肺冲击伤转化研究——历史、现状与挑战＊

杨 策，蒋建新，王正国，庄 茁

1 肺冲击伤的历史和流行病学特点

肺爆炸冲击伤古已有之。早在东晋或更早时期，中国炼丹家在用硝石、硫黄等物炼制丹药时，不慎与炭火相遇而产生火焰甚至爆炸，由此意外发明了黑色火药。葛洪《抱朴子.仙药》中即记载有火药。三国时期，人类用黑色火药制成火球、火箭等进攻武器，到唐宋时期，又使用火药箭、火炮、火球、火蒺藜等抛射或投射物爆炸杀伤敌军［1］。据史料显示：“爆炸后声如雷霆，烟气漫天，城壁皆塌”，形象描述了爆炸冲击致伤时，高速行进的冲击波及其复合因素的巨大杀伤效应。明朝时出现自动爆炸的地雷、水雷和定时炸弹爆炸。1864年美国南北战争时期，宾夕法尼亚官兵为攻破弗吉尼亚的彼得斯堡要塞，曾用黑色火药炸死280名南邦联士兵［2］。2年后，阿尔弗雷德·诺贝尔发明了炸药，从此各类爆炸层出不穷，因此，肺爆炸冲击伤最初是火药和炸药发明的副产物。从中国古代炼丹意外发明的低阶火药到西方诺贝尔基于硝化甘油、硝化纤维等发明的高阶炸药，爆炸事件沿丝绸之路不断西行，在爆炸物种类、杀伤效应从量变到质变，从和平利用到战争恐怖的交替更迭中，肺爆炸冲击伤迁延不断。

肺冲击伤系统研究始于我国第一颗原子弹爆炸后［3］，特别是20世纪70年代以来，通过核试验、现场（平原、水下、高原）实验、激波管实验［4］以及数学建模和计算机模拟［5，6］，结合西南边防保卫边境作战等战伤调研，对肺冲击伤的病理生理机制和生物力学机制获得深刻认识。在当今和平时期，非战争性爆炸是发生肺冲击伤的主要原因。特别是2015年天津8.12特大爆炸事故（173人死亡，住院伤员798例）和江苏昆山重大爆炸事故（146人死亡，受伤 112 人）［7，8］，再次给国人敲响了警钟。分析国家安监局2000年至2017年数据，中国平均每3天发生1起爆炸事故，以工矿爆炸居多，死伤率高、救治难度大。通过流行病学调查发现，中国爆炸事故已波及全境，在工业发达地区偏多，而且，爆炸致伤因素复杂，涉及煤矿瓦斯、化学品、粉尘、燃气等等。同时，战争遗留问题带来的爆炸肺损伤亦时有发生。如2018年10月11日，南部战区陆军云南扫雷大队一名中士，在老山西侧扫雷时，高爆手榴弹爆炸时冲击波穿透防护服导致肺爆炸冲击伤。因此，从肺爆炸冲击伤角度分析其流行病学特点，对于和平时期肺爆炸冲击伤批量救治和高效防护具有重要价值。

流行病学调查证实，肺爆炸冲击伤是第一级冲击伤最常见的死伤原因，在爆炸冲击伤死亡人员中，17%仅有肺损伤，39%与肺损伤有关。在爆炸冲击伤伤员中，开放环境存活伤员肺爆炸冲击伤发生率为 6.7%～14.0%［9，10］，封闭空间爆炸存活伤员肺冲击伤发生率超过80%。死亡伤员中肺冲击伤发生率可达到 80%［11］。据英国创伤登记中心2003年至2009年数据，肺冲击伤发生率为6.7%，在天津8.12大爆炸中，武警后勤学院附属医院收治伤员数据显示，肺冲击伤发生率是9.3%。自2000年以来，全球封闭空间恐怖肺爆炸冲击伤增加比率超过90%［12］，而且，在恐怖爆炸中大部分肺损伤伤员早期死亡。因此，采取有效救治和防护措施，对于减少肺爆炸冲击伤伤员早期死亡、提升临床救治成功率、加快后期康复进程、减少远期并发症具有现实意义。

2 肺冲击伤的精准诊治

爆炸事故发生后，早期识别、精准诊治，进而基于伤情判别和危险因素辨析，采用有效防护措施，是恢复伤员受损肺脏生理功能，促进损伤肺脏结构与功能修复，乃至基于早期预警实现有效防护的关键。

