片引起;3)由于動壓對大腦的加速作用造成的腦損傷;4)接觸爆炸副產物而造成的傷害,包括吸入有害氣體,燒傷和失明等;5) 化學燒傷、輻射和病毒或細菌感染。

目前,創傷性顱腦傷按照臨床嚴重程度可分為輕度、中度、重度。格拉斯哥昏迷量表評分將創傷嚴重程度定義為輕度(13～15 分)、中度(9～12 分)、重度(3～8 分)和植物狀態(＜3 分)。還有一種針對爆炸性腦損傷的分類,輕度爆炸波致顱腦損傷(bTBI)的定義是在暴露于爆炸后的1 h 內意識喪失和24 h 內創后失憶;中度bTBI 是指大于1 h 但少于24 h 意識喪失,以及大于1 h 但少于7 d 創后失憶;嚴重bTBI是意識喪失大于24 h 和創后失憶大于7 d。

1.3 爆炸波致顱腦損傷病理特征

爆炸波致顱腦損傷常見的病理變化包括顱內出血、血管痙攣等。顱內出血是動物爆炸實驗中的常見特征。Knudsen 等和Saljo 等指出的常見損傷部位是腦干、小腦和中腦。Nakagawa 等通過微炸藥(平均300 kPa)對大鼠腦進行空氣介導爆炸后,觀察到硬膜下出血和彌漫性蛛網膜下腔出血。而顱骨和大腦之間有很薄的充滿腦脊液的硬腦膜間隙,因此施加過多的外力可能會導致顱骨碰撞大腦或大腦碰撞顱骨,這樣的相對運動可使橋接的靜脈撕裂,進而導致硬膜下血腫,在碰撞過程中由于軟組織血管破裂,也可能發生腦內血腫。創傷性腦血管痙攣是沖擊波致顱腦損傷的顯著特征之一。Armonda 等研究指出,在重度bTBI 患者的腦血管造影研究中,創傷性腦血管痙攣和假性動脈瘤的發生率分別為47%和35%;血管痙攣的發作時間平均會持續14 d,最長持續30 d。

2 爆炸波致顱腦損傷的研究方法

由于爆炸波致顱腦損傷的復雜性,研究方法主要為實驗研究和數值模擬,而理論研究較少。不同研究方法的側重點和優缺點各有不同,它們相輔相成,都是爆炸波致顱腦損傷不可或缺的研究手段。

2.1 實驗研究

根據爆炸波產生方式的不同可分為自由場爆炸實驗和激波管實驗;又可根據實驗樣本的差別分為動物實驗、尸體實驗和物理替代模型實驗。其中自由場爆炸實驗的主要優點是能較好地模擬真實的爆炸條件與環境,因此成為生物殺傷實驗加載方式的首選。

Wang 等使用大當量球型爆炸物與山羊來制作顱腦爆炸傷動物模型,結果顯示爆炸波的超壓峰值隨爆心距增加呈指數級下降,對應的實驗樣本組織損傷也呈指數級下降。Feng 等也開展了類似實驗研究,其將尤卡坦豬置于自由場中施加3 種不同水平的爆炸載荷,使用顱內壓(ICP)傳感器記錄到ICP 峰值為79～143 kPa、210～281 kPa、311～414 kPa,線性加速度計記錄到頭部線性加速度為120～412,這些實驗數據可用于數值模擬的驗證。受實驗成本、設備條件所限,也有研究人員采用體型較小的生物進行爆炸毀傷實驗。Bass 等和Rafaels 等使用雄性新西蘭白兔和雪貂建立了原發性爆炸腦死亡和傷害實驗的傷害風險函數模型,為中度/輕度TBI 的原發性爆炸性腦損傷研究提供了參考。Barbara 等記錄了小鼠在自由場爆炸實驗中沖擊波峰值壓力、上升時間、正壓持續時間、沖量和爆炸波速度,發現沖量是與bTBI 嚴重程度最相關的物理量。

自由場爆炸實驗的缺點是成本高、耗時長、危險性高、不環保,受實驗現場條件限制明顯,且爆炸所產生的火球、電磁干擾、爆炸噪聲、高速破片會使實驗環境復雜化,使得爆炸波對生物力學響應的結果無法精確評價。利用壓縮氣體作為驅動源的激波管產生的空氣沖擊波與化學爆炸的爆炸波相似,且可以消除上述不利影響,同時還具有更高的可控性和可重復性,因此成為常用的爆炸波模擬裝置。

