程崗，李彥騰，魏鉑沅，王淑為，劉帥，劉邦鑫，劉亞楠，張劍寧*

1解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)外科，北京 100048；2中部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院神經(jīng)外科，武漢 430070

現(xiàn)代海戰(zhàn)是包括水面艦艇、航空兵、潛艇、水下蛙人、登陸部隊在內(nèi)的多兵種、立體化作戰(zhàn)模式。戰(zhàn)爭的現(xiàn)代化水平越高，發(fā)生顱腦創(chuàng)傷的比例越高[1]。現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，隨著裝備的升級及人員防護(hù)能力的提高，以及高速、高爆、高能武器的大量應(yīng)用，沖擊波性顱腦損傷(blast-related traumatic brain injury，bTBI)占腦損傷的比例越來越高，由此引起的創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(posttraumatic stress disorder，PTSD)及輕度創(chuàng)傷性腦損傷(mild TBI，mTBI)取代槍彈傷成為主要的戰(zhàn)創(chuàng)傷類型，被稱為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的標(biāo)志性傷型。美軍2/3的后送傷員及88%需要到二級醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行治療的傷員為顱腦爆震傷[2]。為此，近期北大西洋公約組織(the North Atlantic Treaty Organization，NATO)成立了專業(yè)的研究團(tuán)隊，將bTBI作為環(huán)境毒性問題進(jìn)行專門研究[3]。

國內(nèi)外學(xué)者對bTBI也進(jìn)行了大量研究[4-5]，但是顱骨對沖擊波有多大的阻擋效應(yīng)，有多少沖擊波的能量可通過全身效應(yīng)影響顱內(nèi)壓力，外界沖擊波壓力與顱內(nèi)壓力變化是否存在可量化的關(guān)系，目前尚未見報道。本研究通過制作比格犬炸藥爆炸模型對上述問題進(jìn)行探討，旨在探明自由場環(huán)境爆炸后顱骨對沖擊波的阻擋效應(yīng)，以及顱內(nèi)外沖擊波壓力之間是否存在量化關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 實驗動物 18只普通級比格犬，體重10～12 kg，10～12月齡，購自北京瑪斯生物技術(shù)有限公司；常溫下喂養(yǎng)，保持充足的干凈飲水，每日食糧為體重的3%～5%，分上、下午兩次喂養(yǎng)。實驗過程符合國家及單位有關(guān)實驗動物的管理及使用規(guī)定。

1.2 實驗方法 采用自由場爆炸環(huán)境，周圍無障礙物。自由場爆炸實驗分別采用1 kg及3.5 kg圓柱形三硝基甲苯(trinitrotoluene，TNT)裝藥，在距地面1.5 m的高度進(jìn)行實驗，實驗過程中開展環(huán)境壓力、動物顱內(nèi)壓力測量。自由場爆炸實驗布置示意圖見圖1。首先將動物麻醉后，在顱內(nèi)放置壓力傳感器(昆山雙橋傳感器廠生產(chǎn)，精度0.5%，量程2 MPa)。此種壓力傳感器表面有孔，孔的朝向為壓力傳感器的測量方向。比格犬麻醉后，頂骨用顱鉆開顱，咬骨鉗擴(kuò)大骨孔，確保壓力傳感器能完全放入顱腔。比格犬兩側(cè)頂骨均鉆孔，一側(cè)顱內(nèi)壓力傳感器的孔垂直朝向腦組織表面，并緊貼腦組織，測量來自腦組織方向的壓力；另一側(cè)傳感器的孔垂直朝向顱骨，正對沖擊波波源，測量透過顱骨的沖擊波總壓(圖2、3)。傳感器放置完畢后，骨蠟封閉骨孔，嚴(yán)密縫合皮膚切口，以防止外界沖擊波從骨孔進(jìn)入腦內(nèi)對測量結(jié)果造成干擾。

圖1 動物自由場爆炸實驗布置示意圖Fig.1 Schematic layout of the animal free field explosion experiment

圖2 壓力傳感器(中間的孔是測量沖擊波的位置)Fig.2 Pressure sensor (shockwave altitude was measured through the borehole in the center)

圖3 鉆孔開顱放置壓力傳感器Fig.3 Borehole craniotomy to place the pressure sensor

然后，將比格犬按照工況參數(shù)的要求布置在距離爆源一定水平距離的位置上，動物均為臥姿，頭部正對爆源，以便測量沖擊波的正面沖擊強(qiáng)度。在與比格犬頭部相同的位置放置環(huán)境壓力傳感器，測量空氣中的沖擊波壓力，即測點距地面1.5 m，與爆源距離等同于比格犬頭部與爆源的距離，以便將同一測點外界沖擊波壓力與顱內(nèi)壓力進(jìn)行比較。

