基于自由場(chǎng)爆炸的豬鼓膜破裂規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

摘要： 聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)各組成部分的機(jī)械損傷是爆炸后造成聽(tīng)力損失的主要原因，強(qiáng)脈沖聲致聽(tīng)覺(jué)損害風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則仍然存在許多爭(zhēng)議，例如：指標(biāo)選擇沖量還是超壓峰值，正壓持續(xù)時(shí)間是否重要等。本研究基于自由場(chǎng)實(shí)爆條件，設(shè)計(jì)并搭建了大動(dòng)物爆炸致傷平臺(tái)，探究了不同爆炸參數(shù)對(duì)鼓膜破裂的影響規(guī)律，并建立了基于自由場(chǎng)超壓峰值和正壓持續(xù)時(shí)間的鼓膜創(chuàng)傷量效關(guān)系。通過(guò)筆形壓力傳感器測(cè)量自由場(chǎng)超壓，通過(guò)Friedlander 公式擬合超壓時(shí)程曲線，確定沖擊波超壓峰值和正壓持續(xù)時(shí)間，并對(duì)時(shí)域中記錄的波形進(jìn)行歸一化能量頻譜分析，以確定沖擊波在頻域上的信號(hào)能量分布。對(duì)爆炸后的小型豬進(jìn)行解剖，記錄不同爆炸參數(shù)下鼓膜創(chuàng)傷程度。以超壓峰值和正壓持續(xù)時(shí)間為自變量，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元邏輯回歸分析，并給出鼓膜破裂風(fēng)險(xiǎn)曲線。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自由場(chǎng)超壓峰值低于170 kPa 時(shí)，鼓膜無(wú)明顯損傷；當(dāng)自由場(chǎng)超壓峰值高于237 kPa 時(shí)，部分鼓膜出現(xiàn)不同程度的破裂和充血。距爆心越近，超壓峰值越大，但鼓膜創(chuàng)傷的嚴(yán)重程度并未隨之單調(diào)增加。在8.0 kg TNT 當(dāng)量的爆炸實(shí)驗(yàn)中，鼓膜破裂的嚴(yán)重程度隨爆心距的減小呈現(xiàn)先提高再降低的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)沖擊波載荷特征的分析可知，距爆心越近，正壓持續(xù)時(shí)間越短，高頻段能量占比相對(duì)更大，小型豬鼓膜破裂的概率可能反而降低，此時(shí)仍然出現(xiàn)顯著的聽(tīng)力損失和耳蝸損傷。鼓膜作為通過(guò)振動(dòng)傳遞聲信號(hào)的黏彈性薄膜結(jié)構(gòu)，其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)可能與載荷頻率成分密切相關(guān)。除了超壓峰值，沖擊波波形頻譜分布對(duì)鼓膜破裂程度影響顯著。

關(guān)鍵詞： 自由場(chǎng)爆炸；沖擊波；鼓膜破裂；聽(tīng)力損失；致傷風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類號(hào)： O389 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

聽(tīng)覺(jué)器官是爆炸沖擊波最敏感的靶器官之一，其爆炸沖擊傷發(fā)生率高，影響專業(yè)人員的作業(yè)能力，開(kāi)展爆炸沖擊波致聽(tīng)覺(jué)功能損害評(píng)估具有重要意義，目前爆炸致聽(tīng)力損失的形成和預(yù)防機(jī)制尚不清晰。鼓膜（tympanic membrane， TM）破裂是最常見(jiàn)的耳部爆炸傷，Gan 等[1] 通過(guò)激波管動(dòng)物實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究了鼓膜破裂閾值和超壓波形之間的關(guān)系。Gan 等[2] 通過(guò)激波管人體顳骨實(shí)驗(yàn)研究了沖擊波方向與鼓膜破裂閾值的關(guān)系，基于人耳三維有限元建模計(jì)算，提出了鼓膜應(yīng)力相對(duì)于超壓峰值的變化率可以表征鼓膜在沖擊波下的力學(xué)損傷的觀點(diǎn)。盡管閾值指標(biāo)僅選擇了超壓峰值，基于人耳顳骨測(cè)量得到的鼓膜破裂閾值數(shù)據(jù)仍具有臨床診斷價(jià)值。Gan 等[3] 通過(guò)激波管人體顳骨實(shí)驗(yàn)和人耳三維有限元建模評(píng)估了耳塞針對(duì)于沖擊波的防護(hù)機(jī)制，將傳遞到鼓膜處的沖擊波超壓峰值和超壓波形作為評(píng)價(jià)耳塞防護(hù)效果的2 個(gè)指標(biāo)。