Long 等通過使用激波管產生的空氣沖擊波研究了大鼠的TBI,凱夫拉防護背心削弱了147 kPa沖擊波對動脈血壓的降幅和心動過緩反應,提高大鼠在126 kPa 和147 kPa 沖擊波作用后24 h 的存活率。普通炸藥爆炸加載時,實驗對象除顱腦外其他部位也會產生沖擊傷,會對顱腦損傷效果分析產生影響,因此如何避免實驗對象其他部位遭受沖擊傷也是動物實驗關注的熱點之一。Cheng 等使用特制的鋁制倉固定大鼠,將大鼠顱腦暴露于電雷管所產生的沖擊波下,特制鋁倉一定程度上防止了沖擊波對大鼠胸腹的影響,可以任意設置大鼠與爆炸源之間的距離,從而可以研究原始爆炸波本身對大鼠的影響并提供更多的實驗控制。第四軍醫大學針對大鼠實驗使用一種微型球形爆炸源及特制爆炸架臺(見圖4),采用標準化批量制作微型點爆炸源,具有裝藥量一致、爆炸參數明確、爆炸能量穩定可控、產生爆炸壓力高度均一的特點,可以使用不同裝藥量的炸藥球以控制爆炸能量、調節動物與致傷物的距離來調整致傷能量、選擇不同致傷部位(左右額葉、頂葉、腦干等)。

圖4 微型球形爆炸源及特制爆炸架臺[34]Fig.4 Miniature spherical explosion source and special explosion stand[34]

動物大腦模型的形狀、大小、頭皮和頭骨的形態與人類相比存在較大差異,這些結果不能直接轉化到人體上,而使用替代頭部模型也不能夠完全再現人類對爆炸波引起的生物力學反應。因此,直接利用死亡后人體標本(PMHS)進行研究具有無可比擬的優勢。Ganpule 等使用3 個PMHS 的頭部,取出大腦,用20%的彈道凝膠回填顱內空間,并使用Hybrid III 頸部連接頭部,開展了介于尸體模型和假人模型過渡范圍內的“類尸體”模型實驗,通過在每個PMHS 樣品中選取11 個不同位置測量ICP、表面壓力和表面應變,結合損傷標準分析獲得在70 kPa的爆炸超壓內不發生傷害,140 kPa 的爆炸超壓發生中重度傷害,200 kPa 的爆炸超壓發生嚴重頭部傷害。Salzar 等將3 個PMHS 的顱骨內容物替換為生理鹽水溶液和帶有模擬腦脊液層的彈道凝膠混合物,裝上多個壓力傳感器,并放置在相同的激波管中。傳感器數據表明,在低于50%爆震肺損傷風險的壓力水平時,可能發生空穴現象。同時發現顱骨屈曲可能是導致空化發生的機制之一。

尸體實驗固然能最大程度解決人員顱腦沖擊傷真實情況,但也存在倫理、社會輿論及實驗樣本少、實驗成本高等缺點,如何深度挖掘尸體實驗結果,將其與動物實驗、物理替代模型實驗相融合,是急需解決的關鍵技術問題。

由于動物實驗重復性差、測量數據困難、實驗成本高,建立物理替代模型進行實驗研究也是一種常見的技術途徑。Zhu 等將一個充滿凝膠的蛋形殼體作為頭部替代模型置于激波管中,結果顯示增加殼體的體積模量從0.5 GPa 變為2 GPa,超壓值增加7.2%;殼體表面曲率對正負壓力峰值有顯著影響,而殼體上的開口對模型正壓幾乎沒有影響,但可以明顯影響負壓值。Hua 等開展了充滿水的聚碳酸酯球形殼重復激波管測試,數據分析顯示,在腦模擬物的前部ICP 主要由直接沖擊波傳播影響,而在后部顱內壓力則歸因于直接沖擊波傳播和顱骨彎曲共同作用。Zhang 等利用聚二甲基硅氧烷作為腦組織模擬物,制成一個類似豬腦的翼型物理替代模型,爆炸波作用后模型表面產生壓縮和突出變形,振動頻率為113.9 Hz ±2.7 Hz,且不隨模型幾何形狀發生改變。因具有與軟組織相當的一致性、耐久性和密度等優點,聚二甲基硅氧烷作為軟組織替代物在生物醫學領域得到了廣泛應用,例如皮膚、脂肪組織和腦組織的替代材料。替代頭部模型針對激波管產生的爆炸波實驗進行了合理驗證,但是部分研究的物理替代頭部模型不具備人頭幾何形狀,因此出現了一些基于計算機斷層掃描/核磁共振成像(CT/MRI)數據建立的人體顱腦數值模型,包括頭皮、皮膚、骨骼、腦脊液、顯示灰質和白質的大腦以及鼻腔。

