爆炸波致颅脑损伤力学机制与防护综述

蔡志华 ,贺葳 ,汪剑辉 ,王幸 ,张磊

(1.湖南科技大学 机电工程学院,湖南 湘潭 411201;2.军事科学院国防工程研究院 工程防护研究所,河南 洛阳 471023)

0 引言

新战争模式下,战争和恐怖主义活动形式复杂多变,使用简易爆炸装置是现代局部战争和反恐作战中的主要作战手段。爆炸波对有生目标的伤害极大且防护较为困难,其中对人体的损害以头-颈、胸部占比较高。美国国防和退伍士兵脑损伤中心统计数据(见图1)表明,在2000 年至2020 年第四季度间,有434 618 名美国军人被诊断为创伤性脑损伤(TBI),其中轻度创伤性脑损伤占82.4%。Connelly 等对6 590 名入院治疗的美军士兵进行了完整的TBI 筛查,其中5 665 名士兵因作战受伤入院,因爆炸冲击致伤的占61.9%。另外对美国海军陆战队战斗创伤登记处的数据分析,统计发现52%的颅脑损伤患者均是因爆炸冲击导致。总之,爆炸波致颅脑损伤是最常见的损伤类型之一,也是单兵面临的主要杀伤因素,对单兵的作战、生存能力造成极大威胁。

图1 美军创伤性颅脑损伤统计数据[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)

针对爆炸波致颅脑损伤的研究,国内外研究人员初步提出了颅脑冲击伤的机制,开展了大量的动物实验、少量尸体实验及数值模拟来揭示损伤机理和组织耐受阈值。目前相关研究对颅脑冲击伤的损伤规律和量效关系认识不足,尚无法确定颅脑损伤的耐受阈值,缺少防弹头盔对爆炸防护性能的评价体系等,严重制约了现代战争条件下战斗力的提升。基于此,本文主要对目前国内外针对爆炸波作用下颅脑损伤与安全防护的相关研究进行总结,以期为从事相关研究的科研人员提供参考。

1 爆炸波的产生和造成的颅脑损伤类型

1.1 爆炸波

爆炸波对生物体的毁伤效应主要取决于5 个因素:1)超压峰值;2)超压持续时间;3)爆炸介质;4)爆心距;5)爆炸波流场环境。其中第5 个因素是最近颇受研究人员关注的问题,最初研究发现处于爆源和建筑物之间的受害者所受的伤害往往是在开放空间的2～3 倍,而在封闭环境(如建筑物内部、城市环境或车辆)中,爆炸波与周围结构相互作用并产生多个反射波,反射波与入射波相互叠加产生复杂波,与单一的爆炸波相比,复杂波会对生物体造成更大的损伤。

爆炸装置爆炸时瞬间产生大量的高压气体,同时释放大量的热。高热高压气体迅速向四周膨胀,并将其能量传给周围的空气介质,形成向外传播的冲击波。冲击波到达测量位置时,该点的空气压力因突然受到压缩而瞬间到达最大值,冲击波前沿通过该点后,空气压力和流速均逐渐降低,当压缩区尾部经过该点时空气压力已降至正常大气压,紧接着稀疏区通过该点空气压力此时恢复至正常大气压力之下形成负压,当稀疏区通过该点后该点的空气压力恢复正常。典型的点源爆炸空气冲击波曲线如图2所示,目前对冲击波压力时程曲线的研究仍主要集中于通过试验手段获取真实的压力波形,并在此基础上给出压力波形拟合曲线。图2 中,()为时刻的超压值,为正常大气压,为超压峰值,为冲击波正压持续时间,为冲击波负压持续时间,为负压。Baker给出常用的空气冲击波超压曲线经验公式,认为Friedlander 方程从工程适用角度是最合适的,因为其能较准确预测波形曲线,同时所需要经验参数少,便于通过试验结果得到。

图2 空气冲击波曲线[13]Fig.2 Air shock wave curve[13]

Friedlander 方程:

式中:为空气冲击波衰减系数,取值如图3所示。

图3 空气冲击波衰减系数[13]Fig.3 Decay constant of air shock wave[13]

1.2 爆炸颅脑损伤类型

根据主要毁伤元的不同,爆炸颅脑损伤通常可分为5 类:1)原发性爆炸脑损伤,是由冲击波与大脑组织的直接作用引起的毁伤;2)继发性爆炸脑损伤,主要由爆炸产生的高速破片引起;3)由于动压对大脑的加速作用造成的脑损伤;4)接触爆炸副产物而造成的伤害,包括吸入有害气体,烧伤和失明等;5) 化学烧伤、辐射和病毒或细菌感染。

