爆炸波致顱腦損傷力學(xué)機(jī)制與防護(hù)綜述

蔡志華 ,賀葳 ,汪劍輝 ,王幸 ,張磊

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

0 引言

新戰(zhàn)爭模式下,戰(zhàn)爭和恐怖主義活動(dòng)形式復(fù)雜多變,使用簡易爆炸裝置是現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭和反恐作戰(zhàn)中的主要作戰(zhàn)手段。爆炸波對有生目標(biāo)的傷害極大且防護(hù)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(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(chuàng)傷性腦損傷(TBI),其中輕度創(chuàng)傷性腦損傷占82.4%。Connelly 等對6 590 名入院治療的美軍士兵進(jìn)行了完整的TBI 篩查,其中5 665 名士兵因作戰(zhàn)受傷入院,因爆炸沖擊致傷的占61.9%。另外對美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)?wèi)?zhàn)斗創(chuàng)傷登記處的數(shù)據(jù)分析,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)52%的顱腦損傷患者均是因爆炸沖擊導(dǎo)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?dú)蛩?對單兵的作戰(zhàn)、生存能力造成極大威脅。

圖1 美軍創(chuàng)傷性顱腦損傷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[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(nèi)外研究人員初步提出了顱腦沖擊傷的機(jī)制,開展了大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、少量尸體實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬來揭示損傷機(jī)理和組織耐受閾值。目前相關(guān)研究對顱腦沖擊傷的損傷規(guī)律和量效關(guān)系認(rèn)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(hù)性能的評價(jià)體系等,嚴(yán)重制約了現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下戰(zhàn)斗力的提升。基于此,本文主要對目前國內(nèi)外針對爆炸波作用下顱腦損傷與安全防護(hù)的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié),以期為從事相關(guān)研究的科研人員提供參考。

1 爆炸波的產(chǎn)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(yīng)主要取決于5 個(gè)因素:1)超壓峰值;2)超壓持續(xù)時(shí)間;3)爆炸介質(zhì);4)爆心距;5)爆炸波流場環(huán)境。其中第5 個(gè)因素是最近頗受研究人員關(guān)注的問題,最初研究發(fā)現(xiàn)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(huán)境(如建筑物內(nèi)部、城市環(huán)境或車輛)中,爆炸波與周圍結(jié)構(gòu)相互作用并產(chǎn)生多個(gè)反射波,反射波與入射波相互疊加產(chǎn)生復(fù)雜波,與單一的爆炸波相比,復(fù)雜波會(huì)對生物體造成更大的損傷。

爆炸裝置爆炸時(shí)瞬間產(chǎn)生大量的高壓氣體,同時(shí)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(zhì),形成向外傳播的沖擊波。沖擊波到達(dá)測量位置時(shí),該點(diǎn)的空氣壓力因突然受到壓縮而瞬間到達(dá)最大值,沖擊波前沿通過該點(diǎn)后,空氣壓力和流速均逐漸降低,當(dāng)壓縮區(qū)尾部經(jīng)過該點(diǎn)時(shí)空氣壓力已降至正常大氣壓,緊接著稀疏區(qū)通過該點(diǎn)空氣壓力此時(shí)恢復(fù)至正常大氣壓力之下形成負(fù)壓,當(dāng)稀疏區(qū)通過該點(diǎn)后該點(diǎn)的空氣壓力恢復(fù)正常。典型的點(diǎn)源爆炸空氣沖擊波曲線如圖2所示,目前對沖擊波壓力時(shí)程曲線的研究仍主要集中于通過試驗(yàn)手段獲取真實(shí)的壓力波形,并在此基礎(chǔ)上給出壓力波形擬合曲線。圖2 中,()為時(shí)刻的超壓值,為正常大氣壓,為超壓峰值,為沖擊波正壓持續(xù)時(shí)間,為沖擊波負(fù)壓持續(xù)時(shí)間,為負(fù)壓。Baker給出常用的空氣沖擊波超壓曲線經(jīng)驗(yàn)公式,認(rèn)為Friedlander 方程從工程適用角度是最合適的,因?yàn)槠淠茌^準(zhǔn)確預(yù)測波形曲線,同時(shí)所需要經(jīng)驗(yàn)參數(shù)少,便于通過試驗(yàn)結(jié)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(shù),取值如圖3所示。

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

1.2 爆炸顱腦損傷類型

根據(jù)主要?dú)牟煌?爆炸顱腦損傷通?？煞譃? 類:1)原發(fā)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(fā)性爆炸腦損傷,主要由爆炸產(chǎn)生的高速破片引起;3)由于動(dòng)壓對大腦的加速作用造成的腦損傷;4)接觸爆炸副產(chǎn)物而造成的傷害,包括吸入有害氣體,燒傷和失明等;5) 化學(xué)燒傷、輻射和病毒或細(xì)菌感染。