Ganpule 等利用激波管對替代頭部模型進行了可控爆炸波實驗,并使用經過驗證的頭部數值模型對結果進行了分析,證明顱骨彎曲和組織空化是爆炸引起的顱腦外傷的可能機制。Awad 等建立了一個具有替代凝膠腦的物理頭部和頸部模型(PHNM),模擬人體頸部的實際剛度,并利用預先設計的壓縮空氣驅動激波管對其進行了動力響應分析,通過4 個微型壓力傳感器監測腦內不同位置ICP 的變化,安裝在PHNM 內部和外部的兩個加速度計記錄加速度,結果顯示ICP 的突然波動可能是爆炸波致顱腦損傷的主要損傷機制,沖擊波作用頭部對大腦線性加速度的影響較小。Banton 等將替代頭部模型置于1.7 g 球形環三甲烯三硝胺5 級炸藥的爆炸場中,并使用Settles開發的高速陰影圖成像技術,將爆炸波由爆炸物至頭部模型的演變可視化。

替代物理模型由于可加工性強、實驗重復性高、實驗成本低等優點,已成為動物實驗和尸體實驗重要的補充實驗,圖5 為本團隊所使用的假人顱腦物理模型。但替代材料的本構模型與真實組織材料的相符程度會直接影響實驗結果的可靠性,因此物理替代模型實驗多用于機理性研究而無法取代動物實驗和尸體實驗。

圖5 假人顱腦物理模型Fig.5 Dummy head physical model

2.2 數值模擬研究

隨著數值方法和計算機技術的發展,數值模擬已經成為研究復雜問題不可或缺的方法之一。數值模擬方法具有成本低、可控性強等優點,便于研究某種控制因素對系統的影響,特別適用于無法建立解析模型的復雜問題。在連續介質力學框架中,常用的數值方法包括有限元法、有限差分法、有限體積法以及以光滑粒子流體動力學方法為代表的無網格法等,其中有限元法是顱腦組織爆炸沖擊仿真模擬最常用的方法之一,研究人員已經建立了多種頭部有限元模型來研究爆炸波作用下的顱腦損傷。圖6 為本團隊為獲得頭部在爆炸波作用下的動態響應規律,建立的已通過國外尸體實驗驗證的爆炸波-顱腦流體與固體(簡稱流固)耦合模型。

圖6 沖擊波-顱腦流固耦合模型[44]Fig.6 Shock wave-craniocerebral fluid-structure coupling model[44]

圖7為爆炸波從正面作用于顱腦時空氣域的流場壓力變化歷程。由圖7 可見:=0.70 ms 時,沖擊波即將與頭部發生接觸;=1.20 ms 時,由于頭部的阻擋作用而分散的沖擊波匯聚于后腦,該處的壓力上升;=3.00 ms 時,顱腦周圍壓力基本已完全恢復至大氣壓。

圖7 爆炸波流場壓力云圖[45]Fig.7 Cloud diagram of flow field pressure in air[45]

針對爆炸波直接作用下的顱腦損傷數值模擬,其他學者也開展了相關工作。栗志杰等建立充分反映顱腦生理結構的三維頭部數值模型,并利用頭部碰撞實驗數據對頭部模型的有效性進行驗證。然后,基于歐拉-拉格朗日耦合法建立爆炸波-頭部流固耦合模型,對頭部在正面沖擊工況下的動態響應過程進行數值模擬。結果顯示,前額處顱骨(正面沖擊)的局部彎曲變形,會沿著顱骨傳播,影響腦組織壓力的演化過程。Eslaminejad 等使用不同的大腦材料模型(如超彈性、超黏彈性和黏彈性)建立球形頭部模型,結果表明相同爆炸載荷作用下,ICP 和應變結果接近,但剪切應力有顯著差異。Towsend 等利用大鼠頭部有限元模型,對顱腦響應參數(ICP 和應變)和腦組織材料的相關性進行分析,結果發現腦組織材料的體積模量和剪切模量對ICP 和應變有顯著影響,且當體積模量為80 MPa時,ICP 和應變的仿真結果與實驗結果最匹配。Unnikrishnan 等對比分析了有無腦血管的大鼠頭部有限元模型在相同爆炸載荷下的力學響應,結果發現在具有腦血管的頭部模型中,大腦、小腦和腦干平均應變分別降低17%、33%和18%。