鼓膜由于其低破裂閾值且易觀察的特性，被視為一種爆炸傷標(biāo)記物，用于判斷聽(tīng)力的損害程度。隨著醫(yī)學(xué)研究的深入，研究者提出，鼓膜破裂程度和聽(tīng)力損失程度并不一致，不能準(zhǔn)確地判斷聽(tīng)覺(jué)功能的損害程度。爆炸波如何與鼓膜相互作用并損害外周聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)制仍然不清楚，Leckness 等[4] 建立了人耳三維有限元模型來(lái)預(yù)測(cè)爆炸超壓通過(guò)外耳中耳的傳輸。Brown 等[5-6] 和Bradshaw 等[7] 建立了從外耳到耳蝸的爆炸波傳輸三維有限元模型，并計(jì)算了鼓膜、中耳聽(tīng)小骨和耳蝸基底膜的位移響應(yīng)。有限元模型能模擬沖擊波加載時(shí)中耳和耳蝸的響應(yīng)，為闡明爆炸致聽(tīng)力損失機(jī)制提供參考，可應(yīng)用于協(xié)助預(yù)防、診斷和治療戰(zhàn)場(chǎng)人員由于爆炸引起的聽(tīng)力損失。Jiang 等[8-9] 通過(guò)激波管人耳顳骨實(shí)驗(yàn)對(duì)爆炸暴露的人耳進(jìn)行了生物力學(xué)測(cè)量，他們使用雙激光多普勒測(cè)振儀來(lái)測(cè)量爆炸導(dǎo)致的鼓膜以及鐙骨底板的運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，Bien 等[10] 同時(shí)測(cè)量了沖擊波導(dǎo)致的鐙骨底板的運(yùn)動(dòng)和耳蝸內(nèi)流體的壓力。這些研究提供了一種新的方法來(lái)定量表征爆炸導(dǎo)致的中耳力學(xué)響應(yīng)并量化進(jìn)入耳蝸的能量通量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于幫助闡明外周聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)損傷的形成機(jī)制。Gan 等[11] 通過(guò)掃描激光多普勒測(cè)振技術(shù)對(duì)正常和爆炸后的人顳骨鼓膜進(jìn)行了全場(chǎng)表面運(yùn)動(dòng)測(cè)量，該方法可描述爆炸后鼓膜傳聲運(yùn)動(dòng)的改變以及可能的局部受損位置。Luo 等[12-13] 通過(guò)霍普金森拉桿在300～2 000 s?1 的高應(yīng)變率下對(duì)人耳鼓膜條帶試樣進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了爆炸前后鼓膜的高應(yīng)變率力學(xué)性能。Engles 等[14] 通過(guò)激光多普勒測(cè)振儀在200～8 000 Hz 的頻率范圍測(cè)試了聲加載導(dǎo)致的鼓膜振動(dòng)，通過(guò)有限元建模的逆問(wèn)題求解確定了爆炸對(duì)鼓膜存儲(chǔ)模量和損耗模量的影響。Liang 等[15-17] 通過(guò)微條紋投影法表征了爆炸沖擊波對(duì)鼓膜非線性靜態(tài)力學(xué)性能的影響，并且表征了人耳圓窗膜的力學(xué)性質(zhì)。