目前,創(chuàng)傷性顱腦傷按照臨床嚴(yán)重程度可分為輕度、中度、重度。格拉斯哥昏迷量表評分將創(chuàng)傷嚴(yán)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(tài)(＜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(nèi)意識喪失和24 h 內(nèi)創(chuàng)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(chuàng)后失憶;嚴(yán)重bTBI是意識喪失大于24 h 和創(chuàng)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(nèi)出血、血管痙攣等。顱內(nèi)出血是動(dòng)物爆炸實(shí)驗(yàn)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(jìn)行空氣介導(dǎo)爆炸后,觀察到硬膜下出血和彌漫性蛛網(wǎng)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(huì)導(dǎo)致顱骨碰撞大腦或大腦碰撞顱骨,這樣的相對運(yùn)動(dòng)可使橋接的靜脈撕裂,進(jìn)而導(dǎo)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(fā)生腦內(nèi)血腫。創(chuàng)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(chuàng)傷性腦血管痙攣和假性動(dòng)脈瘤的發(fā)生率分別為47%和35%;血管痙攣的發(fā)作時(shí)間平均會(huì)持續(xù)14 d,最長持續(xù)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(fù)雜性,研究方法主要為實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,而理論研究較少。不同研究方法的側(cè)重點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)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(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)爆炸波產(chǎn)生方式的不同可分為自由場爆炸實(shí)驗(yàn)和激波管實(shí)驗(yàn);又可根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣本的差別分為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、尸體實(shí)驗(yàn)和物理替代模型實(shí)驗(yàn)。其中自由場爆炸實(shí)驗(yàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是能較好地模擬真實(shí)的爆炸條件與環(huán)境,因此成為生物殺傷實(shí)驗(yàn)加載方式的首選。

Wang 等使用大當(dāng)量球型爆炸物與山羊來制作顱腦爆炸傷動(dòng)物模型,結(jié)果顯示爆炸波的超壓峰值隨爆心距增加呈指數(shù)級下降,對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)樣本組織損傷也呈指數(shù)級下降。Feng 等也開展了類似實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(jì)記錄到頭部線性加速度為120～412,這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于數(shù)值模擬的驗(yàn)證。受實(shí)驗(yàn)成本、設(shè)備條件所限,也有研究人員采用體型較小的生物進(jìn)行爆炸毀傷實(shí)驗(yàn)。Bass 等和Rafaels 等使用雄性新西蘭白兔和雪貂建立了原發(fā)性爆炸腦死亡和傷害實(shí)驗(yàn)的傷害風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)模型,為中度/輕度TBI 的原發(fā)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(shí)驗(yàn)中沖擊波峰值壓力、上升時(shí)間、正壓持續(xù)時(shí)間、沖量和爆炸波速度,發(fā)現(xiàn)沖量是與bTBI 嚴(yán)重程度最相關(guān)的物理量。

自由場爆炸實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)是成本高、耗時(shí)長、危險(xiǎn)性高、不環(huán)保,受實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場條件限制明顯,且爆炸所產(chǎn)生的火球、電磁干擾、爆炸噪聲、高速破片會(huì)使實(shí)驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜化,使得爆炸波對生物力學(xué)響應(yīng)的結(jié)果無法精確評價(jià)。利用壓縮氣體作為驅(qū)動(dòng)源的激波管產(chǎn)生的空氣沖擊波與化學(xué)爆炸的爆炸波相似,且可以消除上述不利影響,同時(shí)還具有更高的可控性和可重復(fù)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(chǎn)生的空氣沖擊波研究了大鼠的TBI,凱夫拉防護(hù)背心削弱了147 kPa沖擊波對動(dòng)脈血壓的降幅和心動(dòng)過緩反應(yīng),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(shí),實(shí)驗(yàn)對象除顱腦外其他部位也會(huì)產(chǎn)生沖擊傷,會(huì)對顱腦損傷效果分析產(chǎn)生影響,因此如何避免實(shí)驗(yàn)對象其他部位遭受沖擊傷也是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)關(guān)注的熱點(diǎn)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(chǎn)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(shè)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(shí)驗(yàn)控制。第四軍醫(yī)大學(xué)針對大鼠實(shí)驗(yàn)使用一種微型球形爆炸源及特制爆炸架臺(tái)(見圖4),采用標(biāo)準(zhǔn)化批量制作微型點(diǎn)爆炸源,具有裝藥量一致、爆炸參數(shù)明確、爆炸能量穩(wěn)定可控、產(chǎn)生爆炸壓力高度均一的特點(diǎn),可以使用不同裝藥量的炸藥球以控制爆炸能量、調(diào)節(jié)動(dòng)物與致傷物的距離來調(diào)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(tái)[34]Fig.4 Miniature spherical explosion source and special explosion stand[34]