目前數值模擬方法遇到的最大困難是顱腦組織的動態本構模型和破壞準則,它們是直接影響數值仿真結果可靠性的重要因素,也是目前研究熱點之一。

3 爆炸波致顱腦損傷的作用機理

3.1 耳道和眼眶傳導爆炸波致傷

耳部爆炸傷的特征包括鼓膜穿孔、聽骨損傷、內外毛細胞丟失,血管痙攣和血腫等。盡管研究人員已證明耳道易受爆炸波導致的病理損傷,但目前幾乎沒有證據表明它是改變ICP 的一種機制。一項關于輕度外傷性耳道腦損傷的有限元研究表明:當耳朵直接面對沖擊波時,耳道內的超壓被顯著放大;當耳朵背向沖擊波時,耳道內的超壓小于實際的入射沖擊波壓力,但對ICP 影響較小。

活體研究發現,爆炸會造成的不同程度的眼部損傷。嚙齒動物經爆炸波作用后,視網膜和大腦視覺中心會出現神經退化。Leonardi 等對爆炸波通過大鼠眼眶傳播的研究發現,無論是否存在眼部防護措施,ICP 都會發生變化,表明可能存在另一種機制將爆炸波能量傳遞到大腦,或者眼部防護不足以降低壓力。目前常用的護目鏡能減少正面爆炸時的角膜壓力峰值,但在其他角度無法提供足夠的保護,甚至增強了對角膜的壓力。Williams 等利用激波管和物理替代模型,研究護目鏡對角膜壓力的影響,研究發現目前的眼部防護措施在保護繼發性爆炸腦損傷和第3 類爆炸腦損傷方面效果很好,但對原發性爆炸腦損傷的保護不足?？傊?爆炸波作用頭部后感覺器官易受到損傷,但目前還沒有直接證據證實爆炸波從感覺器官傳遞到大腦的假設。

3.2 直接顱腦傳導爆炸波致傷

直接顱腦傳導理論認為爆炸波可通過顱骨直接進入大腦而對顱內組織產生損傷。當空氣中爆炸波傳播到空氣和皮膚或顱骨之間的邊界時,由于聲阻抗的差異,即邊界兩側材料“軟/硬”不同,會發生波的反射和透射,一部分能量被反射回空氣成為反射波,一部分透入顱骨以及腦脊液和大腦等腦內組織中形成透射波,二者的強度和能量分配受邊界兩側材料的聲阻抗控制。同時也取決于兩種材料的軟硬次序,若沖擊波從“軟”傳播到“硬”,則反射波與入射波同號,且透射擾動幅值強于入射擾動,即透射增強;若沖擊波從“硬”傳到“軟”,則會出現反射卸載、透射減弱。關鍵材料和生物組織的近似阻抗值列于表1。

表1 空氣、水和各種生物材料的阻抗值[57]Tab.1 Resistance values of air, water and biological tissues[57]

雖然利用波的反射透射律可以由空氣中的爆炸波獲取顱內組織的沖擊波強度,但由于顱骨結構和生物組織動態本構的復雜性,精確獲取顱內沖擊波幅值、脈寬等參數尚有較大困難,目前研究多以直接測量顱內不同位置沖擊波參數為主。Ganpule 等將3 個PMHS 頭置于激波管中,入射壓力持續時間約5 ms,幅值分別為70 kPa、140 kPa 和200 kPa。實驗結果表明,最接近入射波壓力值的ICP 位置在緊貼顱骨后面,其峰值壓力為400 kPa,約為前額反射壓力的2/3;鼻竇后面的峰值壓力約為300 kPa,在中央和后部位置的峰值壓力分別約為150 kPa 和75 kPa。Courtney 等利用41 mm 口徑的激波管開展了鹿頭骨的沖擊實驗,加載波峰值壓力約600 kPa,正持續時間約為2 ms。在5 次實驗中,顱骨峰值壓力從入射壓力的13.1% 逐漸增加到40.2%。另一項研究比較豬爆炸性顱腦損傷模型,在自由場和密閉環境下的ICP 響應,研究發現壓力波通過顱骨的傳播時間造成ICP 響應大約滯后0.5 ms。Moss 等研究發現,沖擊波的作用面積越大,透射率越高,而且透射壓力波的附加特征表明,整體運動也會增加透射壓力。

目前直接顱腦傳導致傷的理論分析和實驗結果存在差異,造成這種差異的一種可能的原因是ICP測量顱腔改變的同時,會犧牲顱腦生理完整性,即開顱和植入ICP 壓力傳感器后,缺少密封處理,導致大腦的響應發生改變。