研究者也通過(guò)激波管動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)聽(tīng)覺(jué)功能損害和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)病理性變化進(jìn)行了直接表征。Chen 等[18]通過(guò)龍貓爆炸模型量化了重復(fù)低強(qiáng)度爆炸導(dǎo)致的急性和進(jìn)行性聽(tīng)覺(jué)損害。Smith 等[19] 研究了龍貓反復(fù)暴露在引起輕度創(chuàng)傷性腦損傷（mild traumatic brain injury， mTBI）的爆炸載荷下所產(chǎn)生的進(jìn)行性聽(tīng)覺(jué)損害，在出現(xiàn)永久聽(tīng)力損失的動(dòng)物中觀察到了聽(tīng)覺(jué)皮層的損傷，結(jié)果表明引起mTBI 的爆炸次數(shù)嚴(yán)重影響聽(tīng)力損失。Jiang 等[20] 提出了一種新方法來(lái)對(duì)反復(fù)爆炸所導(dǎo)致的外周聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)（peripheral auditorysystem， PAS）和中央聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)（central audirory system， CAS）損傷進(jìn)行造模，通過(guò)使用頭盔以及耳塞的動(dòng)物模型和生物力學(xué)模型對(duì)這2 種損傷進(jìn)行區(qū)分。Shao 等[21] 在此基礎(chǔ)上審查了PAS 和CAS 的改變，發(fā)現(xiàn)中樞聽(tīng)覺(jué)反應(yīng)獨(dú)立于外周聽(tīng)覺(jué)，耳塞可以保護(hù)鼓膜和中耳免受結(jié)構(gòu)損傷，但聽(tīng)力水平、耳蝸外毛細(xì)胞和CAS（興奮性和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)受體水平）僅在測(cè)試的爆炸超壓水平上得到部分保護(hù)。耳蝸核持續(xù)性的神經(jīng)退化可能在長(zhǎng)期的聽(tīng)力損害中起主要作用。

然而，沖擊波致聽(tīng)力損失的形成機(jī)制和預(yù)防機(jī)制并不清晰。爆炸致聽(tīng)覺(jué)損害風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則仍然存在很多爭(zhēng)議，例如：指標(biāo)選擇沖量還是超壓峰值，正壓持續(xù)時(shí)間是否重要，短脈沖還是長(zhǎng)脈沖更危險(xiǎn)等。關(guān)于閾值的討論組成了一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)由看似不相容的數(shù)據(jù)集和相互矛盾的觀點(diǎn)組成。聽(tīng)力是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，爆炸致聽(tīng)覺(jué)損害風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)需要足夠復(fù)雜、能夠處理這些數(shù)據(jù)庫(kù)中各種看似矛盾的效應(yīng)。此外，鼓膜作為多層黏彈性膜組織，其對(duì)于爆炸沖擊波和高強(qiáng)聲的失效準(zhǔn)則如何制定仍然面臨挑戰(zhàn)。盡管明確鼓膜破裂與沖擊波波形相關(guān)，但沒(méi)有建立相應(yīng)的量效關(guān)系。現(xiàn)有研究絕大部分都是基于小動(dòng)物激波管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展，且鼓膜損傷與耳蝸損傷的關(guān)系沒(méi)有進(jìn)一步表征。

本研究基于自由場(chǎng)實(shí)爆條件，設(shè)計(jì)并搭建大動(dòng)物爆炸致傷平臺(tái)，在不同爆心距離下得到一系列具有超壓峰值梯度和正壓持續(xù)時(shí)間梯度的沖擊波載荷工況，探究不同爆炸參數(shù)對(duì)于鼓膜破裂的影響規(guī)律，并建立基于自由場(chǎng)超壓峰值和正壓持續(xù)時(shí)間的鼓膜創(chuàng)傷量效關(guān)系。

1 方 法

1.1 搭建大動(dòng)物致傷平臺(tái)

采用自由場(chǎng)實(shí)爆條件對(duì)爆炸致動(dòng)物耳創(chuàng)傷進(jìn)行研究，炸藥當(dāng)量分別為1.9 kg TNT 以及8.0 kg TNT，爆心距離地面高度為1.8 m。選用14 頭質(zhì)量均約15 kg 的健康雄性小型豬（巴馬小香豬）作為致傷豬，用于觀察沖擊波傷情，布放方法如圖1 所示。共有7 種致傷工況，每個(gè)工況布置2 頭小型豬。7 種致傷工況的爆炸條件分別為1.9 kg TNT 當(dāng)量爆炸，距離爆心1.8、2.6 和3.2 m 以及8.0 kg TNT 當(dāng)量爆炸，距離爆心2.6、2.9、3.2 和3.8 m，得到一系列具有超壓峰值梯度和正壓時(shí)間梯度的沖擊波載荷工況。