目前,创伤性颅脑伤按照临床严重程度可分为轻度、中度、重度。格拉斯哥昏迷量表评分将创伤严重程度定义为轻度(13～15 分)、中度(9～12 分)、重度(3～8 分)和植物状态(＜3 分)。还有一种针对爆炸性脑损伤的分类,轻度爆炸波致颅脑损伤(bTBI)的定义是在暴露于爆炸后的1 h 内意识丧失和24 h 内创后失忆;中度bTBI 是指大于1 h 但少于24 h 意识丧失,以及大于1 h 但少于7 d 创后失忆;严重bTBI是意识丧失大于24 h 和创后失忆大于7 d。

1.3 爆炸波致颅脑损伤病理特征

爆炸波致颅脑损伤常见的病理变化包括颅内出血、血管痉挛等。颅内出血是动物爆炸实验中的常见特征。Knudsen 等和Saljo 等指出的常见损伤部位是脑干、小脑和中脑。Nakagawa 等通过微炸药(平均300 kPa)对大鼠脑进行空气介导爆炸后,观察到硬膜下出血和弥漫性蛛网膜下腔出血。而颅骨和大脑之间有很薄的充满脑脊液的硬脑膜间隙,因此施加过多的外力可能会导致颅骨碰撞大脑或大脑碰撞颅骨,这样的相对运动可使桥接的静脉撕裂,进而导致硬膜下血肿,在碰撞过程中由于软组织血管破裂,也可能发生脑内血肿。创伤性脑血管痉挛是冲击波致颅脑损伤的显著特征之一。Armonda 等研究指出,在重度bTBI 患者的脑血管造影研究中,创伤性脑血管痉挛和假性动脉瘤的发生率分别为47%和35%;血管痉挛的发作时间平均会持续14 d,最长持续30 d。

2 爆炸波致颅脑损伤的研究方法

由于爆炸波致颅脑损伤的复杂性,研究方法主要为实验研究和数值模拟,而理论研究较少。不同研究方法的侧重点和优缺点各有不同,它们相辅相成,都是爆炸波致颅脑损伤不可或缺的研究手段。

2.1 实验研究

根据爆炸波产生方式的不同可分为自由场爆炸实验和激波管实验;又可根据实验样本的差别分为动物实验、尸体实验和物理替代模型实验。其中自由场爆炸实验的主要优点是能较好地模拟真实的爆炸条件与环境,因此成为生物杀伤实验加载方式的首选。

Wang 等使用大当量球型爆炸物与山羊来制作颅脑爆炸伤动物模型,结果显示爆炸波的超压峰值随爆心距增加呈指数级下降,对应的实验样本组织损伤也呈指数级下降。Feng 等也开展了类似实验研究,其将尤卡坦猪置于自由场中施加3 种不同水平的爆炸载荷,使用颅内压(ICP)传感器记录到ICP 峰值为79～143 kPa、210～281 kPa、311～414 kPa,线性加速度计记录到头部线性加速度为120～412,这些实验数据可用于数值模拟的验证。受实验成本、设备条件所限,也有研究人员采用体型较小的生物进行爆炸毁伤实验。Bass 等和Rafaels 等使用雄性新西兰白兔和雪貂建立了原发性爆炸脑死亡和伤害实验的伤害风险函数模型,为中度/轻度TBI 的原发性爆炸性脑损伤研究提供了参考。Barbara 等记录了小鼠在自由场爆炸实验中冲击波峰值压力、上升时间、正压持续时间、冲量和爆炸波速度,发现冲量是与bTBI 严重程度最相关的物理量。

自由场爆炸实验的缺点是成本高、耗时长、危险性高、不环保,受实验现场条件限制明显,且爆炸所产生的火球、电磁干扰、爆炸噪声、高速破片会使实验环境复杂化,使得爆炸波对生物力学响应的结果无法精确评价。利用压缩气体作为驱动源的激波管产生的空气冲击波与化学爆炸的爆炸波相似,且可以消除上述不利影响,同时还具有更高的可控性和可重复性,因此成为常用的爆炸波模拟装置。

Long 等通过使用激波管产生的空气冲击波研究了大鼠的TBI,凯夫拉防护背心削弱了147 kPa冲击波对动脉血压的降幅和心动过缓反应,提高大鼠在126 kPa 和147 kPa 冲击波作用后24 h 的存活率。普通炸药爆炸加载时,实验对象除颅脑外其他部位也会产生冲击伤,会对颅脑损伤效果分析产生影响,因此如何避免实验对象其他部位遭受冲击伤也是动物实验关注的热点之一。Cheng 等使用特制的铝制仓固定大鼠,将大鼠颅脑暴露于电雷管所产生的冲击波下,特制铝仓一定程度上防止了冲击波对大鼠胸腹的影响,可以任意设置大鼠与爆炸源之间的距离,从而可以研究原始爆炸波本身对大鼠的影响并提供更多的实验控制。第四军医大学针对大鼠实验使用一种微型球形爆炸源及特制爆炸架台(见图4),采用标准化批量制作微型点爆炸源,具有装药量一致、爆炸参数明确、爆炸能量稳定可控、产生爆炸压力高度均一的特点,可以使用不同装药量的炸药球以控制爆炸能量、调节动物与致伤物的距离来调整致伤能量、选择不同致伤部位(左右额叶、顶叶、脑干等)。