3.3 爆炸波顱骨變形致傷

空氣和顱骨之間的高阻抗不匹配會導致幾乎所有的沖擊波都從頭部反射出去,反射波會在頭部產生很大壓力,這將導致頭部相應的移動或變形,應力波比在空氣中更快地穿過顱骨,在整個顱骨上形成一個復雜的應變剖面。Moss 等通過數值模型觀察到顱骨向內動態彎曲,并在顱骨表面產生了向外傳播的漣漪效應。Bolander 等研究麻醉大鼠在爆炸過程中的顱骨變形,研究發現顱骨應變數據和ICP 的變化具有一致振蕩的特點,隨著爆炸壓力的增加,振蕩幅度也在增加。相對于入射沖擊波,ICP 響應的上升時間也有延遲,研究人員認為顱骨的阻抗失配阻止了直接傳輸,從而導致ICP 反應。

3.4 爆炸波胸腔傳播致傷

原發性爆炸顱腦損傷的胸腔理論,認為爆炸波與胸部的相互作用而引起顱腦損傷,該理論主要基于兩種不同假設。第一種假設是Bhattacharjee提出主動脈沖壓致傷理論,該理論認為空氣沖擊波通過壓縮主動脈血液,使其形成高壓擾動并經毛細血管對腦組織形成沖擊造成腦損傷。正常情況下,具有固定容量的顱室通過血液容量、腦脊液容量和腦灌注壓的動態平衡來維持動態平衡。血液壓力激增足以破壞大腦的血管屏障和毛細血管,從而進一步引發大腦繼發性神經元損害。但也有觀點認為沖擊波通過血管傳播的想法似乎不太可能,因為生物體自身的防護措施可以避免這種血流變化。腦血管特別是威利斯環,會通過降低高收縮壓來防止對大腦微血管的損傷,但會導致威利斯環周圍的分叉處損傷。

另一種假設是,爆炸波和彈道沖擊人體產生的壓力波類似,通過血管從胸腔傳遞到大腦。彈丸對人體高速撞擊會產生壓力波,壓力波在胸腔內部結構發生折射和反射,會造成局部壓力增加。Lai 等通過犬模型來評估軍用步槍子彈對血管內皮細胞造成的傷害,利用電子顯微鏡在局部觀察到主動脈、頸動脈和大腦中動脈的血管內膜撕裂,表明彈道壓力波可通過血管傳播到大腦,且強度足以引起大腦動脈內皮的損傷。在一份尸檢中報告了33 名胸部被一顆子彈穿透致死的人的腦部毛細血管出血,在病例選擇過程中排除了其他創傷因素,結果表明,穿透性子彈引起的沖擊波壓迫胸內大血管導致血壓的突然變化,是致死的主要原因。

研究表明,爆炸波定向作用胸部可以在大腦中引起生理相關損傷,彈道壓力波也能損傷腦組織,但導致腦損傷的具體機制仍不清晰。Assari 等進行的一項確定腦血壓的研究發現,大鼠胸部受到爆炸波作用后,頸內動脈出現明顯的峰值超壓,然而,在僅頭部暴露于沖擊波作用的情況下,也發現頸內動脈內壓過大,這表明可能沖擊波隔離不當或還有其他損傷機制。爆炸波作用胸部后,血液可能大量涌入大腦的假設較多,但幾乎沒有直接的實驗證據。因此,未來的研究應該設法測量爆炸波作用生物體之后容積激增、胸壓變化和ICP 變化。爆炸波胸腔理論的研究產生了相互矛盾的結論,可能因實驗裝置的多樣性造成。因此后續研究在進行實驗設計時,應盡量將爆炸波作用的胸部和頭部隔離分別研究。

3.5 空化致傷

空化是指某些外界刺激對介質的擾動,在材料(主要是液體)中形成氣穴(氣泡)的過程,眾所周知,宏觀尺寸氣泡的內爆會對臨近表面造成損傷。Alley 等對采用填充明膠的球形顱骨為大腦替代物理模型進行研究,觀察到了與氣穴產生相關的應變增加,這在一定程度上驗證了空化機制。Panzer 等進行了有無腦脊液空化的有限元頭部模型對比模擬,研究腦脊液空化對大腦的影響,結果表明腦脊液氣穴在湮滅時會引起臨近的腦組織(包括腦室周圍組織) 中產生多個局部高壓區域。Salzar 等和Goeller 等研究發現顱骨變形是導致空穴發生的重要因素。Salzar 等的激波管實驗結果表明空化現象發生在大約超壓值為140 kPa 的頭部正面爆炸沖擊,指出顱骨屈曲可能是導致空化一種機制,其原因是沖擊波在顱骨前部形成負壓區。Goeller 等將兩種不同的頭部簡化模型置于18 in的激波管中,一種是裝滿脫氣水的透明聚碳酸酯橢球體,另一種是脫氣水包圍的Sylgard 凝膠分別代表了腦組織和腦脊液,10 000 幀/s 高速攝影結果驗證了兩個橢球模型在對流層上都存在空穴,并且空穴在時間上與負壓周期一致,由周圍壓力和顱骨的彈性回彈引起的空穴湮滅,從而導致模擬腦脊液中出現明顯的壓力峰值。