將焊制的半圓柱形鐵質(zhì)艙室固定在增高支架上用于實(shí)驗(yàn)，使艙室所處高度與爆心一致。采用2% 戊巴比妥鈉作為麻醉劑，以20 mg/kg 的劑量對(duì)小型豬進(jìn)行誘導(dǎo)麻醉。將麻醉后的小型豬軀干放置在艙室中，注意頭部面對(duì)爆心，并在縫隙處填充泡沫膠保證密封性，泡沫膠固化后就實(shí)現(xiàn)了小型豬的固定。給固定后的小型豬佩戴防火面罩以保護(hù)口鼻，如圖2 所示。通過(guò)筆形壓力傳感器（型號(hào)PCB137B22/PCB137B23）測(cè)量自由場(chǎng)壓力，采樣頻率為5 MHz。壓力傳感器安裝位置離致傷豬較近，且與致傷豬保持在同一半徑，探頭離地面的高度與爆心一致，且方向與沖擊波傳播方向垂直。

爆炸前后，均采用聽(tīng)性腦干反應(yīng)（auditory brainstem response， ABR）對(duì)小型豬的聽(tīng)力功能進(jìn)行測(cè)試，記錄爆炸前后ABR 閾值的變化。將小型豬麻醉后轉(zhuǎn)至簡(jiǎn)易隔聲屏蔽室，置于電熱毯上維持體溫。安裝完電極后，以短聲（ click）及1、2、4、6 和8 kHz 的短純音作為刺激聲音，最大刺激強(qiáng)度為90 dB，按10 dB 遞減，當(dāng)出現(xiàn)無(wú)規(guī)律難以辨認(rèn)的波形時(shí)，遞增5 dB，將誘發(fā)出可重復(fù)規(guī)律波形的最低刺激強(qiáng)度記為ABR 閾值。爆炸后記錄每個(gè)布放距離的即刻死亡率。將麻醉狀態(tài)下的小型豬放置在解剖臺(tái)上，以大動(dòng)脈放血的方式將其處死。沿顱頂中線進(jìn)行開(kāi)顱，取出腦組織后，暴露鼓膜和耳蝸。摘取耳蝸放置于電鏡固定液中保存，通過(guò)掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM）觀察。使用咬骨鉗仔細(xì)剝離鼓膜周圍骨質(zhì)，從中耳向外耳道方向暴露鼓膜，觀察記錄鼓膜的創(chuàng)傷情況。

1.2 自由場(chǎng)爆炸載荷條件

1.2.1 超壓時(shí)程曲線

沖擊波超壓時(shí)程（p-t）曲線具有一個(gè)特征形狀，當(dāng)沖擊波到達(dá)時(shí)，壓力幾乎是瞬間升高的，然后呈現(xiàn)指數(shù)型衰減，在一段時(shí)間t+后，壓力返回到環(huán)境值并進(jìn)入負(fù)壓階段[22]。Friedlander[23] 提出這種特征形狀可以描述為：

p = pse-γt/ t+（1-t/ t+） （1）

式中：ps 為超壓峰值；t+為正壓持續(xù)時(shí)間；γ 為無(wú)量綱常數(shù)，這里設(shè)置為4[24]。式（1） 對(duì)較寬峰值超壓范圍的爆炸沖擊波超壓時(shí)間歷史提供了較好的描述，是獲得超壓峰值和正壓持續(xù)時(shí)間的較好方法[22]。

1.2.2 沖擊波波形分析

對(duì)超壓波形進(jìn)行脈沖壓力能量頻譜分析，以確定信號(hào)在頻率上的能量分布。通過(guò)傅里葉變換將記錄的超壓波形轉(zhuǎn)化為頻率（25 Hz～5 MHz）上的壓力分布。脈沖能量通量即單位面積的能量，由下式[1]給出：