1.3 神經(jīng)功能評分 采用改良Tarlov評分法及大動物神經(jīng)功能評分法分別于爆后即刻、爆后3 h及爆后24 h進(jìn)行神經(jīng)功能評分。①改良Tarlov評分法。5分：行走正常；4分：可行走，僅有輕度障礙；3分：后肢可支持體重，能走1～2步；2分：后肢活動頻繁或有力，不能負(fù)重；1分：后肢可見活動，不能負(fù)重；0分：后肢無活動，不能負(fù)重。共分為四種狀態(tài)：優(yōu)(5分)、良(4分)、可(2～3分)、差(0～1分)。②大動物神經(jīng)功能評分法。從意識狀態(tài)、運動、肌張力、飲食、視力、疼痛反應(yīng)、排尿和排便8個方面分別計分。意識狀態(tài)：清醒(3分)、嗜睡(2分)、昏迷(1分)、深昏迷(0分)；運動：正常行走(3分)、跛行(輕癱)(2分)、不能站立(1分)、不動(0分)；肌張力：正常(3分)、增高(2分)、減弱(1分)、無張力(0分)；飲食：自己進(jìn)食(2分)、僅有進(jìn)食反應(yīng)(1分)、無反應(yīng)(0分)；視力：正常觀看(3分)、有視反應(yīng)(2分)、有瞳孔反應(yīng)(1分)、無(0分)；疼痛反應(yīng)：靈敏(2分)、遲鈍(1分)、無反應(yīng)(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)。根據(jù)以上8個方面的總分將神經(jīng)功能分為4種狀態(tài)：正常(18～20分)、獨立生存(13～17分)、人工飼養(yǎng)生存(8～12分)和瀕死(<7分)。

2 結(jié) 果

2.1 動物存活情況 18只比格犬經(jīng)空爆實驗后，1只在3.5 kg TNT空爆實驗中5 m水平爆距上死亡，余17只均存活。

2.2 自由場爆炸后比格犬改良Tarlov評分及大動物神經(jīng)功能評分 改良Tarlov評分顯示爆后即刻所有動物均為優(yōu)或良，其中優(yōu)7只，良10只；爆后24 h比格犬神經(jīng)功能逐漸恢復(fù)，優(yōu)14只，良3只(表1)。大動物神經(jīng)功能評分顯示所有動物評分均在13分(獨立生存)以上，隨著時間延長，爆后24 h，有13只比格犬的神經(jīng)功能正常(表2)。

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

表2 自由場爆炸后比格犬大動物神經(jīng)功能評分(n=17)Tab.2 Neurofunctional score of large animal after free field explosion (n=17)

2.3 自由場沖擊波和比格犬顱內(nèi)沖擊波壓力測量結(jié)果 外界環(huán)境沖擊波峰壓與爆源及爆炸距離有關(guān)，爆源當(dāng)量越大、距離越近，沖擊波峰壓越大。最大的外部沖擊波壓力峰值達(dá)207 kPa，平均122(47.6～210.8) kPa，最大沖擊波壓力沖量達(dá)88 Pa.s。比格犬顱內(nèi)來自顱骨方向及腦組織方向的峰壓均明顯小于外界峰壓，腦組織方向的峰壓低于顱骨方向的峰壓(表3)。顱骨方向的峰壓值(Y)與外界峰壓值(x)呈對數(shù)變化趨勢，計算所得公式為Y=28.04lnx－38.98，相關(guān)系數(shù)(R2)=0.804(圖4)。

2.4 比格犬顱內(nèi)沖擊波曲線特點 來自顱骨及腦組織方向的沖擊波壓力曲線先出現(xiàn)一個陡峭的正壓峰，隨后是一個平緩的負(fù)壓波，然后逐漸恢復(fù)至正常值。顱骨壓力測量曲線及腦組織壓力測量曲線走勢接近，但在腦組織的緩沖作用下，腦組織壓力測量曲線的量值較小且更為平滑(圖5)。

圖4 自由場爆炸實驗環(huán)境沖擊波壓力沖量與動物顱骨響應(yīng)峰壓的比較Fig.4 Relationship of the pressure impulse in free field explosion experiment and response peak pressure in animal crainum