與爆炸波作用下腦脊液產生空穴現象的理論相反,Adhikari 等認為腦脊液中存在納米級氣泡,爆炸波通過顱骨的傳播會導致這些現有氣泡的振蕩和崩塌。

雖然研究表明空穴的形成和湮滅對腦組織有損傷作用,但在活體爆炸波實驗中尚未發現這種現象,只有物理替代模型和計算模型支持這一理論。解決這一問題的挑戰在于爆炸波作用過程中活體生物的腦脊液實時成像。理論上可以通過使用熱帶爪蟾或者其他具有一定時期頭骨透明狀態的動物來實現,但這類動物與嚙齒動物、靈長類動物差異過大。因此可考慮觀察皮質結構和功能組織的非侵入性光學方法。Wang 等開發的顱骨光學清洗液可在小鼠創造一個頭骨窗口,有利于大腦皮層的活體成像。Sweeney 等的一項熒光宏觀成像技術可以用于嚙齒動物的活體成像。這些都是潛在可用于活體動物腦脊液空化現象研究的途徑。

3.6 頭部加速致傷

有學者提出bTBI 的損傷機制是由爆炸波對頭部的加速度作用造成的,由于慣性效應,腦組織的運動滯后于顱骨,導致腦組織產生挫傷和彌漫性軸索損傷等。Gullotti 等的大鼠激波管實驗中,高速視頻成像顯示,當大鼠的身體縱向垂直于激波管軸時,會發生顯著的頭部加速并會對其顱腦產生損傷。Goldstein 等開展的類似實驗表明,爆炸波作用下大鼠頭部在水平面內快速振蕩,加速度平均峰值為954 krad/s±215 krad/s,并且在大鼠頭部有無受到固定的對照實驗中,頭部受到約束的大鼠ICP 要比沒有受到約束的大鼠低,并且表現出更小的認知障礙?？傊?這些研究均證明爆炸波會對頭部產生沖擊加速度從而造成腦損傷,但在爆炸實驗中,很難將加速機制與直接顱骨傳導機制隔離開來研究。

4 爆炸波致顱腦損傷的閾值

損傷生物力學研究的主要目標之一是以概率方式制定損傷標準預測損傷,以用于開發防護設備、提供風險指導,并就可能受到爆炸損傷的人群制定防治措施,其中ICP 判據、剪切應力判據和最大主應變判據是評價爆炸波致腦損傷最重要的3 個指標。

Ward 等提出可用于評估腦損傷嚴重程度和腦挫傷發生情況的ICP 損傷指數,根據這一標準,ICP 峰值超過235 kPa 時為重型顱腦損傷,ICP 低于173 kPa 時為輕度腦損傷或無腦損傷。Chafi 等模擬不同當量的TNT(0.038 kg、0.093 kg 和0.227 kg),將經過驗證的頭部模型置于距離爆炸中心近80 cm處,監測大腦內沖擊側、對沖側、小腦、胼胝體和腦干5 個區域的ICP 變化。結果顯示在0.227 kg 和0.093 kg 的TNT 作用下,沖擊側和對沖側的平均峰值正壓超過235 kPa 的閾值。Cheng 等通過TNT爆炸實驗,發現當爆炸波峰值超壓100 kPa、持續時間為3 ms 時,實驗對象小鼠未發現損傷;當超壓上升到200 kPa 以上,小鼠出現腦挫裂傷。Kuehn 等通過激波管實驗還發現沖擊波超壓在414～655 kPa,持續時間為0.5 ms,小鼠出現了蛛網膜下腔出血。以上結果表明,Ward 等所建立的超壓峰值ICP損傷指數與大部分實驗結果吻合,從一定程度上說明了超壓峰值顱腦損傷閾值的可信度。