動(dòng)物大腦模型的形狀、大小、頭皮和頭骨的形態(tài)與人類相比存在較大差異,這些結(jié)果不能直接轉(zhuǎn)化到人體上,而使用替代頭部模型也不能夠完全再現(xiàn)人類對爆炸波引起的生物力學(xué)反應(yīng)。因此,直接利用死亡后人體標(biāo)本(PMHS)進(jìn)行研究具有無可比擬的優(yōu)勢。Ganpule 等使用3 個(gè)PMHS 的頭部,取出大腦,用20%的彈道凝膠回填顱內(nèi)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(nèi)的“類尸體”模型實(shí)驗(yàn),通過在每個(gè)PMHS 樣品中選取11 個(gè)不同位置測量ICP、表面壓力和表面應(yīng)變,結(jié)合損傷標(biāo)準(zhǔn)分析獲得在70 kPa的爆炸超壓內(nèi)不發(fā)生傷害,140 kPa 的爆炸超壓發(fā)生中重度傷害,200 kPa 的爆炸超壓發(fā)生嚴(yán)重頭部傷害。Salzar 等將3 個(gè)PMHS 的顱骨內(nèi)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(gè)壓力傳感器,并放置在相同的激波管中。傳感器數(shù)據(jù)表明,在低于50%爆震肺損傷風(fēng)險(xiǎn)的壓力水平時(shí),可能發(fā)生空穴現(xiàn)象。同時(shí)發(fā)現(xiàn)顱骨屈曲可能是導(dǎo)致空化發(fā)生的機(jī)制之一。

尸體實(shí)驗(yàn)固然能最大程度解決人員顱腦沖擊傷真實(shí)情況,但也存在倫理、社會(huì)輿論及實(shí)驗(yàn)樣本少、實(shí)驗(yàn)成本高等缺點(diǎn),如何深度挖掘尸體實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將其與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、物理替代模型實(shí)驗(yàn)相融合,是急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

由于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)重復(fù)性差、測量數(shù)據(jù)困難、實(shí)驗(yàn)成本高,建立物理替代模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究也是一種常見的技術(shù)途徑。Zhu 等將一個(gè)充滿凝膠的蛋形殼體作為頭部替代模型置于激波管中,結(jié)果顯示增加殼體的體積模量從0.5 GPa 變?yōu)? GPa,超壓值增加7.2%;殼體表面曲率對正負(fù)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(fù)壓值。Hua 等開展了充滿水的聚碳酸酯球形殼重復(fù)激波管測試,數(shù)據(jù)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(nèi)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(gè)類似豬腦的翼型物理替代模型,爆炸波作用后模型表面產(chǎn)生壓縮和突出變形,振動(dòng)頻率為113.9 Hz ±2.7 Hz,且不隨模型幾何形狀發(fā)生改變。因具有與軟組織相當(dāng)?shù)囊恢滦?、耐久性和密度等?yōu)點(diǎn),聚二甲基硅氧烷作為軟組織替代物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(chǎn)生的爆炸波實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了合理驗(yàn)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(xiàn)了一些基于計(jì)算機(jī)斷層掃描/核磁共振成像(CT/MRI)數(shù)據(jù)建立的人體顱腦數(shù)值模型,包括頭皮、皮膚、骨骼、腦脊液、顯示灰質(zhì)和白質(zhì)的大腦以及鼻腔。

Ganpule 等利用激波管對替代頭部模型進(jìn)行了可控爆炸波實(shí)驗(yàn),并使用經(jīng)過驗(yàn)證的頭部數(shù)值模型對結(jié)果進(jìn)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(jī)制。Awad 等建立了一個(gè)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(shí)際剛度,并利用預(yù)先設(shè)計(jì)的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)激波管對其進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)分析,通過4 個(gè)微型壓力傳感器監(jiān)測腦內(nèi)不同位置ICP 的變化,安裝在PHNM 內(nèi)部和外部的兩個(gè)加速度計(jì)記錄加速度,結(jié)果顯示ICP 的突然波動(dòng)可能是爆炸波致顱腦損傷的主要損傷機(jī)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(huán)三甲烯三硝胺5 級炸藥的爆炸場中,并使用Settles開發(fā)的高速陰影圖成像技術(shù),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(qiáng)、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性高、實(shí)驗(yàn)成本低等優(yōu)點(diǎn),已成為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和尸體實(shí)驗(yàn)重要的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn),圖5 為本團(tuán)隊(duì)所使用的假人顱腦物理模型。但替代材料的本構(gòu)模型與真實(shí)組織材料的相符程度會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,因此物理替代模型實(shí)驗(yàn)多用于機(jī)理性研究而無法取代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和尸體實(shí)驗(yàn)。

