自由场实弹爆炸比格犬颅内冲击波压力变化及其影响因素

程岗，李彦腾，魏铂沅，王淑为，刘帅，刘邦鑫，刘亚楠，张剑宁*

1解放军总医院第六医学中心神经外科，北京 100048；2中部战区总医院神经外科，武汉 430070

现代海战是包括水面舰艇、航空兵、潜艇、水下蛙人、登陆部队在内的多兵种、立体化作战模式。战争的现代化水平越高，发生颅脑创伤的比例越高[1]。现代战争中，随着装备的升级及人员防护能力的提高，以及高速、高爆、高能武器的大量应用，冲击波性颅脑损伤(blast-related traumatic brain injury，bTBI)占脑损伤的比例越来越高，由此引起的创伤后应激障碍(posttraumatic stress disorder，PTSD)及轻度创伤性脑损伤(mild TBI，mTBI)取代枪弹伤成为主要的战创伤类型，被称为现代战争的标志性伤型。美军2/3的后送伤员及88%需要到二级医疗机构进行治疗的伤员为颅脑爆震伤[2]。为此，近期北大西洋公约组织(the North Atlantic Treaty Organization，NATO)成立了专业的研究团队，将bTBI作为环境毒性问题进行专门研究[3]。

国内外学者对bTBI也进行了大量研究[4-5]，但是颅骨对冲击波有多大的阻挡效应，有多少冲击波的能量可通过全身效应影响颅内压力，外界冲击波压力与颅内压力变化是否存在可量化的关系，目前尚未见报道。本研究通过制作比格犬炸药爆炸模型对上述问题进行探讨，旨在探明自由场环境爆炸后颅骨对冲击波的阻挡效应，以及颅内外冲击波压力之间是否存在量化关系。

1 材料与方法

1.1 实验动物 18只普通级比格犬，体重10～12 kg，10～12月龄，购自北京玛斯生物技术有限公司；常温下喂养，保持充足的干净饮水，每日食粮为体重的3%～5%，分上、下午两次喂养。实验过程符合国家及单位有关实验动物的管理及使用规定。

1.2 实验方法 采用自由场爆炸环境，周围无障碍物。自由场爆炸实验分别采用1 kg及3.5 kg圆柱形三硝基甲苯(trinitrotoluene，TNT)装药，在距地面1.5 m的高度进行实验，实验过程中开展环境压力、动物颅内压力测量。自由场爆炸实验布置示意图见图1。首先将动物麻醉后，在颅内放置压力传感器(昆山双桥传感器厂生产，精度0.5%，量程2 MPa)。此种压力传感器表面有孔，孔的朝向为压力传感器的测量方向。比格犬麻醉后，顶骨用颅钻开颅，咬骨钳扩大骨孔，确保压力传感器能完全放入颅腔。比格犬两侧顶骨均钻孔，一侧颅内压力传感器的孔垂直朝向脑组织表面，并紧贴脑组织，测量来自脑组织方向的压力；另一侧传感器的孔垂直朝向颅骨，正对冲击波波源，测量透过颅骨的冲击波总压(图2、3)。传感器放置完毕后，骨蜡封闭骨孔，严密缝合皮肤切口，以防止外界冲击波从骨孔进入脑内对测量结果造成干扰。

图1 动物自由场爆炸实验布置示意图Fig.1 Schematic layout of the animal free field explosion experiment

图2 压力传感器(中间的孔是测量冲击波的位置)Fig.2 Pressure sensor (shockwave altitude was measured through the borehole in the center)

图3 钻孔开颅放置压力传感器Fig.3 Borehole craniotomy to place the pressure sensor

然后，将比格犬按照工况参数的要求布置在距离爆源一定水平距离的位置上，动物均为卧姿，头部正对爆源，以便测量冲击波的正面冲击强度。在与比格犬头部相同的位置放置环境压力传感器，测量空气中的冲击波压力，即测点距地面1.5 m，与爆源距离等同于比格犬头部与爆源的距离，以便将同一测点外界冲击波压力与颅内压力进行比较。

1.3 神经功能评分 采用改良Tarlov评分法及大动物神经功能评分法分别于爆后即刻、爆后3 h及爆后24 h进行神经功能评分。①改良Tarlov评分法。5分：行走正常；4分：可行走，仅有轻度障碍；3分：后肢可支持体重，能走1～2步；2分：后肢活动频繁或有力，不能负重；1分：后肢可见活动，不能负重；0分：后肢无活动，不能负重。共分为四种状态：优(5分)、良(4分)、可(2～3分)、差(0～1分)。②大动物神经功能评分法。从意识状态、运动、肌张力、饮食、视力、疼痛反应、排尿和排便8个方面分别计分。意识状态：清醒(3分)、嗜睡(2分)、昏迷(1分)、深昏迷(0分)；运动：正常行走(3分)、跛行(轻瘫)(2分)、不能站立(1分)、不动(0分)；肌张力：正常(3分)、增高(2分)、减弱(1分)、无张力(0分)；饮食：自己进食(2分)、仅有进食反应(1分)、无反应(0分)；视力：正常观看(3分)、有视反应(2分)、有瞳孔反应(1分)、无(0分)；疼痛反应：灵敏(2分)、迟钝(1分)、无反应(0分)；排尿：正常(2分)、尿失禁(1分)、尿潴留(0分)；排便：正常(2分)、大便失禁(1分)、不能排便(0分)。根据以上8个方面的总分将神经功能分为4种状态：正常(18～20分)、独立生存(13～17分)、人工饲养生存(8～12分)和濒死(<7分)。