在精准诊断方面，需要临床救治的肺爆炸冲击伤常表现为急性呼吸困难、心动过缓和低血压。冲击波的超压、动压以及负压发挥了主要致伤作用［13］。对于肺脏，其核心症状是冲击致伤过程中肺泡及其毛细血管等破裂引起肺脏血流、气体病理性渗漏、弥散所致。诊断筛查时，爆心较近距离伤员无肺损伤，并不意味较远距离的其他伤员无肺损伤。在相同距离有未发生肺损伤伤员，也并不能判定相邻人员无肺冲击伤发生。而且，为获得确切诊断，伤员主诉或陪同人员主诉的采集须力求客观准确，尽早处置威胁生命的急症。对于体格检查（呼吸频率、氧饱和度、影像资料和气体栓塞指征等），必要时进行动态观察，谨防漏诊、误诊，特别是重视对滞后表征的精准把握。

目前认为，肺爆炸冲击伤的精准诊断需关注以下六点，第一，尽可能了解爆炸物威力与距离爆心距离。通常3.5 m、1 TNT当量，7.5 m、10 TNT当量，37.5 m、100 TNT当量爆炸，就应该怀疑有肺冲击伤发生；在实验条件下，可能发生肺冲击伤的最小冲击波超压是30～40 Psi，在超压达到70 Psi时，半数伤员可发生肺损伤；第二，爆炸环境与障碍物或掩体的判别，通常密闭空间爆炸，由于冲击波的入射波叠加和反射波增强等原因较自由场爆炸肺伤情更为严重。而且，在爆炸物和伤员之间有无障碍物阻隔，在肺冲击致伤中亦需作为独立变量予以考量。环境介质（空气、液体）是决定肺冲击伤伤情的重要因素，相同致伤条件下，水下和高原肺爆炸冲击伤伤情较平原更为严重［14，15］；第三，肺爆炸冲击伤出现时间，对于第一级冲击伤幸存者，爆炸即刻至6 h、24 h～48 h属高峰时间窗。既往也有观点将第一级肺冲击伤发生时间定义为冲击暴露后12 h获得相关临床证据的不同看法，对于部分肺冲击伤可能会发生漏诊。临床救治经验证实，有的伤员在爆炸冲击暴露后，初期生命体征平稳，甚至还能够参与对其他伤员抢救工作，但随后病情急剧恶化，出现严重肺出血、呼吸功能障碍等急症，因此，警惕两个常见时间窗在一定程度上可避免错失治疗时机；第四，从临床症状和体征看，主要是最初干咳、胸痛，随后咳红色泡沫痰、咯血，呼吸困难，血氧饱和度下降。对于发生失血性休克的伤员，肺部症状可能会被部分掩盖。体格检查可见呼吸音减弱、捻发音以及异常呼吸音等定性表征；第五，影像学分析对批量肺爆炸冲击伤伤员分拣和急救尤为重要。胸平片和CT分析发现，肺爆炸冲击伤早期即可有典型的蝴蝶影像，或者肺表面挫伤出血。肺脏浸润影像最早在冲击暴露后90 min即呈现。虽然既往认为胸片异常者检出率为 52.0%～91.7%［16］，但由于肺冲击伤伤情复杂性，条件允许时优先选择CT检查手段［17］，伤后早期即使胸部平片未见异常也须留观6h～8h［18］。动态评判影像学变化有助于实施个体化治疗措施以避免漏诊或不良预后。而且，伤员CT成像结合三维重建分析肺脏密度变化有助于获得量化的肺冲击伤伤情［19，20］。典型的冲击伤肺脏解剖可见与肋间神经平行的出血条带。笔者实验室既往证实，该条带属于肋间压痕（interspace markings）而非肋骨压痕（rib markings）。部分肺冲击伤伤员出现气胸和肺脏萎缩。有时不仅可见气胸，还有纵隔积气。对于大范围气胸伤员，应该避免采用仰卧位拍摄胸部平片造成的漏诊情况。部分肺冲击伤由于肺脏炎性和非炎性渗出，肺脏出现实变、肿大，甚至出现后期机化，严重影响伤员肺脏功能。偶尔，爆炸瞬间冲击波裹挟破片可造成肺穿透伤，出现血胸或血气胸［21］。对于肺部重症超声检测，因其肺冲击伤诊断中良好的特异性、灵敏度、安全性和便携性逐步得到应用；第六，既往有观点认为冲击伤后鼓膜破裂可以作为肺损伤的指征［22］，但后来发现，有50%的肺冲击伤伤员没有鼓膜破裂，而且，笔者发现，部分鼓膜破裂伤员并无肺损伤。因此，两者并无必然联系。