式中：E*為脈沖能量通量；p（t） 為時(shí)域上的脈沖壓力信號(hào)；T 為信號(hào)總時(shí)長(zhǎng)，本文中T=40 ms；ρ 為空氣密度；c 為空氣中的聲速；本文中假設(shè)ρ 和c 是與壓力無(wú)關(guān)的常數(shù)。

采用中心頻率為62.5、125、250 和500 Hz，1、2、4、8 和16 kHz 的倍頻帶通濾波器，以及低通濾波器L62.5 和高通濾波器H16k，對(duì)不同頻段的信號(hào)進(jìn)行篩選和過(guò)濾。濾波信號(hào)的能量通量也通過(guò)式（2） 來(lái)計(jì)算。由于脈沖信號(hào)在時(shí)域上壓力平方的積分在頻域上保持恒等[25]，將各頻段的能量通量除以總脈沖能量通量，得到各個(gè)頻段的歸一化能量通量。

1.3 基于邏輯回歸模型識(shí)別創(chuàng)傷量效關(guān)系

與爆炸沖擊波致顱腦創(chuàng)傷（blast-induced traumatic brain injury， bTBI）類似，鼓膜創(chuàng)傷風(fēng)險(xiǎn)曲線可以表示為超壓峰值ps 與正壓持續(xù)時(shí)間t+的函數(shù)。根據(jù)Rafaels 等[26] 的描述，bTBI 耐受性曲線可以通過(guò)冪律關(guān)系進(jìn)行現(xiàn)象學(xué)描述：

ps = p0[1+α（t+）-β]（3）

式中：p0、α 和β 為需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù)，且β＞0。本文中通過(guò)式（3） 對(duì)小型豬耳鼓膜致傷載荷的特點(diǎn)進(jìn)行描述。采用Sigmoid 函數(shù)表示損傷概率：

Y （A） =1／1+e-A （4）

式中：Y 為損傷概率，其值限制在0～1 之間；A 為超壓峰值ps 和正壓持續(xù)時(shí)間t+共同貢獻(xiàn)的度量。A 定義

為如下形式[27]：

A = C1 +C2 ln{p0[1+α（t+）-β]=ps}（5）

式中：除p0、α、β 外，C1 和C2 也為待定常數(shù)。通過(guò)最大似然估計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的創(chuàng)傷數(shù)據(jù)進(jìn)行二元邏輯回歸分析，確定鼓膜破裂風(fēng)險(xiǎn)曲線，并繪制在ps-t+圖中。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊波載荷特征

2.1.1 超壓峰值和正壓持續(xù)時(shí)間

圖3 展示了在1.9 kg TNT 當(dāng)量爆炸距離爆心1.8 m 處的實(shí)測(cè)自由場(chǎng)超壓時(shí)程曲線以及用Friedlander 方程擬合的結(jié)果，可以看出，F(xiàn)riedlander 方程提供了一個(gè)較好的超壓時(shí)間歷史的描述。由此確定沖擊波超壓峰值和正壓持續(xù)時(shí)間，如表1 所示。由表1 可以看出，在爆炸沖擊波作用范圍1.8～5.5 m 內(nèi)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得超壓峰值為96.3～628.3 kPa，沖擊波正壓持續(xù)時(shí)間為1.4～6.6 ms。由距離擬合曲線（圖4～5）可見(jiàn)，隨著爆心距的增大，爆炸沖擊波超壓峰值減小，正壓持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，符合沖擊波衰減規(guī)律。

2.1.2 沖擊波能量頻譜分析

不同當(dāng)量爆炸條件下，不同位置處所測(cè)沖擊波信號(hào)在不同頻帶的歸一化能量分布如圖6 所示。可以看出，沖擊波大部分能量集中在小于500 Hz 的較低頻率下；距離爆心越近，正壓持續(xù)時(shí)間越短，能量分布向高頻移動(dòng)。這表明，不同正壓持續(xù)時(shí)間的沖擊波表現(xiàn)出不同的能量分布特征，正壓持續(xù)時(shí)間越短，高頻段能量占比相對(duì)越高。