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

动物大脑模型的形状、大小、头皮和头骨的形态与人类相比存在较大差异,这些结果不能直接转化到人体上,而使用替代头部模型也不能够完全再现人类对爆炸波引起的生物力学反应。因此,直接利用死亡后人体标本(PMHS)进行研究具有无可比拟的优势。Ganpule 等使用3 个PMHS 的头部,取出大脑,用20%的弹道凝胶回填颅内空间,并使用Hybrid III 颈部连接头部,开展了介于尸体模型和假人模型过渡范围内的“类尸体”模型实验,通过在每个PMHS 样品中选取11 个不同位置测量ICP、表面压力和表面应变,结合损伤标准分析获得在70 kPa的爆炸超压内不发生伤害,140 kPa 的爆炸超压发生中重度伤害,200 kPa 的爆炸超压发生严重头部伤害。Salzar 等将3 个PMHS 的颅骨内容物替换为生理盐水溶液和带有模拟脑脊液层的弹道凝胶混合物,装上多个压力传感器,并放置在相同的激波管中。传感器数据表明,在低于50%爆震肺损伤风险的压力水平时,可能发生空穴现象。同时发现颅骨屈曲可能是导致空化发生的机制之一。

尸体实验固然能最大程度解决人员颅脑冲击伤真实情况,但也存在伦理、社会舆论及实验样本少、实验成本高等缺点,如何深度挖掘尸体实验结果,将其与动物实验、物理替代模型实验相融合,是急需解决的关键技术问题。

由于动物实验重复性差、测量数据困难、实验成本高,建立物理替代模型进行实验研究也是一种常见的技术途径。Zhu 等将一个充满凝胶的蛋形壳体作为头部替代模型置于激波管中,结果显示增加壳体的体积模量从0.5 GPa 变为2 GPa,超压值增加7.2%;壳体表面曲率对正负压力峰值有显著影响,而壳体上的开口对模型正压几乎没有影响,但可以明显影响负压值。Hua 等开展了充满水的聚碳酸酯球形壳重复激波管测试,数据分析显示,在脑模拟物的前部ICP 主要由直接冲击波传播影响,而在后部颅内压力则归因于直接冲击波传播和颅骨弯曲共同作用。Zhang 等利用聚二甲基硅氧烷作为脑组织模拟物,制成一个类似猪脑的翼型物理替代模型,爆炸波作用后模型表面产生压缩和突出变形,振动频率为113.9 Hz ±2.7 Hz,且不随模型几何形状发生改变。因具有与软组织相当的一致性、耐久性和密度等优点,聚二甲基硅氧烷作为软组织替代物在生物医学领域得到了广泛应用,例如皮肤、脂肪组织和脑组织的替代材料。替代头部模型针对激波管产生的爆炸波实验进行了合理验证,但是部分研究的物理替代头部模型不具备人头几何形状,因此出现了一些基于计算机断层扫描/核磁共振成像(CT/MRI)数据建立的人体颅脑数值模型,包括头皮、皮肤、骨骼、脑脊液、显示灰质和白质的大脑以及鼻腔。

Ganpule 等利用激波管对替代头部模型进行了可控爆炸波实验,并使用经过验证的头部数值模型对结果进行了分析,证明颅骨弯曲和组织空化是爆炸引起的颅脑外伤的可能机制。Awad 等建立了一个具有替代凝胶脑的物理头部和颈部模型(PHNM),模拟人体颈部的实际刚度,并利用预先设计的压缩空气驱动激波管对其进行了动力响应分析,通过4 个微型压力传感器监测脑内不同位置ICP 的变化,安装在PHNM 内部和外部的两个加速度计记录加速度,结果显示ICP 的突然波动可能是爆炸波致颅脑损伤的主要损伤机制,冲击波作用头部对大脑线性加速度的影响较小。Banton 等将替代头部模型置于1.7 g 球形环三甲烯三硝胺5 级炸药的爆炸场中,并使用Settles开发的高速阴影图成像技术,将爆炸波由爆炸物至头部模型的演变可视化。

替代物理模型由于可加工性强、实验重复性高、实验成本低等优点,已成为动物实验和尸体实验重要的补充实验,图5 为本团队所使用的假人颅脑物理模型。但替代材料的本构模型与真实组织材料的相符程度会直接影响实验结果的可靠性,因此物理替代模型实验多用于机理性研究而无法取代动物实验和尸体实验。