表3 自由場沖擊波和比格犬顱內(nèi)沖擊波壓力測量部分結(jié)果Tab.3 Results of free field shockwave and pressure measurement of intracranial shockwave in Beagle dogs

圖5 自由場爆炸實驗動物顱內(nèi)壓力典型測量曲線(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 討 論

美國陸軍醫(yī)學(xué)研究和裝備司令部軍事職業(yè)醫(yī)學(xué)研究項目于2008年發(fā)布了經(jīng)典的顱腦爆震傷致傷因素分類。他們將顱腦爆震傷分為初級、二級、三級、四級及綜合性損傷，其中初級損傷是特有的損傷方式，與爆炸產(chǎn)生的沖擊波有關(guān)[6]。一般認(rèn)為，瞬時產(chǎn)生的高壓沖擊波在通過密度不同的界面時會發(fā)生壓力的突然改變，引起物質(zhì)的變形及損傷。沖擊波透過顱骨后，在顱骨與腦組織及腦脊液與腦組織界面會產(chǎn)生顱內(nèi)壓的突然改變，導(dǎo)致氣泡形成，造成腦組織穿透和空化、神經(jīng)通路傳輸中斷以及毛細(xì)血管損傷[7]。沖擊波在理想的自由場中的傳播最規(guī)律，沖擊波峰面呈規(guī)則的球形向周圍擴(kuò)散，波形也最規(guī)律，理想的爆炸沖擊波壓力曲線又稱為弗里德蘭德(Friedlander)曲線[8]。此前筆者對艙室內(nèi)的沖擊波進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)由于受到艙壁的阻擋，沖擊波傳播過程非常復(fù)雜，很難用現(xiàn)有的公式或計算機(jī)軟件進(jìn)行模擬[9-11]。因此，本研究選定空曠地形進(jìn)行爆炸，用最接近自由場的環(huán)境研究沖擊波對腦組織的影響，便于對結(jié)果進(jìn)行判讀。同時，對受試動物進(jìn)行固定，最大限度減少爆炸后產(chǎn)生的二、三、四級以及綜合性損傷，以減少對結(jié)果判讀的干擾。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以1 kg及3.5 kg TNT炸藥為爆源，在2～6 m的范圍內(nèi)，測得最大的外部沖擊波壓力峰值達(dá)到207(47.6～207) kPa，平均122 kPa，最大沖擊波壓力沖量達(dá)到88 Pa·s。比格犬顱內(nèi)來自顱骨方向的壓力測量曲線及腦組織壓力測量曲線走勢接近，沖擊波壓力峰值與同位置的外界沖擊波呈對數(shù)變化趨勢(相關(guān)系數(shù)=0.804)。來自腦組織方向的壓力曲線變化與外界變化趨勢也相近，但是壓力測量曲線的量值較小且更為平滑。18只比格犬死亡1只，其余比格犬均存活，24 h后Tarlov評分均為優(yōu)良，大動物神經(jīng)功能評分均為能獨立生存。

關(guān)于沖擊波對顱腦的影響機(jī)制，一般認(rèn)為沖擊波會造成顱骨的變形和反彈，這是引起腦組織空化的重要因素[12]。一些國外研究也證實沖擊波直接作用于頭顱，應(yīng)力波可通過顱骨腔隙或孔洞直接傳入顱內(nèi)[13-14]。但顱骨阻擋沖擊波的效果如何，國內(nèi)外鮮有報道。本研究使用大動物實爆方式對沖擊波進(jìn)行直接測量，能直觀地反映顱骨對沖擊波的阻擋作用。傳感器放置位置選擇在頂骨，在擺放動物體位時，頂骨正對爆源，這樣保證傳感器測量方向能正對沖擊波的傳播方向。結(jié)果發(fā)現(xiàn)顱骨對沖擊波有明確阻擋作用，且與外界沖擊波強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系變化。據(jù)此可以推測，不同動物(包括人類)顱骨對沖擊波都有一定的阻擋作用，但是數(shù)值關(guān)系可能受到顱骨厚度、形狀等因素的影響，存在一定差別。筆者認(rèn)為，沖擊波作用于人類顱骨時，應(yīng)該也存在類似相關(guān)性。這一發(fā)現(xiàn)將有助于簡化沖擊波致顱腦損傷的機(jī)制研究，也利于通過沖擊波強(qiáng)度推斷顱腦損傷程度，有助于在未來戰(zhàn)爭中推斷不同戰(zhàn)斗模式下的減員情況，提高衛(wèi)勤保障的精確性。