2.2 爆炸致鼓膜破裂量效關(guān)系

2.2.1 鼓膜創(chuàng)傷形式

實(shí)驗(yàn)中記錄到的鼓膜損傷情況如圖7 所示，可分為3 類，分別是鼓膜無(wú)明顯損傷（圖7（a））、鼓膜片狀出血（圖7（b））和鼓膜穿孔（圖7（c））?；诖朔诸惤y(tǒng)計(jì)的鼓膜損傷情況如表1 所示，可以看出，當(dāng)自由場(chǎng)峰值超壓小于170 kPa 時(shí)，鼓膜無(wú)明顯損傷，為半透明狀薄膜，呈現(xiàn)張緊狀態(tài)。當(dāng)峰值超壓大于237 kPa時(shí)，鼓膜會(huì)出現(xiàn)不同程度的充血甚至破裂。本研究中觀察到的鼓膜破裂呈現(xiàn)圓孔狀，占完整鼓膜面積的1/3～2/3，甚至全部消失。沒(méi)有觀察到Koike 等[28] 在臨界破裂壓力觀察到的沿徑向方向的撕裂以及靜壓作用下鼓膜的撕裂[29]。隨著離爆心距離越近，超壓峰值越大，但鼓膜創(chuàng)傷嚴(yán)重程度并未隨之單調(diào)增加。在8.0 kg TNT 當(dāng)量爆炸實(shí)驗(yàn)中，鼓膜破裂嚴(yán)重程度隨著爆心距的減小呈現(xiàn)先提高再降低的趨勢(shì)。

2.2.2 沖擊波致鼓膜破裂風(fēng)險(xiǎn)曲線

利用式（4）～（5），以超壓峰值和正壓持續(xù)時(shí)間為自變量，對(duì)表1 中實(shí)驗(yàn)測(cè)得的鼓膜破裂率進(jìn)行二元邏輯回歸分析，結(jié)果如圖8 所示。參數(shù)值確定如下：α=20 ms1.2， β=1.2， p0=67 kPa， C1=2， C2=?8.12。

對(duì)99%、50% 和1% 的致傷概率，繪制了沖擊波對(duì)小型豬鼓膜破裂風(fēng)險(xiǎn)曲線，同時(shí)也將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制其中，如圖9 所示。隨爆心距的增大，超壓峰值降低，正壓持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)。從建立的量效關(guān)系可以看出，1.9 kg TNT 當(dāng)量爆炸實(shí)驗(yàn)中，鼓膜致傷概率隨爆心距的增大而降低，而在8.0 kg TNT 當(dāng)量爆炸實(shí)驗(yàn)中，鼓膜致傷概率隨著爆心距的增大呈現(xiàn)先提高再降低的趨勢(shì)。和實(shí)驗(yàn)觀察到的規(guī)律一致，回歸模型能捕捉到鼓膜破裂量效關(guān)系主要趨勢(shì)和特征。

2.3 討論

自由場(chǎng)沖擊波的特點(diǎn)是上升沿陡峭、超壓峰值高、信號(hào)帶寬和持續(xù)時(shí)間短（微秒-毫秒級(jí)）[30]。常用的沖擊波生物毀傷準(zhǔn)則包括超壓峰值準(zhǔn)則、結(jié)合持續(xù)時(shí)間的超壓峰值準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則和超壓峰值-沖量準(zhǔn)則，其中超壓峰值準(zhǔn)則使用最廣泛[30]。然而，聽(tīng)力損失是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，爆炸致聽(tīng)覺(jué)損害風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則仍然存在很多爭(zhēng)議，例如：指標(biāo)選擇沖量還是超壓峰值、正壓持續(xù)時(shí)間是否重要和短脈沖還是長(zhǎng)脈沖更危險(xiǎn)等[31]。本研究中就出現(xiàn)了與直覺(jué)相違背的現(xiàn)象。在8 kg TNT 當(dāng)量的自由場(chǎng)爆炸中，鼓膜創(chuàng)傷程度沒(méi)有隨著超壓峰值的變大（爆心距的減?。┒鴨握{(diào)提高。在離爆心2.6 m 的位置，即使致死率為50%，鼓膜破裂率為0%，充血率為25%。此時(shí)超壓峰值為628.28 kPa，正壓持續(xù)時(shí)間為1.3 ms，這一沖擊波強(qiáng)度足以使小型豬致死，卻沒(méi)有出現(xiàn)鼓膜破裂。隨著爆心距的增大，沒(méi)有出現(xiàn)小型豬死亡的情況。在爆心距2.9 m 處，鼓膜破裂率為0%，充血率為100%，此時(shí)超壓峰值為528.74 kPa，正壓持續(xù)時(shí)間為2.11 ms。在爆心距3.2 m 處，鼓膜破裂率提高到100%，在爆心距3.8 m 處，鼓膜破裂率降低到50%，充血率為25%。