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

2.2 數(shù)值模擬研究

隨著數(shù)值方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究復(fù)雜問題不可或缺的方法之一。數(shù)值模擬方法具有成本低、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),便于研究某種控制因素對系統(tǒng)的影響,特別適用于無法建立解析模型的復(fù)雜問題。在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)框架中,常用的數(shù)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(dòng)力學(xué)方法為代表的無網(wǎng)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(jīng)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(tuán)隊(duì)為獲得頭部在爆炸波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律,建立的已通過國外尸體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)空氣域的流場壓力變化歷程。由圖7 可見:=0.70 ms 時(shí),沖擊波即將與頭部發(fā)生接觸;=1.20 ms 時(shí),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(shí),顱腦周圍壓力基本已完全恢復(fù)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(shù)值模擬,其他學(xué)者也開展了相關(guān)工作。栗志杰等建立充分反映顱腦生理結(jié)構(gòu)的三維頭部數(shù)值模型,并利用頭部碰撞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對頭部模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示,前額處顱骨(正面沖擊)的局部彎曲變形,會(huì)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(jié)果表明相同爆炸載荷作用下,ICP 和應(yīng)變結(jié)果接近,但剪切應(yīng)力有顯著差異。Towsend 等利用大鼠頭部有限元模型,對顱腦響應(yīng)參數(shù)(ICP 和應(yīng)變)和腦組織材料的相關(guān)性進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)腦組織材料的體積模量和剪切模量對ICP 和應(yīng)變有顯著影響,且當(dāng)體積模量為80 MPa時(shí),ICP 和應(yīng)變的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)響應(yīng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)在具有腦血管的頭部模型中,大腦、小腦和腦干平均應(yīng)變分別降低17%、33%和18%。

目前數(shù)值模擬方法遇到的最大困難是顱腦組織的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型和破壞準(zhǔn)則,它們是直接影響數(shù)值仿真結(jié)果可靠性的重要因素,也是目前研究熱點(diǎn)之一。

3 爆炸波致顱腦損傷的作用機(jī)理

3.1 耳道和眼眶傳導(dǎo)爆炸波致傷

耳部爆炸傷的特征包括鼓膜穿孔、聽骨損傷、內(nèi)外毛細(xì)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(dǎo)致的病理損傷,但目前幾乎沒有證據(jù)表明它是改變ICP 的一種機(jī)制。一項(xiàng)關(guān)于輕度外傷性耳道腦損傷的有限元研究表明:當(dāng)耳朵直接面對沖擊波時(shí),耳道內(nèi)的超壓被顯著放大;當(dāng)耳朵背向沖擊波時(shí),耳道內(nèi)的超壓小于實(shí)際的入射沖擊波壓力,但對ICP 影響較小。

活體研究發(fā)現(xiàn),爆炸會(huì)造成的不同程度的眼部損傷。嚙齒動(dòng)物經(jīng)爆炸波作用后,視網(wǎng)膜和大腦視覺中心會(huì)出現(xiàn)神經(jīng)退化。Leonardi 等對爆炸波通過大鼠眼眶傳播的研究發(fā)現(xiàn),無論是否存在眼部防護(hù)措施,ICP 都會(huì)發(fā)生變化,表明可能存在另一種機(jī)制將爆炸波能量傳遞到大腦,或者眼部防護(hù)不足以降低壓力。目前常用的護(hù)目鏡能減少正面爆炸時(shí)的角膜壓力峰值,但在其他角度無法提供足夠的保護(hù),甚至增強(qiáng)了對角膜的壓力。Williams 等利用激波管和物理替代模型,研究護(hù)目鏡對角膜壓力的影響,研究發(fā)現(xiàn)目前的眼部防護(hù)措施在保護(hù)繼發(fā)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(fā)性爆炸腦損傷的保護(hù)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(jù)證實(shí)爆炸波從感覺器官傳遞到大腦的假設(shè)。

3.2 直接顱腦傳導(dǎo)爆炸波致傷

直接顱腦傳導(dǎo)理論認(rèn)為爆炸波可通過顱骨直接進(jìn)入大腦而對顱內(nèi)組織產(chǎn)生損傷。當(dāng)空氣中爆炸波傳播到空氣和皮膚或顱骨之間的邊界時(shí),由于聲阻抗的差異,即邊界兩側(cè)材料“軟/硬”不同,會(huì)發(fā)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(nèi)組織中形成透射波,二者的強(qiáng)度和能量分配受邊界兩側(cè)材料的聲阻抗控制。同時(shí)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(dòng)幅值強(qiáng)于入射擾動(dòng),即透射增強(qiáng);若沖擊波從“硬”傳到“軟”,則會(huì)出現(xiàn)反射卸載、透射減弱。關(guān)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(nèi)組織的沖擊波強(qiáng)度,但由于顱骨結(jié)構(gòu)和生物組織動(dòng)態(tài)本構(gòu)的復(fù)雜性,精確獲取顱內(nèi)沖擊波幅值、脈寬等參數(shù)尚有較大困難,目前研究多以直接測量顱內(nèi)不同位置沖擊波參數(shù)為主。Ganpule 等將3 個(gè)PMHS 頭置于激波管中,入射壓力持續(xù)時(shí)間約5 ms,幅值分別為70 kPa、140 kPa 和200 kPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn),加載波峰值壓力約600 kPa,正持續(xù)時(shí)間約為2 ms。在5 次實(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究比較豬爆炸性顱腦損傷模型,在自由場和密閉環(huán)境下的ICP 響應(yīng),研究發(fā)現(xiàn)壓力波通過顱骨的傳播時(shí)間造成ICP 響應(yīng)大約滯后0.5 ms。Moss 等研究發(fā)現(xiàn),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(yùn)動(dòng)也會(huì)增加透射壓力。

