原发性颅脑冲击伤的生物力学机制

赵　辉,朱　峰



·综述·

原发性颅脑冲击伤的生物力学机制

赵辉,朱峰

随着现代各种爆炸性武器尤其是各种简易爆炸装置(improvised explosive devices，IEDs)的出现，冲击伤已成为一种常见伤类。原发性颅脑冲击伤系冲击波直接作用人体导致的颅脑损伤，其危害正受到广泛关注。为研究原发性颅脑冲击伤的病因学和病理特点，以提高颅脑冲击伤的防护和救治水平，迄今已通过多学科融合、多种研究手段相结合来开展原发性颅脑冲击伤研究。本文对冲击波物理特性、冲击伤实验方法、颅脑冲击伤力学机制和阈值等原发性颅脑冲击伤的生物力学机制内容进行简要介绍,以期引起更多关注。

颅脑损伤； 冲击伤； 爆炸； 生物力学

人体冲击伤常见于战争、恐怖袭击、航空事故以及生产爆炸事故等，随着现代各种爆炸性武器、尤其是各种简易爆炸装置(improvised explosive devices，IEDs)的出现，冲击伤已成为一种常见伤类。原发冲击伤是指冲击波直接作用于机体所产生的损伤[1]。以往认为，听觉系统和含气脏器(肺脏和胃肠道)是冲击伤的主要靶器官，头颅因坚硬颅骨保护，冲击波直接作用一般不会损伤脑组织。美军统计发现，2001～2007年在伊拉克和阿富汗战争中63%的伤亡人员与爆炸损伤有关[2]；美海军和海军陆战队在伊拉克战争中52%的颅脑损伤(TBI)因爆炸冲击所致[3]。当前，冲击波直接作用人体导致的原发性颅脑冲击伤正受到广泛关注，国际学术界已通过多种手段开展了大量颅脑冲击伤研究，本文就颅脑冲击伤的生物力学问题进行简要介绍。

1　冲击波的物理特性

爆炸是一种极为迅速的物理或化学能量的释放过程，其主要特征是在爆点周围介质中出现突然的压力释放增高，或称为压力突变。典型的冲击波通常是在爆炸过程中形成，冲击伤常在爆炸时产生。爆炸导致的人体伤害除冲击波直接作用外，还可能同时有破片穿透、热烧伤、钝性撞击、微波和毒气等多种伤害因素。冲击波是介质(如空气、水)中传播的一种高速高压波，具有与声波相似的物理特性，还具有区别于声波的热力学特性：冲击波传播速度大于未被扰动介质中的声速；冲击波前界，即波阵面上，介质压力、密度、温度等状态参数发生阶跃性的突然增高；冲击波速度与其强度有很大关系，强度越大，速度也越快；冲击波无周期性，在介质中传播会发生能量消耗。理想爆炸冲击波波阵面空气压力、密度和温度出现阶跃式上升，然后压力呈指数性衰减，并达负压。理想爆炸冲击波压力曲线又称为弗里德兰德(Friedlander)曲线(图1)，该曲线常用超压(overpressure)、超压持续时间(duration)或超压对持续时间积分，即冲量(impulse)来定义。

P0:正常大气压；ΔP:冲击波超压；ΔP-:冲击波负压；T+:冲击波正压持续时间；T-:冲击波负压持续时间

2　原发性颅脑冲击伤的实验方法

原发性颅脑冲击伤生物力学机制研究的关键是需要产生一爆炸冲击波直接作用于试验对象，以此研究原发性颅脑冲击伤的力学过程和病理生理变化，目前可以通过常规实验或计算机模拟的方法来产生一理想冲击波。

2.1自由场炸药试验(free-field explosives testing)该方法是在空旷环境中引爆爆炸物产生一真实爆炸冲击波，直接作用于实验对象进行爆炸冲击伤研究。由于非理想冲击波不易量化，还可能使待研究的冲击伤模型复杂化，因此自由场爆炸试验时爆炸物应置于空中，并避开周围建筑物，以防止冲击波因周围复杂环境反射形成复杂波。为规范该试验方法中爆炸物质量和动物布放位置差异对冲击伤致伤参数的影响(如冲击波超压和持续时间)，可以通过经验曲线或霍普金森准则对爆炸当量或布放距离进行等效计算[4]。自由场爆炸试验的最显著优点是实验冲击波与真实爆炸一致，但缺点是试验耗费大、耗时，环境控制困难，爆炸形成的破片或毒气会使冲击伤模型复杂化。