图5 假人颅脑物理模型Fig.5 Dummy head physical model

2.2 数值模拟研究

随着数值方法和计算机技术的发展,数值模拟已经成为研究复杂问题不可或缺的方法之一。数值模拟方法具有成本低、可控性强等优点,便于研究某种控制因素对系统的影响,特别适用于无法建立解析模型的复杂问题。在连续介质力学框架中,常用的数值方法包括有限元法、有限差分法、有限体积法以及以光滑粒子流体动力学方法为代表的无网格法等,其中有限元法是颅脑组织爆炸冲击仿真模拟最常用的方法之一,研究人员已经建立了多种头部有限元模型来研究爆炸波作用下的颅脑损伤。图6 为本团队为获得头部在爆炸波作用下的动态响应规律,建立的已通过国外尸体实验验证的爆炸波-颅脑流体与固体(简称流固)耦合模型。

图6 冲击波-颅脑流固耦合模型[44]Fig.6 Shock wave-craniocerebral fluid-structure coupling model[44]

图7为爆炸波从正面作用于颅脑时空气域的流场压力变化历程。由图7 可见:=0.70 ms 时,冲击波即将与头部发生接触;=1.20 ms 时,由于头部的阻挡作用而分散的冲击波汇聚于后脑,该处的压力上升;=3.00 ms 时,颅脑周围压力基本已完全恢复至大气压。

图7 爆炸波流场压力云图[45]Fig.7 Cloud diagram of flow field pressure in air[45]

针对爆炸波直接作用下的颅脑损伤数值模拟,其他学者也开展了相关工作。栗志杰等建立充分反映颅脑生理结构的三维头部数值模型,并利用头部碰撞实验数据对头部模型的有效性进行验证。然后,基于欧拉-拉格朗日耦合法建立爆炸波-头部流固耦合模型,对头部在正面冲击工况下的动态响应过程进行数值模拟。结果显示,前额处颅骨(正面冲击)的局部弯曲变形,会沿着颅骨传播,影响脑组织压力的演化过程。Eslaminejad 等使用不同的大脑材料模型(如超弹性、超黏弹性和黏弹性)建立球形头部模型,结果表明相同爆炸载荷作用下,ICP 和应变结果接近,但剪切应力有显著差异。Towsend 等利用大鼠头部有限元模型,对颅脑响应参数(ICP 和应变)和脑组织材料的相关性进行分析,结果发现脑组织材料的体积模量和剪切模量对ICP 和应变有显著影响,且当体积模量为80 MPa时,ICP 和应变的仿真结果与实验结果最匹配。Unnikrishnan 等对比分析了有无脑血管的大鼠头部有限元模型在相同爆炸载荷下的力学响应,结果发现在具有脑血管的头部模型中,大脑、小脑和脑干平均应变分别降低17%、33%和18%。

目前数值模拟方法遇到的最大困难是颅脑组织的动态本构模型和破坏准则,它们是直接影响数值仿真结果可靠性的重要因素,也是目前研究热点之一。

3 爆炸波致颅脑损伤的作用机理

3.1 耳道和眼眶传导爆炸波致伤

耳部爆炸伤的特征包括鼓膜穿孔、听骨损伤、内外毛细胞丢失,血管痉挛和血肿等。尽管研究人员已证明耳道易受爆炸波导致的病理损伤,但目前几乎没有证据表明它是改变ICP 的一种机制。一项关于轻度外伤性耳道脑损伤的有限元研究表明:当耳朵直接面对冲击波时,耳道内的超压被显著放大;当耳朵背向冲击波时,耳道内的超压小于实际的入射冲击波压力,但对ICP 影响较小。

活体研究发现,爆炸会造成的不同程度的眼部损伤。啮齿动物经爆炸波作用后,视网膜和大脑视觉中心会出现神经退化。Leonardi 等对爆炸波通过大鼠眼眶传播的研究发现,无论是否存在眼部防护措施,ICP 都会发生变化,表明可能存在另一种机制将爆炸波能量传递到大脑,或者眼部防护不足以降低压力。目前常用的护目镜能减少正面爆炸时的角膜压力峰值,但在其他角度无法提供足够的保护,甚至增强了对角膜的压力。Williams 等利用激波管和物理替代模型,研究护目镜对角膜压力的影响,研究发现目前的眼部防护措施在保护继发性爆炸脑损伤和第3 类爆炸脑损伤方面效果很好,但对原发性爆炸脑损伤的保护不足。总之,爆炸波作用头部后感觉器官易受到损伤,但目前还没有直接证据证实爆炸波从感觉器官传递到大脑的假设。