目前直接顱腦傳導(dǎo)致傷的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí),會(huì)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(dǎo)致大腦的響應(yīng)發(fā)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(huì)導(dǎo)致幾乎所有的沖擊波都從頭部反射出去,反射波會(huì)在頭部產(chǎn)生很大壓力,這將導(dǎo)致頭部相應(yīng)的移動(dòng)或變形,應(yīng)力波比在空氣中更快地穿過顱骨,在整個(gè)顱骨上形成一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)變剖面。Moss 等通過數(shù)值模型觀察到顱骨向內(nèi)動(dòng)態(tài)彎曲,并在顱骨表面產(chǎn)生了向外傳播的漣漪效應(yīng)。Bolander 等研究麻醉大鼠在爆炸過程中的顱骨變形,研究發(fā)現(xiàn)顱骨應(yīng)變數(shù)據(jù)和ICP 的變化具有一致振蕩的特點(diǎn),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(yīng)的上升時(shí)間也有延遲,研究人員認(rèn)為顱骨的阻抗失配阻止了直接傳輸,從而導(dǎo)致ICP 反應(yīng)。

3.4 爆炸波胸腔傳播致傷

原發(fā)性爆炸顱腦損傷的胸腔理論,認(rèn)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(shè)。第一種假設(shè)是Bhattacharjee提出主動(dòng)脈沖壓致傷理論,該理論認(rèn)為空氣沖擊波通過壓縮主動(dòng)脈血液,使其形成高壓擾動(dòng)并經(jīng)毛細(xì)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(dòng)態(tài)平衡來維持動(dòng)態(tài)平衡。血液壓力激增足以破壞大腦的血管屏障和毛細(xì)血管,從而進(jìn)一步引發(fā)大腦繼發(fā)性神經(jīng)元損害。但也有觀點(diǎn)認(rèn)為沖擊波通過血管傳播的想法似乎不太可能,因?yàn)樯矬w自身的防護(hù)措施可以避免這種血流變化。腦血管特別是威利斯環(huán),會(huì)通過降低高收縮壓來防止對大腦微血管的損傷,但會(huì)導(dǎo)致威利斯環(huán)周圍的分叉處損傷。

另一種假設(shè)是,爆炸波和彈道沖擊人體產(chǎn)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(huì)產(chǎn)生壓力波,壓力波在胸腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生折射和反射,會(huì)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(nèi)皮細(xì)胞造成的傷害,利用電子顯微鏡在局部觀察到主動(dòng)脈、頸動(dòng)脈和大腦中動(dòng)脈的血管內(nèi)膜撕裂,表明彈道壓力波可通過血管傳播到大腦,且強(qiáng)度足以引起大腦動(dòng)脈內(nèi)皮的損傷。在一份尸檢中報(bào)告了33 名胸部被一顆子彈穿透致死的人的腦部毛細(xì)血管出血,在病例選擇過程中排除了其他創(chuàng)傷因素,結(jié)果表明,穿透性子彈引起的沖擊波壓迫胸內(nèi)大血管導(dǎo)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(guān)損傷,彈道壓力波也能損傷腦組織,但導(dǎo)致腦損傷的具體機(jī)制仍不清晰。Assari 等進(jìn)行的一項(xiàng)確定腦血壓的研究發(fā)現(xiàn),大鼠胸部受到爆炸波作用后,頸內(nèi)動(dòng)脈出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)頸內(nèi)動(dòng)脈內(nèi)壓過大,這表明可能沖擊波隔離不當(dāng)或還有其他損傷機(jī)制。爆炸波作用胸部后,血液可能大量涌入大腦的假設(shè)較多,但幾乎沒有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。因此,未來的研究應(yīng)該設(shè)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(chǎn)生了相互矛盾的結(jié)論,可能因?qū)嶒?yàn)裝置的多樣性造成。因此后續(xù)研究在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)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(zhì)的擾動(dòng),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(nèi)爆會(huì)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(jìn)行研究,觀察到了與氣穴產(chǎn)生相關(guān)的應(yīng)變增加,這在一定程度上驗(yàn)證了空化機(jī)制。Panzer 等進(jìn)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(jié)果表明腦脊液氣穴在湮滅時(shí)會(huì)引起臨近的腦組織(包括腦室周圍組織) 中產(chǎn)生多個(gè)局部高壓區(qū)域。Salzar 等和Goeller 等研究發(fā)現(xiàn)顱骨變形是導(dǎo)致空穴發(fā)生的重要因素。Salzar 等的激波管實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明空化現(xiàn)象發(fā)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(dǎo)致空化一種機(jī)制,其原因是沖擊波在顱骨前部形成負(fù)壓區(qū)。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(jié)果驗(yàn)證了兩個(gè)橢球模型在對流層上都存在空穴,并且空穴在時(shí)間上與負(fù)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(dǎo)致模擬腦脊液中出現(xiàn)明顯的壓力峰值。