在精准救治方面，以创伤救治 “黄金1小时”“铂金10分钟”推荐救治时机为基础，首先需要厘清主要损伤和次要损伤、主要矛盾和次要矛盾的关系，依据先救命和先重后轻原则［23］，除过爆炸现场实施战伤5大急救技术（通气、止血、包扎、固定、转运）以外，需要纳入急救范畴的肺冲击伤伤员主要是空气栓塞、肺持续性出血以及严重气胸或血气胸三类威胁生命的伤类。伤员救治建议遵守四个基本原则，即科学改善低氧（高碳酸血症时高频通气；限制呼气末压力峰值以防气栓或气胸）、建立快速输液通路（在监测血流动力学指标下合理补液；尽量用晶体液；肺出血时谨慎使用重组因子VIIa治疗［24］；维持平均动脉压在60 mmHg以上）、持续动态监测（预防肺水肿及合并气胸；一旦出现并加重则穿刺减压或闭式引流）和并发症处理（气道梗阻无法有效解除时酌情行气管切开术和（或）解除支气管痉挛，异物刺入身体时妥善截短包扎；肋骨骨折甚至连枷胸等手术治疗、外科探查；合并创伤性脑损伤时高碳酸血症和颅内高压防治；肺部感染的病原学和对症诊治）。在此过程中，需要警惕医源性气胸、气体栓塞和补液不当造成的肺水肿。目前认为，为避免气压性肺损伤伤情加重、医源性气胸和呼吸机相关肺炎，仅对重度肺冲击伤考虑使用有创通气，保护性肺通气策略包括小潮气量、最佳呼气末正压通气（positive end expiratory pressure，PEEP）及允许性高碳酸血症等方法［25］。其中，对于需要机械通气的肺冲击伤伤员（约占80%），通过对外周氧饱和度的半定量，建议实施量化的PEEP；而且可以借鉴急性呼吸窘迫综合征 （acute respiratory distress synd-rome，ARDS）条件下，吸入氧浓度指标调整PEEP的参数。总之，通过确认肺爆炸冲击伤的治疗性诊断指标，也有助于提升肺爆炸冲击伤的精准诊断水平。此外，当以上无创和有创通气措施均不奏效时，建议选择体外模式氧合治疗。对于伤情严重或救治不力的肺冲击伤伤员，极易并发感染和ADRS，并可能出现序贯性器官功能损伤，一旦发生多脏器功能障碍综合征，预后多数不良。

在肺爆炸冲击伤预后评估中，需要进一步建立定量评分方法，作为肺冲击伤评估标准和临床救治原则的组成部分，涉及参数包括氧合指数［26］、影像数据和支气管胸膜瘘［18］，可为不同严重程度的肺冲击伤伤员预后精准评估奠定基础。目前，三方面的量化评估指标与肺冲击伤伤员预后关联已获得临床证据支持。

基于此笔者认为达到精准水平尚有以下瓶颈问题。首先，肺冲击伤复合因素对伤员个体量化评估应该占有一定权重。通过天津大爆炸一组数据，破片致肺损伤和烧伤/吸入［27］、化学性肺损伤常常与气压性肺损伤合并存在协同效应［28］，特别是面对多系统、多脏器损伤，需要进一步量化评估；其次，伤员遗传信息（易感基因）、生物标志物（铁-运铁蛋白复合物［24］、中性粒细胞凝胶酶相关脂钙素［26］）可能预警肺冲击伤伤情和并发症发生风险，有待更多临床证据证实，并以此为基础建立肺冲击伤并发症发生预警公式，对于爆炸致肺冲击伤伤员前瞻性诊治具有重要理论价值；此外，伤员非遗传信息不一，在伤情诊治和转归判别上，无统一标准可循，需纳入爆炸冲击伤评分方法。特别是在非战争条件下，伤员的年龄、性别、健康状况都会影响伤情和预后。尤其是老人和儿童遭受肺冲击伤后［29］，由于机体内环境与青壮年不同，肺脏对冲击致伤的反应性存在差异。笔者研究还发现，雌性大鼠对肺冲击伤暴露耐受性优于雄性。妊娠对肺冲击伤其伤情和预后也有重要影响。

3 肺冲击伤的高效防护

迄今为止，由于针对爆炸冲击波防护的天然高效防护材料品种有限或缺乏，防护材料结构一体化设计思路不够完善，肺脏冲击波防护研究落后于对弹片、弹丸和弹珠的防护研究。既往以发泡镍-铝合金-海绵为主体构成的复合材料、聚氨酯对动物肺冲击伤取得一定防护效果［30，31］。近年报道警用软质（芳纶纤维材料）和硬质（芳纶纤维复合陶瓷材料）防护服对冲击波有防护效能［32］，但基于芳纶纤维的Kevlar防弹衣对肺冲击伤防护效果仍存在争议。由于层叠间隙的存在，在大当量爆炸冲击致伤条件下，该防弹衣甚至可能加重肺损伤。为此，防冲击波的胸带和防护背心需要新材料提供支撑。目前，高效防护的核心就是设法阻止爆炸冲击时应力波在肺脏的传递（如缓冲板、三明治板［33］）。 事实上，同样在50%生存条件下，肺部损伤比头部损伤承受更低的冲击波峰值压力，而且良好的肺脏防护，不仅能保护肺功能，而且对于颅脑冲击波防护也有作用。早年南斯拉夫学者采用聚甲基丙烯酸酯模具防护小动物肺冲击伤，对脑损伤也有防护效果［34］，进一步证实了上述观点。为此，笔者的防护策略希望能够做到预警、智能、安全、高效、舒适。因此，肺爆炸冲击伤防护在不降低防弹片、破片性能基础上，需要吸纳一些强度高、弹性低的新型复合材料以耗散冲击能量，胸廓下缘是重点防护部位。同时应该关注冲击波在胸腹部的应力传导问题。为此，笔者前期合作研发了新型多尺度夹杂型聚脲复合材料，通过调整材料分子结构软段和硬段比例、微相分离度，夹杂小尺度玻璃微珠，能够实现对冲击波良好的吸收、导引和耗散效应。