3.2 直接颅脑传导爆炸波致伤

直接颅脑传导理论认为爆炸波可通过颅骨直接进入大脑而对颅内组织产生损伤。当空气中爆炸波传播到空气和皮肤或颅骨之间的边界时,由于声阻抗的差异,即边界两侧材料“软/硬”不同,会发生波的反射和透射,一部分能量被反射回空气成为反射波,一部分透入颅骨以及脑脊液和大脑等脑内组织中形成透射波,二者的强度和能量分配受边界两侧材料的声阻抗控制。同时也取决于两种材料的软硬次序,若冲击波从“软”传播到“硬”,则反射波与入射波同号,且透射扰动幅值强于入射扰动,即透射增强;若冲击波从“硬”传到“软”,则会出现反射卸载、透射减弱。关键材料和生物组织的近似阻抗值列于表1。

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

虽然利用波的反射透射律可以由空气中的爆炸波获取颅内组织的冲击波强度,但由于颅骨结构和生物组织动态本构的复杂性,精确获取颅内冲击波幅值、脉宽等参数尚有较大困难,目前研究多以直接测量颅内不同位置冲击波参数为主。Ganpule 等将3 个PMHS 头置于激波管中,入射压力持续时间约5 ms,幅值分别为70 kPa、140 kPa 和200 kPa。实验结果表明,最接近入射波压力值的ICP 位置在紧贴颅骨后面,其峰值压力为400 kPa,约为前额反射压力的2/3;鼻窦后面的峰值压力约为300 kPa,在中央和后部位置的峰值压力分别约为150 kPa 和75 kPa。Courtney 等利用41 mm 口径的激波管开展了鹿头骨的冲击实验,加载波峰值压力约600 kPa,正持续时间约为2 ms。在5 次实验中,颅骨峰值压力从入射压力的13.1% 逐渐增加到40.2%。另一项研究比较猪爆炸性颅脑损伤模型,在自由场和密闭环境下的ICP 响应,研究发现压力波通过颅骨的传播时间造成ICP 响应大约滞后0.5 ms。Moss 等研究发现,冲击波的作用面积越大,透射率越高,而且透射压力波的附加特征表明,整体运动也会增加透射压力。

目前直接颅脑传导致伤的理论分析和实验结果存在差异,造成这种差异的一种可能的原因是ICP测量颅腔改变的同时,会牺牲颅脑生理完整性,即开颅和植入ICP 压力传感器后,缺少密封处理,导致大脑的响应发生改变。

3.3 爆炸波颅骨变形致伤

空气和颅骨之间的高阻抗不匹配会导致几乎所有的冲击波都从头部反射出去,反射波会在头部产生很大压力,这将导致头部相应的移动或变形,应力波比在空气中更快地穿过颅骨,在整个颅骨上形成一个复杂的应变剖面。Moss 等通过数值模型观察到颅骨向内动态弯曲,并在颅骨表面产生了向外传播的涟漪效应。Bolander 等研究麻醉大鼠在爆炸过程中的颅骨变形,研究发现颅骨应变数据和ICP 的变化具有一致振荡的特点,随着爆炸压力的增加,振荡幅度也在增加。相对于入射冲击波,ICP 响应的上升时间也有延迟,研究人员认为颅骨的阻抗失配阻止了直接传输,从而导致ICP 反应。

3.4 爆炸波胸腔传播致伤

原发性爆炸颅脑损伤的胸腔理论,认为爆炸波与胸部的相互作用而引起颅脑损伤,该理论主要基于两种不同假设。第一种假设是Bhattacharjee提出主动脉冲压致伤理论,该理论认为空气冲击波通过压缩主动脉血液,使其形成高压扰动并经毛细血管对脑组织形成冲击造成脑损伤。正常情况下,具有固定容量的颅室通过血液容量、脑脊液容量和脑灌注压的动态平衡来维持动态平衡。血液压力激增足以破坏大脑的血管屏障和毛细血管,从而进一步引发大脑继发性神经元损害。但也有观点认为冲击波通过血管传播的想法似乎不太可能,因为生物体自身的防护措施可以避免这种血流变化。脑血管特别是威利斯环,会通过降低高收缩压来防止对大脑微血管的损伤,但会导致威利斯环周围的分叉处损伤。

另一种假设是,爆炸波和弹道冲击人体产生的压力波类似,通过血管从胸腔传递到大脑。弹丸对人体高速撞击会产生压力波,压力波在胸腔内部结构发生折射和反射,会造成局部压力增加。Lai 等通过犬模型来评估军用步枪子弹对血管内皮细胞造成的伤害,利用电子显微镜在局部观察到主动脉、颈动脉和大脑中动脉的血管内膜撕裂,表明弹道压力波可通过血管传播到大脑,且强度足以引起大脑动脉内皮的损伤。在一份尸检中报告了33 名胸部被一颗子弹穿透致死的人的脑部毛细血管出血,在病例选择过程中排除了其他创伤因素,结果表明,穿透性子弹引起的冲击波压迫胸内大血管导致血压的突然变化,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脑中引起生理相关损伤,弹道压力波也能损伤脑组织,但导致脑损伤的具体机制仍不清晰。Assari 等进行的一项确定脑血压的研究发现,大鼠胸部受到爆炸波作用后,颈内动脉出现明显的峰值超压,然而,在仅头部暴露于冲击波作用的情况下,也发现颈内动脉内压过大,这表明可能冲击波隔离不当或还有其他损伤机制。爆炸波作用胸部后,血液可能大量涌入大脑的假设较多,但几乎没有直接的实验证据。因此,未来的研究应该设法测量爆炸波作用生物体之后容积激增、胸压变化和ICP 变化。爆炸波胸腔理论的研究产生了相互矛盾的结论,可能因实验装置的多样性造成。因此后续研究在进行实验设计时,应尽量将爆炸波作用的胸部和头部隔离分别研究。