Anderson 等以綿羊為實驗對象,研究發現有限元模型預測的剪應力位置與損傷部位有一定程度的相關性,提出8～16 kPa 的剪應力可能會導致軸突損傷。Claessens 等通過一系列有限元摩托車事故模擬,觀察到剪應力集中的預測區域與腦損傷位置相關。研究發現11.0～16.5 kPa 的剪應力大小可作為腦損傷閾值。Chafi 等取上述閾值的上限16.5 kPa 與研究的模擬值進行比較。根據這一標準,在0.227 kg 炸藥的情況下,5 個區域的平均最大剪應力都超過16.5 kPa,人腦可能會遭受軸突損傷;而對于0.093 kg 炸藥,沖擊側、對沖側和腦干均有受傷情況。

神經元的拉伸一直被認為是腦損傷的主要機制。Bain 等研究認為預測頭部損傷的一個更相關的參數是應變。Morrison 等研究表明,最大主應變可以預測中樞神經系統損傷,如彌漫性軸索損傷、細胞死亡和神經元功能障礙(當該參數大于0.2時)。表2 總結了以應變作為損傷標準的腦損傷閾值。

表2 基于應變的創傷性腦損傷損傷閾值Tab.2 Strain-based traumatic brain injury threshold

5 爆炸波致顱腦損傷的防護方法

目前的戰斗頭盔主要為防槍彈和鈍器沖擊而設計,隨著爆炸波防護需求的日益增加,頭盔的爆炸波防護問題亟待解決。理想的防護頭盔應該保護士兵免受所有的軍事威脅而不影響士兵表現,但現實中增加的保護往往伴隨著士兵表現的下降。近5 年來國內外研究者做了很多工作,通過改進頭盔和襯墊的材料防爆性能,對防爆材料進行有效的組合,增加頭盔的覆蓋面積和密閉性,以及對綜合式頭部防護系統模塊的組合使用,可有效降低爆炸波引起的超壓峰值。

Moss 等采用數值模擬方法研究了先進作戰頭盔(ACH)的填充物影響沖擊波對腦部的載荷,發現對于無填充物的頭盔,頭盔與頭部之間1.3 cm 的間隙會產生過沖效應,即沖擊波在頭盔和頭部之間流動,對顱骨造成的壓力比未加保護的頭部更大。對于有填充物的頭盔,頭盔與頭部耦合減輕了過沖的影響,降低了部分爆炸引起的壓力和大腦中的壓力梯度,但頭盔沒有覆蓋頭的后部和兩側,不足以防止顱骨變形。Ganpule 等驗證了頭部和頭盔之間放置緊密泡沫墊可以消除過沖效應,超壓和沖量的最大降幅分別為86.08%和20.15%。Chang 等在此基礎上對沖擊載荷下頭盔襯墊材料配置對其顱腦損傷的情況也開展了相關研究。Tan 等通過優化頭盔墊的尺寸和位置,來最大限度地減少爆炸波的側向沖擊效應,并減輕爆炸波重復沖擊的累積效應。

但在實際情況中,頭盔內泡沫墊很難與頭部緊密貼合,而根據間隙大小調整尺寸的泡沫襯墊加充氣緩沖系統,是一種可以考慮的解決方案。Sutar 等進一步研究發現,保持頭盔襯墊總厚度不變的情況下,在中等剛度泡沫墊中添加氣墊,相比只有中等剛度襯墊能更好地衰減爆炸波壓力。研究表明充氣緩沖系統可以作為防止沖擊波進入頭部與襯墊之間縫隙的解決方案。

Tse 等對帶有聚碳酸酯-氣凝膠復合材料面罩的ACH 頭盔在不同爆炸載荷下的防護性能進行了數值分析。研究發現聚碳酸酯-氣凝膠復合材料面罩比經典的聚碳酸酯面罩具有更好的保護能力?？翟降壤眉げü軐伪^面部裝備進行了正向和側向爆炸波防護性能測試,結果顯示不同結構、不同防護等級的頭盔-頭模系統超壓峰值具有明顯差異,防護裝備結構密閉性對其抗爆炸波性能具有重要影響。

Rodriguez-Millan 等研究了頭盔面部裝置和下頜保護裝置對TBI 的緩解作用,設置了模塊化系統,包括ACH、概念面罩、下頜骨護具和頭部模型(見圖8),使用非線性仿真軟件Abaqus/Explicit 模塊對爆炸波與頭部和保護裝置(頭部+頭盔+面罩、頭部+頭盔+下頜護具和頭部+頭盔+下頜護具+面罩)的不同配置進行模擬,分別從ICP、主應變、顱骨剪切應變和應力對保護裝置的性能進行分析。結果顯示下頜護具比面罩能更好地降低ICP,主應變顯著低于Morrison 等提出的損傷閾值。