4 肺冲击伤防护的潜在挑战

既往防护材料在有效性、安全性、舒适性方面尚有较大提升空间。采用新型生物、化工材料，满足轻便、柔顺、阻燃、耐热基础上的尝试，对于肺冲击伤进行有效消减，从冲击波超压或负压峰值、压力作用时间以及压力上升时间三方面可以发挥有效防护作用。而且，从冲击波致伤靶器官对冲击伤易感性上分析，颅脑伤常占有重要地位，通过胸部冲击波应力传导，引起颅脑功能或器质性损伤（创伤性脑损伤和创伤后应激障碍），也是肺冲击伤精准诊治的重点考虑内容。

在肺冲击伤个体防护中，作业人员在实现自身有效防护基础上，对于作业面潜在爆炸物（粉尘、燃气、油料、手机等）的环境防护，有减轻冲击波作用于人的强度和时程，同样至关重要。这需要防护材料的量产规模以及经济成本可控。从爆炸冲击伤防护经验看，冲击波通常伴随破片或投射物致伤，因此，在获得有效抵御冲击波基础上，防破片效能不能降低，这就决定防护材料倾向于采用复合型，兼具防弹/破片性能。此外，为获得冲击波暴露时的频次、压力参数，量化评估伤情，需要研发智能化预警装置。同时，防护装置须配置伤员基本生命体征信息（血型、体重、身高、联系方式等）的存储信息或者个性化标志，以便于爆炸伤员急救。

随着时间推移，爆炸物类别必然更加多样，致伤形式可能日趋复杂，这就决定爆炸冲击伤防护材料和装备需要按照因“矛”设“盾”，铸盾为先的思路，迭代升级。特别是面对现今精确制导式大当量、深钻地爆炸武器打击，只有采取多层设防、层层耗散的综合防护措施，才可能达到最佳防冲抗爆效果。而且，随着材料科学和电子技术的迅猛发展，智能防护、预警为先的防护理念将会成为冲击伤防护材料和装备研究的必然趋势。

5 愿景和展望

在肺爆炸冲击伤诊治和防护研究中，基于半个多世纪以来对冲击波物理学构成、肺冲击伤损伤阈值、生物损伤效应的深刻了解［35］，要实现精准诊治需要处理好基因决定和环境因素的关系、辨证施治和个体化诊治的关系以及干预因素的平衡与协同的关系。伤情诊治的初衷在于救治原发损伤，防治并发症，恢复伤员身心完整性。而防护策略则是临床诊治的前伸与拓展。肺冲击伤转化研究的瓶颈决定其救治的复杂性。防护材料高效性、复合型、适宜性拓展因材料学、生物力学以及医学源头创新的制约尚有相当难度，而且预警诊断、评估和救治中会出现大量数据，评估指标亟待优化。要实现这些目标，需要坚持实践-理论-再实践的科学认识论，借力学科交叉融合和相关领域新技术支撑，这不仅需要肺冲击伤伤员首诊医师的准确定性评估，还需要集成统计学和生物信息学数据，以及伤情从定性到定量的切换。另外，加强肺冲击伤评估生物标志物的发掘和验证、冲击伤致伤预警参数的捕获以及有效监控性救治措施的研发，对于肺冲击伤精准诊治和高效防护范式具有推动效应。

综合以上认识，在加强源头管控基础上，坚持以肺冲击伤精准救治方向、推动肺冲击伤个体化诊治进程、加强肺冲击伤精准诊治人才培养、促进肺冲击伤诊治模式转型为导向，不断研发新型防护装备并反馈式迭代升级，以应对未来非战争爆炸事故、恐怖袭击风险和军事冲突中冲击波致伤因素权重的增加，力求在肺爆炸冲击伤诊治与防护上良性互动，防诊共进。可以预见，在追求肺爆炸冲击伤精准诊治与防护道路上，挑战巨大，但空间广阔，面对海量数据，需要深度发掘，唯有坚持实践为先，理论跟进，最终实现伤员受益，国家安全。

志谢 陆军特色医学中心张良同志为本文提供部分资料和建议，谨致谢忱。