與爆炸波作用下腦脊液產(chǎn)生空穴現(xiàn)象的理論相反,Adhikari 等認(rèn)為腦脊液中存在納米級氣泡,爆炸波通過顱骨的傳播會(huì)導(dǎo)致這些現(xiàn)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(shí)驗(yàn)中尚未發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象,只有物理替代模型和計(jì)算模型支持這一理論。解決這一問題的挑戰(zhàn)在于爆炸波作用過程中活體生物的腦脊液實(shí)時(shí)成像。理論上可以通過使用熱帶爪蟾或者其他具有一定時(shí)期頭骨透明狀態(tài)的動(dòng)物來實(shí)現(xiàn),但這類動(dòng)物與嚙齒動(dòng)物、靈長類動(dòng)物差異過大。因此可考慮觀察皮質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能組織的非侵入性光學(xué)方法。Wang 等開發(fā)的顱骨光學(xué)清洗液可在小鼠創(chuàng)造一個(gè)頭骨窗口,有利于大腦皮層的活體成像。Sweeney 等的一項(xiàng)熒光宏觀成像技術(shù)可以用于嚙齒動(dòng)物的活體成像。這些都是潛在可用于活體動(dòng)物腦脊液空化現(xiàn)象研究的途徑。

3.6 頭部加速致傷

有學(xué)者提出bTBI 的損傷機(jī)制是由爆炸波對頭部的加速度作用造成的,由于慣性效應(yīng),腦組織的運(yùn)動(dòng)滯后于顱骨,導(dǎo)致腦組織產(chǎn)生挫傷和彌漫性軸索損傷等。Gullotti 等的大鼠激波管實(shí)驗(yàn)中,高速視頻成像顯示,當(dāng)大鼠的身體縱向垂直于激波管軸時(shí),會(huì)發(fā)生顯著的頭部加速并會(huì)對其顱腦產(chǎn)生損傷。Goldstein 等開展的類似實(shí)驗(yàn)表明,爆炸波作用下大鼠頭部在水平面內(nèi)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)出更小的認(rèn)知障礙。總之,這些研究均證明爆炸波會(huì)對頭部產(chǎn)生沖擊加速度從而造成腦損傷,但在爆炸實(shí)驗(yàn)中,很難將加速機(jī)制與直接顱骨傳導(dǎo)機(jī)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(xué)研究的主要目標(biāo)之一是以概率方式制定損傷標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測損傷,以用于開發(fā)防護(hù)設(shè)備、提供風(fēng)險(xiǎn)指導(dǎo),并就可能受到爆炸損傷的人群制定防治措施,其中ICP 判據(jù)、剪切應(yīng)力判據(jù)和最大主應(yīng)變判據(jù)是評價(jià)爆炸波致腦損傷最重要的3 個(gè)指標(biāo)。

Ward 等提出可用于評估腦損傷嚴(yán)重程度和腦挫傷發(fā)生情況的ICP 損傷指數(shù),根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn),ICP 峰值超過235 kPa 時(shí)為重型顱腦損傷,ICP 低于173 kPa 時(shí)為輕度腦損傷或無腦損傷。Chafi 等模擬不同當(dāng)量的TNT(0.038 kg、0.093 kg 和0.227 kg),將經(jīng)過驗(yàn)證的頭部模型置于距離爆炸中心近80 cm處,監(jiān)測大腦內(nèi)沖擊側(cè)、對沖側(cè)、小腦、胼胝體和腦干5 個(gè)區(qū)域的ICP 變化。結(jié)果顯示在0.227 kg 和0.093 kg 的TNT 作用下,沖擊側(cè)和對沖側(cè)的平均峰值正壓超過235 kPa 的閾值。Cheng 等通過TNT爆炸實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)爆炸波峰值超壓100 kPa、持續(xù)時(shí)間為3 ms 時(shí),實(shí)驗(yàn)對象小鼠未發(fā)現(xiàn)損傷;當(dāng)超壓上升到200 kPa 以上,小鼠出現(xiàn)腦挫裂傷。Kuehn 等通過激波管實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)沖擊波超壓在414～655 kPa,持續(xù)時(shí)間為0.5 ms,小鼠出現(xiàn)了蛛網(wǎng)膜下腔出血。以上結(jié)果表明,Ward 等所建立的超壓峰值ICP損傷指數(shù)與大部分實(shí)驗(yàn)結(jié)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?yàn)閷?shí)驗(yàn)對象,研究發(fā)現(xiàn)有限元模型預(yù)測的剪應(yīng)力位置與損傷部位有一定程度的相關(guān)性,提出8～16 kPa 的剪應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)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(yīng)力集中的預(yù)測區(qū)域與腦損傷位置相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)11.0～16.5 kPa 的剪應(yīng)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(jìn)行比較。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn),在0.227 kg 炸藥的情況下,5 個(gè)區(qū)域的平均最大剪應(yīng)力都超過16.5 kPa,人腦可能會(huì)遭受軸突損傷;而對于0.093 kg 炸藥,沖擊側(cè)、對沖側(cè)和腦干均有受傷情況。