鼓膜作為一個(gè)黏彈性薄膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)自身的振動(dòng)將聲音信號(hào)傳遞進(jìn)中耳及內(nèi)耳。Cullis[32] 討論了沖擊波與結(jié)構(gòu)相互作用的影響因素，認(rèn)為爆炸形成的沖擊波將來(lái)自爆炸流場(chǎng)的能量耦合到結(jié)構(gòu)中而與結(jié)構(gòu)相互作用。隨著沖擊波的傳播，其超壓峰值降低，正壓區(qū)被不斷拉寬，形狀發(fā)生改變，相應(yīng)地沖擊波載荷的能量頻率分布也發(fā)生了變化。圖6 也能提供直接的依據(jù)，離爆心越遠(yuǎn)，低頻能量占比越高。然而，受載結(jié)構(gòu)具有一系列固定的特征頻率及相應(yīng)的振動(dòng)模式，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)依賴于沖擊波如何將能量耦合到這些振動(dòng)模式中[32]。因此，除了超壓峰值和沖量，沖擊波的整體形狀也對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。此外，鼓膜及其附著的聽(tīng)骨鏈、肌肉和韌帶都有黏彈性，具有一定的壓力緩沖能力[33]。當(dāng)沖擊波的正壓持續(xù)時(shí)間與結(jié)構(gòu)振蕩周期相比較短時(shí)，載荷的部分能量就會(huì)被結(jié)構(gòu)的慣性吸收，從而減小結(jié)構(gòu)變形[32]。這些機(jī)制提供了一定的角度去理解鼓膜的創(chuàng)傷程度是如何隨爆心距的改變而改變的。然而，確切的致傷機(jī)制需要進(jìn)一步研究。一方面，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量或者有限元仿真去定量研究鼓膜在不同類型沖擊波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；另一方面，需要發(fā)展能反映鼓膜材料動(dòng)態(tài)損傷特征的失效準(zhǔn)則。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，盡管沒(méi)有發(fā)生鼓膜穿孔，卻仍然出現(xiàn)了嚴(yán)重的聽(tīng)力損失和內(nèi)耳耳蝸損傷，如圖10 所示。圖10 為8.0 kg TNT 當(dāng)量爆炸條件下距爆心2.9 m 處的小型豬在爆炸前后的ABR 聽(tīng)力閾值變化以及耳蝸毛細(xì)胞SEM 圖像。可以看出，短聲ABR 閾值上升40 dB，高頻聽(tīng)力損失嚴(yán)重，2 kHz 以上純音ABR 閾值上升40～70 dB，同時(shí)也觀測(cè)到耳蝸內(nèi)毛細(xì)胞（inner hair cell， IHC）與外毛細(xì)胞（outer hair cell，OHC）的顯著損傷。這一現(xiàn)象也印證了Xie 等[34] 和Littlefield 等[35] 提出的鼓膜破裂和聽(tīng)力功能損失不一致的現(xiàn)象，鼓膜的破裂程度不能直接作為聽(tīng)覺(jué)爆炸傷標(biāo)記物。Amrein 等[31] 指出，即使正壓持續(xù)時(shí)間較短，也會(huì)立即出現(xiàn)嚴(yán)重的聽(tīng)力損害。Koike 等[28] 提出鼓膜破裂可以被視為耳部的一種合適的保護(hù)機(jī)制。鼓膜與圓窗膜的面積比能夠放大鼓膜所接收到的聲壓，實(shí)現(xiàn)外耳空氣聲與內(nèi)耳流體聲的阻抗匹配，使得大部分聲能可以傳遞進(jìn)內(nèi)耳[36]。如果鼓膜是非常頑強(qiáng)的，只會(huì)在顯著超壓下破裂，那么突然的非生理性超壓會(huì)導(dǎo)致壓力波的能量直接傳遞進(jìn)入聽(tīng)骨鏈以及耳蝸。這會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的問(wèn)題，例如：聽(tīng)骨鏈的脫位和圓窗膜的破裂等。但是，鼓膜破裂是一種機(jī)械損傷，并不是所有高強(qiáng)度的沖擊波都會(huì)導(dǎo)致鼓膜破裂，例如：在本研究8 kg TNT 當(dāng)量的實(shí)爆實(shí)驗(yàn)中，距爆心2.6 和2.9 m 處，正壓持續(xù)時(shí)間短，即使超壓峰值高，也沒(méi)有出現(xiàn)鼓膜破裂。因此，具有高聲強(qiáng)、短正壓時(shí)間特征的載荷（例如小口徑武器產(chǎn)生的高強(qiáng)度短脈沖[37]）對(duì)于聽(tīng)覺(jué)功能來(lái)說(shuō)是危險(xiǎn)的，在防護(hù)的過(guò)程中需要特別注意。這種載荷一般不會(huì)引起鼓膜破裂，容易受到忽略，類似的載荷還有低強(qiáng)度沖擊波的反復(fù)暴露（低于鼓膜破裂閾值）[18]。盡管鼓膜破裂程度不能作為長(zhǎng)期聽(tīng)覺(jué)功能障礙的標(biāo)記物，但鼓膜仍然是沖擊波與耳部作用的第一步。沖擊波如何與鼓膜相互作用并將能量傳遞到外周聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)制仍然需要研究，這對(duì)于闡明強(qiáng)脈沖聲致聽(tīng)力損失的形成機(jī)制和預(yù)防機(jī)制至關(guān)重要。