2 结 果

2.1 动物存活情况 18只比格犬经空爆实验后，1只在3.5 kg TNT空爆实验中5 m水平爆距上死亡，余17只均存活。

2.2 自由场爆炸后比格犬改良Tarlov评分及大动物神经功能评分 改良Tarlov评分显示爆后即刻所有动物均为优或良，其中优7只，良10只；爆后24 h比格犬神经功能逐渐恢复，优14只，良3只(表1)。大动物神经功能评分显示所有动物评分均在13分(独立生存)以上，随着时间延长，爆后24 h，有13只比格犬的神经功能正常(表2)。

表1 自由场爆炸后比格犬改良Tarlov评分(n=17)Tab.1 Improved Tarlov score after free field explosion (n=17)

表2 自由场爆炸后比格犬大动物神经功能评分(n=17)Tab.2 Neurofunctional score of large animal after free field explosion (n=17)

2.3 自由场冲击波和比格犬颅内冲击波压力测量结果 外界环境冲击波峰压与爆源及爆炸距离有关，爆源当量越大、距离越近，冲击波峰压越大。最大的外部冲击波压力峰值达207 kPa，平均122(47.6～210.8) kPa，最大冲击波压力冲量达88 Pa.s。比格犬颅内来自颅骨方向及脑组织方向的峰压均明显小于外界峰压，脑组织方向的峰压低于颅骨方向的峰压(表3)。颅骨方向的峰压值(Y)与外界峰压值(x)呈对数变化趋势，计算所得公式为Y=28.04lnx－38.98，相关系数(R2)=0.804(图4)。

2.4 比格犬颅内冲击波曲线特点 来自颅骨及脑组织方向的冲击波压力曲线先出现一个陡峭的正压峰，随后是一个平缓的负压波，然后逐渐恢复至正常值。颅骨压力测量曲线及脑组织压力测量曲线走势接近，但在脑组织的缓冲作用下，脑组织压力测量曲线的量值较小且更为平滑(图5)。

图4 自由场爆炸实验环境冲击波压力冲量与动物颅骨响应峰压的比较Fig.4 Relationship of the pressure impulse in free field explosion experiment and response peak pressure in animal crainum

表3 自由场冲击波和比格犬颅内冲击波压力测量部分结果Tab.3 Results of free field shockwave and pressure measurement of intracranial shockwave in Beagle dogs

图5 自由场爆炸实验动物颅内压力典型测量曲线(1 kg TNT，爆距3 m)Fig.5 The typical measurement curve of animal intracranial pressure in free field explosion experiment (1 kg TNT, explosion distance =3 m)

3 讨 论

美国陆军医学研究和装备司令部军事职业医学研究项目于2008年发布了经典的颅脑爆震伤致伤因素分类。他们将颅脑爆震伤分为初级、二级、三级、四级及综合性损伤，其中初级损伤是特有的损伤方式，与爆炸产生的冲击波有关[6]。一般认为，瞬时产生的高压冲击波在通过密度不同的界面时会发生压力的突然改变，引起物质的变形及损伤。冲击波透过颅骨后，在颅骨与脑组织及脑脊液与脑组织界面会产生颅内压的突然改变，导致气泡形成，造成脑组织穿透和空化、神经通路传输中断以及毛细血管损伤[7]。冲击波在理想的自由场中的传播最规律，冲击波峰面呈规则的球形向周围扩散，波形也最规律，理想的爆炸冲击波压力曲线又称为弗里德兰德(Friedlander)曲线[8]。此前笔者对舱室内的冲击波进行了研究，发现由于受到舱壁的阻挡，冲击波传播过程非常复杂，很难用现有的公式或计算机软件进行模拟[9-11]。因此，本研究选定空旷地形进行爆炸，用最接近自由场的环境研究冲击波对脑组织的影响，便于对结果进行判读。同时，对受试动物进行固定，最大限度减少爆炸后产生的二、三、四级以及综合性损伤，以减少对结果判读的干扰。结果发现，以1 kg及3.5 kg TNT炸药为爆源，在2～6 m的范围内，测得最大的外部冲击波压力峰值达到207(47.6～207) kPa，平均122 kPa，最大冲击波压力冲量达到88 Pa·s。比格犬颅内来自颅骨方向的压力测量曲线及脑组织压力测量曲线走势接近，冲击波压力峰值与同位置的外界冲击波呈对数变化趋势(相关系数=0.804)。来自脑组织方向的压力曲线变化与外界变化趋势也相近，但是压力测量曲线的量值较小且更为平滑。18只比格犬死亡1只，其余比格犬均存活，24 h后Tarlov评分均为优良，大动物神经功能评分均为能独立生存。