3.5 空化致伤

空化是指某些外界刺激对介质的扰动,在材料(主要是液体)中形成气穴(气泡)的过程,众所周知,宏观尺寸气泡的内爆会对临近表面造成损伤。Alley 等对采用填充明胶的球形颅骨为大脑替代物理模型进行研究,观察到了与气穴产生相关的应变增加,这在一定程度上验证了空化机制。Panzer 等进行了有无脑脊液空化的有限元头部模型对比模拟,研究脑脊液空化对大脑的影响,结果表明脑脊液气穴在湮灭时会引起临近的脑组织(包括脑室周围组织) 中产生多个局部高压区域。Salzar 等和Goeller 等研究发现颅骨变形是导致空穴发生的重要因素。Salzar 等的激波管实验结果表明空化现象发生在大约超压值为140 kPa 的头部正面爆炸冲击,指出颅骨屈曲可能是导致空化一种机制,其原因是冲击波在颅骨前部形成负压区。Goeller 等将两种不同的头部简化模型置于18 in的激波管中,一种是装满脱气水的透明聚碳酸酯椭球体,另一种是脱气水包围的Sylgard 凝胶分别代表了脑组织和脑脊液,10 000 帧/s 高速摄影结果验证了两个椭球模型在对流层上都存在空穴,并且空穴在时间上与负压周期一致,由周围压力和颅骨的弹性回弹引起的空穴湮灭,从而导致模拟脑脊液中出现明显的压力峰值。

与爆炸波作用下脑脊液产生空穴现象的理论相反,Adhikari 等认为脑脊液中存在纳米级气泡,爆炸波通过颅骨的传播会导致这些现有气泡的振荡和崩塌。

虽然研究表明空穴的形成和湮灭对脑组织有损伤作用,但在活体爆炸波实验中尚未发现这种现象,只有物理替代模型和计算模型支持这一理论。解决这一问题的挑战在于爆炸波作用过程中活体生物的脑脊液实时成像。理论上可以通过使用热带爪蟾或者其他具有一定时期头骨透明状态的动物来实现,但这类动物与啮齿动物、灵长类动物差异过大。因此可考虑观察皮质结构和功能组织的非侵入性光学方法。Wang 等开发的颅骨光学清洗液可在小鼠创造一个头骨窗口,有利于大脑皮层的活体成像。Sweeney 等的一项荧光宏观成像技术可以用于啮齿动物的活体成像。这些都是潜在可用于活体动物脑脊液空化现象研究的途径。

3.6 头部加速致伤

有学者提出bTBI 的损伤机制是由爆炸波对头部的加速度作用造成的,由于惯性效应,脑组织的运动滞后于颅骨,导致脑组织产生挫伤和弥漫性轴索损伤等。Gullotti 等的大鼠激波管实验中,高速视频成像显示,当大鼠的身体纵向垂直于激波管轴时,会发生显著的头部加速并会对其颅脑产生损伤。Goldstein 等开展的类似实验表明,爆炸波作用下大鼠头部在水平面内快速振荡,加速度平均峰值为954 krad/s±215 krad/s,并且在大鼠头部有无受到固定的对照实验中,头部受到约束的大鼠ICP 要比没有受到约束的大鼠低,并且表现出更小的认知障碍。总之,这些研究均证明爆炸波会对头部产生冲击加速度从而造成脑损伤,但在爆炸实验中,很难将加速机制与直接颅骨传导机制隔离开来研究。

4 爆炸波致颅脑损伤的阈值

损伤生物力学研究的主要目标之一是以概率方式制定损伤标准预测损伤,以用于开发防护设备、提供风险指导,并就可能受到爆炸损伤的人群制定防治措施,其中ICP 判据、剪切应力判据和最大主应变判据是评价爆炸波致脑损伤最重要的3 个指标。