2.2激波管试验(shock tube testing)激波管是由几部分组成起来的长管，通常用膜片将长管分为两段：一段充气，叫做“高压段”，另一段称为“低压段”，其工作原理是：当膜片承受不了高压段内气体压力破裂时，管腔内立即发生气体的高速流动。高压段内形成稀疏波，其运动方向背离膜片侧；低压段中形成激波，其运动方向与稀疏波正好相反，朝向管尾侧。当稀疏波赶上激波后，激波压力迅速下降，稀疏波尾压力低于大气压时，则可得到负压相，由此得到近似于理想冲击波的压力曲线。与爆炸产生的冲击波相比，虽然激波管压力曲线有时波形上有所不同，但性质上却相同。利用激波管所产生的激波可进行冲击伤的实验研究。作者单位采用“双夹膜”方式成功研制了包括驱动段、夹膜段、扩张段、过渡段和实验段的系列生物激波管，可进行大、小动物乃至细胞层面的冲击伤实验。用激波管理论上可复制各种爆炸冲击波曲线，且该方法环境可控，实验经济，但与真实爆炸还是有区别，如不能反映出爆炸热效应[4]。

2.3管道内爆炸试验(blast tube testing)该方法类似激波管，试验前将爆炸物放置在管道末端锥形筒或抛物线筒内，试验时引爆管道内爆炸物，使爆炸产生的高温高压气体在管道内传播，以形成理想冲击波。管道内爆炸试验的主要缺点是爆炸产生的气体或粉末可能对冲击伤试验结果有影响，且爆炸物的存储和处理对实验室还有特殊要求。

2.4计算机模拟(computer simulation)爆炸冲击的计算机模拟随着计算机技术和数值计算方法不断进步而得到极大发展，现已成为常规冲击实验的一种有效补充。有限元法是爆炸冲击计算机模拟的最常用方法，国际上已开发出多个版本的适宜于模拟冲击伤的人和动物头颅有限元模型。本文作者结合爆炸冲击动力学理论和激波管工作原理，首先开发出经过严格实验验证的激波管有限元模型。该模型基于任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)算法，可以准确描述冲击波在激波管中的形成和传播，实现了激波管形状和尺寸参数化的快速设计，并已集成在ETA公司全球发行的高性能计算分析软件InventiumTM中，被世界多个学术机构用于冲击波致人体损伤的模拟研究。计算机模拟方法与常规试验方法相比，具有实验效率高和耗费低的优点，但该方法亟待完善，如颅脑冲击伤有限元模型中组织材料的率变特性、不同结构间的力学耦合以及经典冲击实验验证等问题。

进行冲击伤试验的压力测试方法通常有两种：一种是侧面测量(side-on)，即压力传感器敏感面垂直于冲击波传播方向测量冲击波超压；另一种是迎面测量(face-on)，即压力传感器敏感面朝向正对冲击波波源测量冲击波总压(超压和动压)。第二种测试方法其结果是第一种测试方法的2～8倍。因此，在引用比较已发表试验数据或验证计算机模拟结果时要特别注意。

3　原发性颅脑冲击伤的损伤机制

如前所述，严重颅脑爆炸伤可同时复合多种伤害因素，如冲击波直接作用、头颅被冲击波掀起的物体撞击或穿透、人体被抛掷而发生的撞击伤、烧伤或其它环境污染伤害等；中轻度颅脑爆炸伤一般为冲击波直接作用所致。冲击波直接作用人体引起原发性颅脑冲击伤的力学响应过程持续时间由数十至数百毫秒，其损伤力学机制和损伤阈值是当前关注的重点研究内容。

3.1颅脑冲击伤的损伤力学机制颅脑冲击伤的力学过程异常复杂，可能既有冲击波直接作用的人体内波传播，又有头颅对冲击波动压撞击的响应——即头颅加速运动，前者导致颅内压力增加，后者则是颅内出现应力/应变。

3.1.1颅脑冲击伤的波传播效应人体遭受冲击波作用时体内冲击波传播存在多条途径。颅骨是应力波的“良导体”。颅脑冲击伤的计算机模拟实验研究表明，应力波在104～105Hz以内仅有很少的能量衰减[5]。冲击波作用头颅首先引起颅骨变形，压缩波在颅骨变形初始阶段比空气中更快地穿过颅骨和脑组织[6]。与其它任何弹性物体类似，压缩波通过后被压缩冲击的颅骨瞬间反弹，在脑脊液和组织内形成一拉伸波，该拉伸波与随后传到的冲击波负压部分叠加，可能使颅骨压缩再次加剧[7]。压缩/拉伸波在颅内以约为1 560m/s的速度传播，由于颅脑组织材料的非对称性和加载冲击波的非均一性，颅内产生了剪切波。剪切波传播速度慢(约10m/s)，持续时间长，其伤害比压缩波更明显。离体和在体实验均表明，拉伸应变对组织的伤害比压应变更明显[8]。本质上，颅内充盈脑脊液可以承受压力载荷从而对脑组织结构起到支撑保护作用，但拉力却可直接破坏弱或强的分子层面连接。此外，脑组织和脑脊液内的拉伸变化可导致空化效应，微泡空化可引起周围组织出现拉伸损伤，但生理环境下是否会出现空化效应目前还存在争议[7]。