神經(jīng)元的拉伸一直被認(rèn)為是腦損傷的主要機(jī)制。Bain 等研究認(rèn)為預(yù)測頭部損傷的一個(gè)更相關(guān)的參數(shù)是應(yīng)變。Morrison 等研究表明,最大主應(yīng)變可以預(yù)測中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷,如彌漫性軸索損傷、細(xì)胞死亡和神經(jīng)元功能障礙(當(dāng)該參數(shù)大于0.2時(shí))。表2 總結(jié)了以應(yīng)變作為損傷標(biāo)準(zhǔn)的腦損傷閾值。

表2 基于應(yīng)變的創(chuàng)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(hù)方法

目前的戰(zhàn)斗頭盔主要為防槍彈和鈍器沖擊而設(shè)計(jì),隨著爆炸波防護(hù)需求的日益增加,頭盔的爆炸波防護(hù)問題亟待解決。理想的防護(hù)頭盔應(yīng)該保護(hù)士兵免受所有的軍事威脅而不影響士兵表現(xiàn),但現(xiàn)實(shí)中增加的保護(hù)往往伴隨著士兵表現(xiàn)的下降。近5 年來國內(nèi)外研究者做了很多工作,通過改進(jìn)頭盔和襯墊的材料防爆性能,對防爆材料進(jìn)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(hù)系統(tǒng)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(shù)值模擬方法研究了先進(jìn)作戰(zhàn)頭盔(ACH)的填充物影響沖擊波對腦部的載荷,發(fā)現(xiàn)對于無填充物的頭盔,頭盔與頭部之間1.3 cm 的間隙會(huì)產(chǎn)生過沖效應(yīng),即沖擊波在頭盔和頭部之間流動(dòng),對顱骨造成的壓力比未加保護(hù)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(cè),不足以防止顱骨變形。Ganpule 等驗(yàn)證了頭部和頭盔之間放置緊密泡沫墊可以消除過沖效應(yīng),超壓和沖量的最大降幅分別為86.08%和20.15%。Chang 等在此基礎(chǔ)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(guān)研究。Tan 等通過優(yōu)化頭盔墊的尺寸和位置,來最大限度地減少爆炸波的側(cè)向沖擊效應(yīng),并減輕爆炸波重復(fù)沖擊的累積效應(yīng)。

但在實(shí)際情況中,頭盔內(nèi)泡沫墊很難與頭部緊密貼合,而根據(jù)間隙大小調(diào)整尺寸的泡沫襯墊加充氣緩沖系統(tǒng),是一種可以考慮的解決方案。Sutar 等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),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(tǒng)可以作為防止沖擊波進(jìn)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(fù)合材料面罩的ACH 頭盔在不同爆炸載荷下的防護(hù)性能進(jìn)行了數(shù)值分析。研究發(fā)現(xiàn)聚碳酸酯-氣凝膠復(fù)合材料面罩比經(jīng)典的聚碳酸酯面罩具有更好的保護(hù)能力?？翟降壤眉げü軐伪^面部裝備進(jìn)行了正向和側(cè)向爆炸波防護(hù)性能測試,結(jié)果顯示不同結(jié)構(gòu)、不同防護(hù)等級的頭盔-頭模系統(tǒng)超壓峰值具有明顯差異,防護(hù)裝備結(jié)構(gòu)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(hù)裝置對TBI 的緩解作用,設(shè)置了模塊化系統(tǒng),包括ACH、概念面罩、下頜骨護(hù)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(hù)裝置(頭部+頭盔+面罩、頭部+頭盔+下頜護(hù)具和頭部+頭盔+下頜護(hù)具+面罩)的不同配置進(jìn)行模擬,分別從ICP、主應(yīng)變、顱骨剪切應(yīng)變和應(yīng)力對保護(hù)裝置的性能進(jìn)行分析。結(jié)果顯示下頜護(hù)具比面罩能更好地降低ICP,主應(yīng)變顯著低于Morrison 等提出的損傷閾值。