Ward 等提出可用于评估脑损伤严重程度和脑挫伤发生情况的ICP 损伤指数,根据这一标准,ICP 峰值超过235 kPa 时为重型颅脑损伤,ICP 低于173 kPa 时为轻度脑损伤或无脑损伤。Chafi 等模拟不同当量的TNT(0.038 kg、0.093 kg 和0.227 kg),将经过验证的头部模型置于距离爆炸中心近80 cm处,监测大脑内冲击侧、对冲侧、小脑、胼胝体和脑干5 个区域的ICP 变化。结果显示在0.227 kg 和0.093 kg 的TNT 作用下,冲击侧和对冲侧的平均峰值正压超过235 kPa 的阈值。Cheng 等通过TNT爆炸实验,发现当爆炸波峰值超压100 kPa、持续时间为3 ms 时,实验对象小鼠未发现损伤;当超压上升到200 kPa 以上,小鼠出现脑挫裂伤。Kuehn 等通过激波管实验还发现冲击波超压在414～655 kPa,持续时间为0.5 ms,小鼠出现了蛛网膜下腔出血。以上结果表明,Ward 等所建立的超压峰值ICP损伤指数与大部分实验结果吻合,从一定程度上说明了超压峰值颅脑损伤阈值的可信度。

Anderson 等以绵羊为实验对象,研究发现有限元模型预测的剪应力位置与损伤部位有一定程度的相关性,提出8～16 kPa 的剪应力可能会导致轴突损伤。Claessens 等通过一系列有限元摩托车事故模拟,观察到剪应力集中的预测区域与脑损伤位置相关。研究发现11.0～16.5 kPa 的剪应力大小可作为脑损伤阈值。Chafi 等取上述阈值的上限16.5 kPa 与研究的模拟值进行比较。根据这一标准,在0.227 kg 炸药的情况下,5 个区域的平均最大剪应力都超过16.5 kPa,人脑可能会遭受轴突损伤;而对于0.093 kg 炸药,冲击侧、对冲侧和脑干均有受伤情况。

神经元的拉伸一直被认为是脑损伤的主要机制。Bain 等研究认为预测头部损伤的一个更相关的参数是应变。Morrison 等研究表明,最大主应变可以预测中枢神经系统损伤,如弥漫性轴索损伤、细胞死亡和神经元功能障碍(当该参数大于0.2时)。表2 总结了以应变作为损伤标准的脑损伤阈值。

表2 基于应变的创伤性脑损伤损伤阈值Tab.2 Strain-based traumatic brain injury threshold

5 爆炸波致颅脑损伤的防护方法

目前的战斗头盔主要为防枪弹和钝器冲击而设计,随着爆炸波防护需求的日益增加,头盔的爆炸波防护问题亟待解决。理想的防护头盔应该保护士兵免受所有的军事威胁而不影响士兵表现,但现实中增加的保护往往伴随着士兵表现的下降。近5 年来国内外研究者做了很多工作,通过改进头盔和衬垫的材料防爆性能,对防爆材料进行有效的组合,增加头盔的覆盖面积和密闭性,以及对综合式头部防护系统模块的组合使用,可有效降低爆炸波引起的超压峰值。

Moss 等采用数值模拟方法研究了先进作战头盔(ACH)的填充物影响冲击波对脑部的载荷,发现对于无填充物的头盔,头盔与头部之间1.3 cm 的间隙会产生过冲效应,即冲击波在头盔和头部之间流动,对颅骨造成的压力比未加保护的头部更大。对于有填充物的头盔,头盔与头部耦合减轻了过冲的影响,降低了部分爆炸引起的压力和大脑中的压力梯度,但头盔没有覆盖头的后部和两侧,不足以防止颅骨变形。Ganpule 等验证了头部和头盔之间放置紧密泡沫垫可以消除过冲效应,超压和冲量的最大降幅分别为86.08%和20.15%。Chang 等在此基础上对冲击载荷下头盔衬垫材料配置对其颅脑损伤的情况也开展了相关研究。Tan 等通过优化头盔垫的尺寸和位置,来最大限度地减少爆炸波的侧向冲击效应,并减轻爆炸波重复冲击的累积效应。

但在实际情况中,头盔内泡沫垫很难与头部紧密贴合,而根据间隙大小调整尺寸的泡沫衬垫加充气缓冲系统,是一种可以考虑的解决方案。Sutar 等进一步研究发现,保持头盔衬垫总厚度不变的情况下,在中等刚度泡沫垫中添加气垫,相比只有中等刚度衬垫能更好地衰减爆炸波压力。研究表明充气缓冲系统可以作为防止冲击波进入头部与衬垫之间缝隙的解决方案。

Tse 等对带有聚碳酸酯-气凝胶复合材料面罩的ACH 头盔在不同爆炸载荷下的防护性能进行了数值分析。研究发现聚碳酸酯-气凝胶复合材料面罩比经典的聚碳酸酯面罩具有更好的保护能力。康越等利用激波管对单兵头面部装备进行了正向和侧向爆炸波防护性能测试,结果显示不同结构、不同防护等级的头盔-头模系统超压峰值具有明显差异,防护装备结构密闭性对其抗爆炸波性能具有重要影响。