冲击波直接作用头颅，应力波可通过颅骨腔隙或孔洞直接传入颅内，如眼窝、筛骨、枕大孔和血管孔等[9-13]。作用于胸腹部的冲击波由于脑与躯干通过大血管和脊髓槽相连接使爆炸冲击波能量可能以弹性波的形式沿着血管传入大脑[9-11]，血管内的弹性波传播慢，其通常在冲击波直接作用头颅后才抵达颅内，但引起的颅脑损伤仍被归入原发性颅脑冲击伤。然而，弹性波是否能从血管传入颅内还存在一些疑问[14]，且目前广泛使用的胸腹部防护装具[15]似乎并未减少原发性颅脑冲击伤的发生率，也对该假说提出了质疑。

3.1.2头颅加速效应冲击波作用头颅可致头颅瞬间加速运动，因头颈部约束还可使头颅出现旋转加速。实验发现超压峰值110～740kPa的冲击波直接冲击头颅，头颅加速度峰值在385～3 845g[16]。现已知道头颅线加速或旋转加速均可引起多种类型损伤，如弥漫性轴索损伤(diffuse axonal injury,DAI)、挫伤和急性硬膜下出血[17-18]。由于颅-脑复杂解剖结构的影响，究竟是线加速还是角加速引起了颅脑损伤还曾经在创伤生物力学研究领域引起长期争论。一种观点认为：撞击头颅的力量足够大，颅脑之间就可能在加速运动过程中与撞击点或对冲点发生接触，以此导致脑挫裂伤或脑出血[19]。然而，因为脑组织与脑脊液的密度差异并不大，头颅加速运动时两者之间的相对运动速度低，颅脑之间需要一定时间才能接触[20]。另一种观点则认为：颅内脑的旋转运动没有密度方面的约束条件，脑可以获得较高旋转速度，且因为颅骨不规则的几何结构，更容易发生颅-脑之间的接触。TBI的动物实验已经证实脑的旋转运动对动物的伤害很大，甚至在颅脑之间的相对中度旋转都可能导致局灶性或弥漫性的损伤[17,21]。需要指出的是：头颅直线加速运动与颅内压变化有显著关系，冲击震动引起的头颅瞬间线加速可引起颅脑损伤[22]。

3.2颅脑冲击伤的损伤阈值明确原发性颅脑冲击伤的损伤阈值对颅脑冲击伤防治研究有重要意义：从事冲击伤救治的医学研究人员需要掌握冲击伤的致伤参数边界条件，以复制出各种动物模型；冲击伤防护研究人员需要明确知道颅脑冲击伤的损伤阈值，以制定相应的防护标准，从而有效评价各种防护装备防护效果。

以往建立颅脑撞击伤损伤阈值时将力学输入作为预测参数，如头颅受撞击时的加速度或对加速度的时间积分，但现在已知道若以头颅对外力的响应来预测颅脑损伤则更准确，如用应力或应变。原发性颅脑冲击伤的头颅瞬间加速，持续时间短；颅内压是常见颅脑损伤评估力学指标之一，但该压力究竟是冲击波超压引起，还是因冲击波动压撞击头颅引起的线加速所致，目前尚不明确。尽管计算机模型可以预测颅内应力/应变，但这些模型尚需要大量试验数据来进行验证。因此，颅脑冲击伤的损伤阈值目前不是以响应，而是以输入来评估，如冲击波超压和持续时间。