圖8 全盔系統(tǒng)數(shù)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(hù)系統(tǒng)(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(jù)危險(xiǎn)等級不同來選擇不同的附件,在低危險(xiǎn)時(shí)可以保持輕量化,也可以在高危險(xiǎn)時(shí)提供全面防護(hù)。

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(hù)方面已取得了一定進(jìn)展,但還存在一些關(guān)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(jī)制并不互相排斥,爆炸波致顱腦損傷的相關(guān)病理特征往往是幾種機(jī)制共同作用的結(jié)果。耳道和眼眶傳導(dǎo)入腦內(nèi)致傷尚缺乏直接的證據(jù),空化致傷有待在生物體內(nèi)得到證明,頭部加速致傷需要與直接顱骨傳導(dǎo)致傷分開研究。因此,導(dǎo)致顱腦沖擊傷的機(jī)制尚待進(jìn)一步研究。

2)輕度顱腦沖擊傷的損傷評價(jià)指標(biāo)與診斷存在較大空缺。已發(fā)現(xiàn)的一些指標(biāo)局限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn),還未真正應(yīng)用于臨床,或局限于個(gè)案或少量病例的單獨(dú)研究。因此,在bTBI 的診斷和預(yù)防方面仍有很多問題未達(dá)成共識,并沒有形成一套完整的診斷標(biāo)準(zhǔn)。

3)顱腦沖擊傷的治療技術(shù)急需進(jìn)一步發(fā)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(zhàn)斗性減員,增加國家的軍事開支和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

4)顱腦防護(hù)技術(shù)研究仍存在不足。通過增加防爆頭盔覆蓋面積、改進(jìn)外表面氣動(dòng)設(shè)計(jì)、合理的縫隙密封和有效緩沖材料的改進(jìn),是目前應(yīng)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(hù)技術(shù)的基礎(chǔ),是需要對爆炸載荷的重建、潛在損傷機(jī)制、可靠的生物力學(xué)模型和損傷閾值進(jìn)行深入研究,才能指導(dǎo)防爆頭盔的設(shè)計(jì)和其他防護(hù)技術(shù)。

7 總結(jié)

本文對致顱腦損傷爆炸波的產(chǎn)生和造成的顱腦損傷類型、研究方法、損傷機(jī)制、損傷閾值、國內(nèi)外研究的防護(hù)方法進(jìn)行了總結(jié)分析,雖然研究人員已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,但針對爆炸波致顱腦損傷與安全防護(hù)研究仍有待進(jìn)一步深入。后續(xù)研究主要可以從以下5 個(gè)方面展開:

1)顱腦沖擊傷的流行病學(xué)調(diào)查研究。研究部隊(duì)軍人的流行病學(xué)特點(diǎn),評估顱腦沖擊傷的患病率及其相關(guān)因素,再分組篩選出顱腦沖擊傷最佳的診斷指標(biāo)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(chuàng)傷模擬實(shí)驗(yàn)研究。研究建立技術(shù)先進(jìn)的生物材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)、動(dòng)物模型用激波管、爆炸箱及野外爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái),為后續(xù)課題動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、物理模型實(shí)驗(yàn)、仿真模擬提供所需的材料本構(gòu)關(guān)系、數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證與損傷機(jī)理及損傷耐受閾值研究所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并提供動(dòng)物模型、防護(hù)裝具研發(fā)和檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及最佳干預(yù)時(shí)限。

3)建立損傷與力學(xué)參數(shù)之間的聯(lián)系。開發(fā)精細(xì)解剖結(jié)構(gòu)的顱腦數(shù)值模型與物理模型,模擬顱腦在爆炸載荷條件下的力學(xué)響應(yīng),根據(jù)現(xiàn)有的腦損傷標(biāo)準(zhǔn)量化評估顱腦損傷;揭示顱腦在沖擊波作用下的致傷機(jī)理與損傷耐受閾值。

4)顱腦沖擊傷的神經(jīng)病理機(jī)制研究。探索顱腦沖擊傷的病理生理變化及其發(fā)病機(jī)制,研究顱腦創(chuàng)傷后中樞及外周血中顱腦沖擊傷的特異性生物學(xué)標(biāo)記物。

5)防爆頭盔防護(hù)材料對沖擊波的衰減作用及防護(hù)機(jī)制。研究沖擊波與材料作用時(shí)發(fā)生的反射、透射特征及固體相形變的力學(xué)過程。探索其在宏觀、細(xì)觀、微觀尺度下的沖擊波反射、透射及衰減的力學(xué)機(jī)理。獲得爆炸波在其材料內(nèi)部與顱腦內(nèi)的傳導(dǎo)特征,揭示其對爆炸波衰減特性獲得其防護(hù)機(jī)制。