3 結(jié) 論

基于自由場(chǎng)實(shí)爆條件，設(shè)計(jì)并搭建了大動(dòng)物爆炸致傷平臺(tái)，在不同爆心距離下得到了一系列具有超壓峰值梯度和正壓持續(xù)時(shí)間梯度的沖擊波載荷工況?；诒緦?shí)驗(yàn)中小型豬耳部傷情的觀測(cè)結(jié)果，探究了不同爆炸參數(shù)對(duì)鼓膜破裂的影響規(guī)律，通過(guò)邏輯回歸分析建立了基于自由場(chǎng)超壓峰值和正壓持續(xù)時(shí)間的鼓膜創(chuàng)傷量效關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自由場(chǎng)超壓峰值低于170 kPa 時(shí)，鼓膜無(wú)明顯損傷；當(dāng)自由場(chǎng)超壓峰值大于237 kPa 時(shí)，部分鼓膜出現(xiàn)不同程度的破裂和充血。隨著離爆心越近，超壓峰值越大，但鼓膜創(chuàng)傷的嚴(yán)重程度并未隨之單調(diào)提高。通過(guò)分析沖擊波載荷特征可知，離爆心越近正壓持續(xù)時(shí)間越短，高頻段能量占比相對(duì)越高，小型豬鼓膜破裂的概率可能反而降低，此時(shí)，仍然出現(xiàn)顯著的聽(tīng)力損失和耳蝸損傷。除了超壓峰值，沖擊波波形頻譜分布可能對(duì)鼓膜破裂程度影響顯著。爆炸波如何與鼓膜相互作用并損害聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。本研究可為爆炸性武器沖擊波生物損傷效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

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（責(zé)任編輯 張凌云）

基金項(xiàng)目： 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020-JCJQ-ZD-254，2022YFC3320502）