关于冲击波对颅脑的影响机制，一般认为冲击波会造成颅骨的变形和反弹，这是引起脑组织空化的重要因素[12]。一些国外研究也证实冲击波直接作用于头颅，应力波可通过颅骨腔隙或孔洞直接传入颅内[13-14]。但颅骨阻挡冲击波的效果如何，国内外鲜有报道。本研究使用大动物实爆方式对冲击波进行直接测量，能直观地反映颅骨对冲击波的阻挡作用。传感器放置位置选择在顶骨，在摆放动物体位时，顶骨正对爆源，这样保证传感器测量方向能正对冲击波的传播方向。结果发现颅骨对冲击波有明确阻挡作用，且与外界冲击波强度呈指数关系变化。据此可以推测，不同动物(包括人类)颅骨对冲击波都有一定的阻挡作用，但是数值关系可能受到颅骨厚度、形状等因素的影响，存在一定差别。笔者认为，冲击波作用于人类颅骨时，应该也存在类似相关性。这一发现将有助于简化冲击波致颅脑损伤的机制研究，也利于通过冲击波强度推断颅脑损伤程度，有助于在未来战争中推断不同战斗模式下的减员情况，提高卫勤保障的精确性。

冲击波能否通过全身途径影响颅内压力也是学术界争论的问题之一，虽然理论上推测冲击波有可能通过对胸腹部空腔脏器积压、血液震荡等因素上传至脑组织，产生破坏作用，但是缺乏直接证据。本研究发现来自脑组织方向的冲击波变化与外界冲击波有着相同的变化趋势，说明外界冲击波也能够通过全身作用上传至脑组织，产生影响。这也验证了国外学者的结论[13-14]，即作用于胸腹部的冲击波由于脑与躯干通过大血管及脊髓槽相连接而使爆炸冲击波能量以弹性波的形式沿着血管传入大脑；从波幅上观察，抵达脑组织的波幅明显低于来自颅骨方向的波幅，提示冲击波自躯干传至脑组织的过程中，由于受到身体组织的阻挡，波幅强度已经有所减弱。另外，冲击波对胸腹部的影响也与动物的体位有关[15]。本研究重点探讨了颅骨对冲击波的影响，因此所有的动物均是头部正对爆源，一定程度上减弱了胸腹部直接受到冲击的强度，可能也是造成胸腹部上传至脑组织的波幅较低的原因之一。但是二者的曲线变化时限基本重合，说明透过颅骨的冲击波及通过胸腹部的冲击波几乎同时抵达脑表面，提示胸腹部的冲击波能直接传至脑部，基本无延迟。有学者认为，部分冲击波能通过血管内的弹性波传至脑内，但是由于后者的传播速度慢，通常在冲击波直接作用头颅后才抵达颅内。因此，如果存在血管弹性波因素，至少在波形曲线上应有所反映，但本研究并未发现延迟出现的波形。据此推断，外界冲击波是否能从血管传入颅内仍存在一些疑问，需要更多研究进行证实。

损伤程度与冲击波强度关系密切，冲击波强度越大，损伤半径越大，损伤程度就越重，如当量为10、20、30吨TNT爆炸物爆炸后的理论死亡半径分别为39.6、51.2及59.5 m[16]。在冲击波强度与死亡发生率关系的研究中，本次自由场爆炸实验中共采用了18只比格犬，仅死亡1只，不排除麻醉药物过量引起的死亡，其余受试比格犬均存活，存活率为94.44%。根据冲击波超压基本计算公式，当冲击波峰值超压>0.1 MPa时，可造成死亡或致命伤[17]。但本研究发现，在冲击波峰值超压均值为122 kPa(0.122 MPa)的情况下，仅有1只比格犬死亡，且死亡犬距离爆源5 m，与理论推算的结果有较大差距。因此，在小当量的爆炸中，致伤因素除了冲击波，爆炸产生的各类碎片也是主要的杀伤因素，其杀伤半径远大于冲击波。另外，生物体还会产生二、三、四级及综合性损伤，这些因素均可加重机体损伤。本研究为了尽量减少其他损伤因素的干扰，将现实爆炸中常见致伤因素的影响降低到最低水平，因此，动物损伤程度远低于实际爆炸的损伤也在情理之中。

本研究也有一些不足之处。首先，本研究的样本量较小，得出的颅内外压力关系曲线可能不太精确。其次，选择不同物种进行研究得出的结论可能有所差别。比格犬的颅骨比人的颅骨薄，对冲击波的阻挡作用相对较弱，因此，本研究的公式不能直接用于人体，只能为人体研究提供参考。最后，冲击波对机体的影响机制复杂，不同体位得出的结论可能也会有所差别，由于本研究未对相关损伤机制及病理生理学变化进行更细致的分析，尚需更多研究对本文结论进行修正及补充。