目前已有多种动物被用于冲击伤实验研究，如鼠、兔和猪，由于实验选用动物模型和实验方法差异，致伤参数也不完全相同。如Wistar大鼠激波管颅脑冲击试验研究发现，在超压240kPa、持续时间2ms的冲击波作用下未发现损伤[23]；同样通过激波管试验，发现持续时间为3.5ms，Spague-Dawley大鼠在冲击波超压不超过126kPa未损伤，达到147kPa则出现颅内出血[24]；激波管实验还发现冲击波超压在414～655kPa，持续时间为0.5ms，Long-Evans大鼠出现了蛛网膜下腔出血[25]。Cheng等[26]用TNT爆炸试验，发现持续时间均为3ms，冲击波超压200kPa以上动物出现脑挫裂伤，100kPa时却未发现损伤。人与动物解剖结构和功能存在显著差异，如何将动物的损伤阈值递推到人也成为冲击伤研究的重要内容。20世纪60、70年代研究人员建立了从动物到人的肺冲击伤缩放比例关系。近年有学者以体重作为比例因子提出了动物与人关于能量吸收、压力和颅内最大主应力的缩放关系。Zhu等[27]分析了爆炸冲击试验和激波管冲击实验的冲击比例缩放关系，建立了基于冲击波超压和持续时间的颅脑冲击伤比例缩放模型，并推导出从大鼠到猪、再到人的比例缩放曲线。需要指出的是，由于冲击试验的复杂性，相关比例缩放还需要大量试验数据来进行验证。

3.3颅脑冲击伤的响应特点因头颅结构复杂以及冲击波能量具有高频特性、作用持续时间短，尽管在体试验中采集生物力学参数非常困难，但若干脑组织结构因吸收冲击波能量而损伤却是明确的，如脑血管、轴突、神经元树突和突触、细胞骨架和离子通道等。从力学观点看，不同结构和属性(密度和弹性)宏观或微观结合部在高应变率加载的冲击波作用下是易损伤部位，包括血脑屏障、脉络丛、脑-脑脊液衔接界面、神经元/轴索膜、树突棘和郎飞结等；若这些部位的共振频率与冲击波的频率一致，相应结合部特别易损伤。

爆炸性颅脑损伤因损伤环境复杂，应是多种冲击波损伤叠加共同作用机体，机体整体、局部和脑组织又共同对冲击波发生反应的结果；动物实验和临床研究表明，颅脑冲击伤可引起神经生理、病理、生化及行为的改变[28]。对特别严重的颅脑冲击伤，如颅骨骨折或颅内血肿，可通过CT或MRI影像检测；但对于脑震荡或中度脑损伤，如神经轴、微血管或突触损伤，则即使是用高分辨率的影像检测技术也很难进行诊断，因此由于没有明显创伤或仅有轻度不适，中轻度原发性颅脑冲击伤易被漏诊。

4　展望

爆炸冲击伤的伤害因素多，头颅结构和功能复杂，通过系列研究来阐明原发性颅脑冲击伤的病因学和病理学特点对提高颅脑爆炸伤的防护和救治水平有重要意义。尽管迄今已对颅脑冲击伤开展了大量研究工作，但目前对颅脑冲击伤的损伤机制和耐限仍不十分清楚，还需要综合多学科知识，结合多种研究方法，在器官、组织和细胞等多层次结构上进行跨尺度生物力学研究[29-30]，以进一步揭示颅脑冲击伤的损伤机制，从而为颅脑冲击伤的防护和救治提供理论指导。

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(本文编辑： 郭卫)

The biomechanical mechanism of primary blast brain injury

ZHAOHui1,ZHUFeng2,3

(1.Department 4,Institute of Surgery Research,Daping Hospital,Third Military Medical University,Chongqing400042,China； 2.Bioengineering Center,Wayne State University,Detroit,Michigan48202,USA;3.Department of Mechanical Engineering,Embry-Riddle Aeronautical University,Daytona Beach,FL32114,USA)

With the increased utilization of explosive-type weapons, especially improvised explosive devices,blast-induced injury has been one of the injuries observed commonly. Primary blast-induced brain injury (PBBI) is caused by the blast wave loading on human body directly,whose hazardous outcomes are of great interest. To study the etiology and pathology for PBBI,and then improve the treatments and prevention for PBBI,a large number of studies concerning PBBI have been performed by multidisciplinary research methods. To attract more attentions,the property of blast wave,research method for PBBI,mechanical theory for PBBI,and injury tolerance of PBBI are reviewed in this paper.

brain injury; blast injury; explosion; biomechanics

1009-4237(2016)06-0375-04

国家自然科学基金(31470913)；教育部留学回国人员启动项目

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(赵辉)； 48202 美国密西根州 底特律，韦恩州立大学生物工程中心(朱峰)； 32114 美国佛罗里达州 戴托那，Embry-Riddle航空航天大学机械工程系(朱峰)

R 642；R 651.15

A

10.3969/j.issn.1009-4237.2016.06.017

2015-12-11；

2016-01-06)