圖8 全盔系統數值模擬模型[100]Fig.8 Full helmet systems numerical model[100]

美軍在2020 年開始投入使用的綜合式頭部防護系統(IHPS)頭盔如圖9 所示,防彈面罩可承受6.7 m 外的14 kg C4 爆炸。該頭盔可以根據危險等級不同來選擇不同的附件,在低危險時可以保持輕量化,也可以在高危險時提供全面防護。

圖9 IHPS 頭盔[106]Fig.9 Integrated head protection system[106]

6 目前存在的主要問題

綜上所述,雖然爆炸波致腦損傷及防護方面已取得了一定進展,但還存在一些關鍵性問題有待解決,主要問題如下。

1)本文中所列舉的各種損傷機制并不互相排斥,爆炸波致顱腦損傷的相關病理特征往往是幾種機制共同作用的結果。耳道和眼眶傳導入腦內致傷尚缺乏直接的證據,空化致傷有待在生物體內得到證明,頭部加速致傷需要與直接顱骨傳導致傷分開研究。因此,導致顱腦沖擊傷的機制尚待進一步研究。

2)輕度顱腦沖擊傷的損傷評價指標與診斷存在較大空缺。已發現的一些指標局限于動物實驗,還未真正應用于臨床,或局限于個案或少量病例的單獨研究。因此,在bTBI 的診斷和預防方面仍有很多問題未達成共識,并沒有形成一套完整的診斷標準。

3)顱腦沖擊傷的治療技術急需進一步發展。目前顱腦沖擊傷的治療以重癥為主,缺乏對輕度顱腦沖擊傷的早期綜合性治療模式,容易造成病情遷延,在疾病后期引起非戰斗性減員,增加國家的軍事開支和經濟負擔。

4)顱腦防護技術研究仍存在不足。通過增加防爆頭盔覆蓋面積、改進外表面氣動設計、合理的縫隙密封和有效緩沖材料的改進,是目前應對爆炸波致顱腦損傷的常用途徑,但針對爆炸波致顱腦損傷防護技術的基礎,是需要對爆炸載荷的重建、潛在損傷機制、可靠的生物力學模型和損傷閾值進行深入研究,才能指導防爆頭盔的設計和其他防護技術。

7 總結

本文對致顱腦損傷爆炸波的產生和造成的顱腦損傷類型、研究方法、損傷機制、損傷閾值、國內外研究的防護方法進行了總結分析,雖然研究人員已經進行了大量研究,但針對爆炸波致顱腦損傷與安全防護研究仍有待進一步深入。后續研究主要可以從以下5 個方面展開:

1)顱腦沖擊傷的流行病學調查研究。研究部隊軍人的流行病學特點,評估顱腦沖擊傷的患病率及其相關因素,再分組篩選出顱腦沖擊傷最佳的診斷指標和診斷閾值。建立一套完整、簡便而高效的篩選診斷流程。

2)爆炸波作用下顱腦創傷模擬實驗研究。研究建立技術先進的生物材料動態本構實驗室平臺、動物模型用激波管、爆炸箱及野外爆炸實驗平臺,為后續課題動物實驗、物理模型實驗、仿真模擬提供所需的材料本構關系、數值模擬結果驗證與損傷機理及損傷耐受閾值研究所需的實驗數據,并提供動物模型、防護裝具研發和檢驗的實驗平臺以及最佳干預時限。

3)建立損傷與力學參數之間的聯系。開發精細解剖結構的顱腦數值模型與物理模型,模擬顱腦在爆炸載荷條件下的力學響應,根據現有的腦損傷標準量化評估顱腦損傷;揭示顱腦在沖擊波作用下的致傷機理與損傷耐受閾值。

4)顱腦沖擊傷的神經病理機制研究。探索顱腦沖擊傷的病理生理變化及其發病機制,研究顱腦創傷后中樞及外周血中顱腦沖擊傷的特異性生物學標記物。

5)防爆頭盔防護材料對沖擊波的衰減作用及防護機制。研究沖擊波與材料作用時發生的反射、透射特征及固體相形變的力學過程。探索其在宏觀、細觀、微觀尺度下的沖擊波反射、透射及衰減的力學機理。獲得爆炸波在其材料內部與顱腦內的傳導特征,揭示其對爆炸波衰減特性獲得其防護機制。