Rodriguez-Millan 等研究了头盔面部装置和下颌保护装置对TBI 的缓解作用,设置了模块化系统,包括ACH、概念面罩、下颌骨护具和头部模型(见图8),使用非线性仿真软件Abaqus/Explicit 模块对爆炸波与头部和保护装置(头部+头盔+面罩、头部+头盔+下颌护具和头部+头盔+下颌护具+面罩)的不同配置进行模拟,分别从ICP、主应变、颅骨剪切应变和应力对保护装置的性能进行分析。结果显示下颌护具比面罩能更好地降低ICP,主应变显著低于Morrison 等提出的损伤阈值。

图8 全盔系统数值模拟模型[100]Fig.8 Full helmet systems numerical model[100]

美军在2020 年开始投入使用的综合式头部防护系统(IHPS)头盔如图9 所示,防弹面罩可承受6.7 m 外的14 kg C4 爆炸。该头盔可以根据危险等级不同来选择不同的附件,在低危险时可以保持轻量化,也可以在高危险时提供全面防护。

图9 IHPS 头盔[106]Fig.9 Integrated head protection system[106]

6 目前存在的主要问题

综上所述,虽然爆炸波致脑损伤及防护方面已取得了一定进展,但还存在一些关键性问题有待解决,主要问题如下。

1)本文中所列举的各种损伤机制并不互相排斥,爆炸波致颅脑损伤的相关病理特征往往是几种机制共同作用的结果。耳道和眼眶传导入脑内致伤尚缺乏直接的证据,空化致伤有待在生物体内得到证明,头部加速致伤需要与直接颅骨传导致伤分开研究。因此,导致颅脑冲击伤的机制尚待进一步研究。

2)轻度颅脑冲击伤的损伤评价指标与诊断存在较大空缺。已发现的一些指标局限于动物实验,还未真正应用于临床,或局限于个案或少量病例的单独研究。因此,在bTBI 的诊断和预防方面仍有很多问题未达成共识,并没有形成一套完整的诊断标准。

3)颅脑冲击伤的治疗技术急需进一步发展。目前颅脑冲击伤的治疗以重症为主,缺乏对轻度颅脑冲击伤的早期综合性治疗模式,容易造成病情迁延,在疾病后期引起非战斗性减员,增加国家的军事开支和经济负担。

4)颅脑防护技术研究仍存在不足。通过增加防爆头盔覆盖面积、改进外表面气动设计、合理的缝隙密封和有效缓冲材料的改进,是目前应对爆炸波致颅脑损伤的常用途径,但针对爆炸波致颅脑损伤防护技术的基础,是需要对爆炸载荷的重建、潜在损伤机制、可靠的生物力学模型和损伤阈值进行深入研究,才能指导防爆头盔的设计和其他防护技术。

7 总结

本文对致颅脑损伤爆炸波的产生和造成的颅脑损伤类型、研究方法、损伤机制、损伤阈值、国内外研究的防护方法进行了总结分析,虽然研究人员已经进行了大量研究,但针对爆炸波致颅脑损伤与安全防护研究仍有待进一步深入。后续研究主要可以从以下5 个方面展开:

1)颅脑冲击伤的流行病学调查研究。研究部队军人的流行病学特点,评估颅脑冲击伤的患病率及其相关因素,再分组筛选出颅脑冲击伤最佳的诊断指标和诊断阈值。建立一套完整、简便而高效的筛选诊断流程。

2)爆炸波作用下颅脑创伤模拟实验研究。研究建立技术先进的生物材料动态本构实验室平台、动物模型用激波管、爆炸箱及野外爆炸实验平台,为后续课题动物实验、物理模型实验、仿真模拟提供所需的材料本构关系、数值模拟结果验证与损伤机理及损伤耐受阈值研究所需的实验数据,并提供动物模型、防护装具研发和检验的实验平台以及最佳干预时限。

3)建立损伤与力学参数之间的联系。开发精细解剖结构的颅脑数值模型与物理模型,模拟颅脑在爆炸载荷条件下的力学响应,根据现有的脑损伤标准量化评估颅脑损伤;揭示颅脑在冲击波作用下的致伤机理与损伤耐受阈值。

4)颅脑冲击伤的神经病理机制研究。探索颅脑冲击伤的病理生理变化及其发病机制,研究颅脑创伤后中枢及外周血中颅脑冲击伤的特异性生物学标记物。

5)防爆头盔防护材料对冲击波的衰减作用及防护机制。研究冲击波与材料作用时发生的反射、透射特征及固体相形变的力学过程。探索其在宏观、细观、微观尺度下的冲击波反射、透射及衰减的力学机理。获得爆炸波在其材料内部与颅脑内的传导特征,揭示其对爆炸波衰减特性获得其防护机制。