沖擊波能否通過全身途徑影響顱內(nèi)壓力也是學(xué)術(shù)界爭論的問題之一，雖然理論上推測沖擊波有可能通過對胸腹部空腔臟器積壓、血液震蕩等因素上傳至腦組織，產(chǎn)生破壞作用，但是缺乏直接證據(jù)。本研究發(fā)現(xiàn)來自腦組織方向的沖擊波變化與外界沖擊波有著相同的變化趨勢，說明外界沖擊波也能夠通過全身作用上傳至腦組織，產(chǎn)生影響。這也驗證了國外學(xué)者的結(jié)論[13-14]，即作用于胸腹部的沖擊波由于腦與軀干通過大血管及脊髓槽相連接而使爆炸沖擊波能量以彈性波的形式沿著血管傳入大腦；從波幅上觀察，抵達(dá)腦組織的波幅明顯低于來自顱骨方向的波幅，提示沖擊波自軀干傳至腦組織的過程中，由于受到身體組織的阻擋，波幅強(qiáng)度已經(jīng)有所減弱。另外，沖擊波對胸腹部的影響也與動物的體位有關(guān)[15]。本研究重點探討了顱骨對沖擊波的影響，因此所有的動物均是頭部正對爆源，一定程度上減弱了胸腹部直接受到?jīng)_擊的強(qiáng)度，可能也是造成胸腹部上傳至腦組織的波幅較低的原因之一。但是二者的曲線變化時限基本重合，說明透過顱骨的沖擊波及通過胸腹部的沖擊波幾乎同時抵達(dá)腦表面，提示胸腹部的沖擊波能直接傳至腦部，基本無延遲。有學(xué)者認(rèn)為，部分沖擊波能通過血管內(nèi)的彈性波傳至腦內(nèi)，但是由于后者的傳播速度慢，通常在沖擊波直接作用頭顱后才抵達(dá)顱內(nèi)。因此，如果存在血管彈性波因素，至少在波形曲線上應(yīng)有所反映，但本研究并未發(fā)現(xiàn)延遲出現(xiàn)的波形。據(jù)此推斷，外界沖擊波是否能從血管傳入顱內(nèi)仍存在一些疑問，需要更多研究進(jìn)行證實。

損傷程度與沖擊波強(qiáng)度關(guān)系密切，沖擊波強(qiáng)度越大，損傷半徑越大，損傷程度就越重，如當(dāng)量為10、20、30噸TNT爆炸物爆炸后的理論死亡半徑分別為39.6、51.2及59.5 m[16]。在沖擊波強(qiáng)度與死亡發(fā)生率關(guān)系的研究中，本次自由場爆炸實驗中共采用了18只比格犬，僅死亡1只，不排除麻醉藥物過量引起的死亡，其余受試比格犬均存活，存活率為94.44%。根據(jù)沖擊波超壓基本計算公式，當(dāng)沖擊波峰值超壓>0.1 MPa時，可造成死亡或致命傷[17]。但本研究發(fā)現(xiàn)，在沖擊波峰值超壓均值為122 kPa(0.122 MPa)的情況下，僅有1只比格犬死亡，且死亡犬距離爆源5 m，與理論推算的結(jié)果有較大差距。因此，在小當(dāng)量的爆炸中，致傷因素除了沖擊波，爆炸產(chǎn)生的各類碎片也是主要的殺傷因素，其殺傷半徑遠(yuǎn)大于沖擊波。另外，生物體還會產(chǎn)生二、三、四級及綜合性損傷，這些因素均可加重機(jī)體損傷。本研究為了盡量減少其他損傷因素的干擾，將現(xiàn)實爆炸中常見致傷因素的影響降低到最低水平，因此，動物損傷程度遠(yuǎn)低于實際爆炸的損傷也在情理之中。

本研究也有一些不足之處。首先，本研究的樣本量較小，得出的顱內(nèi)外壓力關(guān)系曲線可能不太精確。其次，選擇不同物種進(jìn)行研究得出的結(jié)論可能有所差別。比格犬的顱骨比人的顱骨薄，對沖擊波的阻擋作用相對較弱，因此，本研究的公式不能直接用于人體，只能為人體研究提供參考。最后，沖擊波對機(jī)體的影響機(jī)制復(fù)雜，不同體位得出的結(jié)論可能也會有所差別，由于本研究未對相關(guān)損傷機(jī)制及病理生理學(xué)變化進(jìn)行更細(xì)致的分析，尚需更多研究對本文結(jié)論進(jìn)行修正及補充。