柳占立，杜智博，張家瑞，嚴(yán)子銘，栗志杰，王 鵬，康 越，黃獻(xiàn)聰，馬 天，費(fèi) 舟，莊 茁

（1. 清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京 100084；2. 軍事科學(xué)院軍需工程技術(shù)研究所，北京 100010；3. 空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院，陜西 西安 710032）

1 研究背景

1.1 軍事及民用背景

研究顯示，全世界每年有超過(guò)5000 萬(wàn)人在從事軍事、工業(yè)生產(chǎn)、體育等活動(dòng)中發(fā)生創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury, TBI），約一半人口可能在一生之中會(huì)經(jīng)歷一次或多次創(chuàng)傷性腦損傷。新戰(zhàn)爭(zhēng)模式下，創(chuàng)傷性腦損傷激增，已成為“現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的特征性創(chuàng)傷”，其中以爆炸沖擊波所致顱腦創(chuàng)傷（blastinduced traumatic brain injury, bTBI）為最主要類型，如圖1 (a)所示。典型自由場(chǎng)爆炸沖擊波如圖1(b)所示：炸藥爆炸后產(chǎn)生巨大的能量，介質(zhì)受到?jīng)_擊壓縮形成沖擊波，溫度和壓力驟然升高形成不連續(xù)的超壓前端，壓力、密度和溫度在超壓峰值后按指數(shù)衰減直至負(fù)壓段，然后快速地向四周擴(kuò)散和傳播，造成周圍介質(zhì)的劇烈破壞；典型爆炸波作用時(shí)間為2～10 ms，超壓峰值在10～500 kPa 之間，波的頻率分布范圍為10～1000 Hz。爆炸沖擊波具有無(wú)孔不入的特點(diǎn)，即使士兵穿戴頭盔，也會(huì)因頭盔不能有效抵御、減緩沖擊波而導(dǎo)致士兵受到爆炸型腦損傷的威脅，患者可能會(huì)出現(xiàn)短暫的意識(shí)喪失、嚴(yán)重的昏迷等癥狀。研究還表明，一些服役人員在使用重型武器后，即使在允許的范圍內(nèi)，也會(huì)在言語(yǔ)記憶、視覺(jué)空間記憶和執(zhí)行功能方面出現(xiàn)認(rèn)知缺陷，而長(zhǎng)期受到低強(qiáng)度爆炸武器和肩射武器威脅的人，腦震蕩和腦震蕩后遺癥的發(fā)生概率更高。根據(jù)美國(guó)防務(wù)與老兵腦傷中心（defense and veterans brain injury center, DVBIC）的報(bào)告，在2000～2019 年，美軍中有413858 人診斷患有bTBI。伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)和阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)后，針對(duì)退伍軍人的流行病學(xué)研究顯示，bTBI 是導(dǎo)致創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（post-traumatic stress disorders，PTSD）發(fā)生的主要原因，而其帶來(lái)的藥物濫用、暴力傷人、抑郁、自殺等社會(huì)問(wèn)題，已經(jīng)引起全球范圍的廣泛關(guān)注。此外國(guó)內(nèi)重大爆炸事故時(shí)有發(fā)生：2015 年天津?yàn)I海新區(qū)8·12 ?；穫}(cāng)庫(kù)爆炸事故造成165 人遇難，798 人受傷；2019 年江蘇響水3·21 化工廠特大爆炸事故導(dǎo)致78 人遇難，617 人受傷；2020 年浙江溫嶺6·13 油罐車爆炸事故導(dǎo)致20 人遇難，24 人重傷，175 人入院。這些爆炸事故也導(dǎo)致事故中的幸存者和消防人員患有PTSD 等典型的bTBI 后遺癥，嚴(yán)重威脅了民眾的生命健康安全。因此，對(duì)bTBI 致傷機(jī)制和防護(hù)的研究在軍事和民用領(lǐng)域都具有重要意義。

圖1(a) 爆炸沖擊波引起顱腦損傷[9]Fig. 1(a) Traumatic brain injury caused by blast wave[9]

圖1(b) 爆炸沖擊波載荷特點(diǎn)Fig. 1(b) Characteristics of blast loading

爆炸引發(fā)的創(chuàng)傷性腦損傷可分為4 大類：（1）沖擊波經(jīng)由顱腦傳播的初級(jí)爆炸傷；（2）由破片或彈片引起的次級(jí)爆炸傷；（3）人體被拋出與環(huán)境中物體碰撞等相互作用引起的三級(jí)爆炸傷；（4）對(duì)面部、頭皮、呼吸道等部位引起的熱、化學(xué)及其他類型的四級(jí)爆炸傷。本文中主要闡述沖擊波直接作用導(dǎo)致的初級(jí)爆炸傷致傷機(jī)制。

1.2 bTBI 評(píng)級(jí)方法

bTBI 根據(jù)嚴(yán)重程度分級(jí)，通常采用行為學(xué)及如表1 所示的計(jì)算3 種狀況下的格拉斯哥昏迷評(píng)分總和（Glasgow coma scale，GCS）進(jìn)行評(píng)定。

表1 格拉斯哥昏迷評(píng)分Table 1 Glasgow coma scale (GCS)

腦震蕩/輕度腦外傷：24 h 以下的方向感迷失；30 min 以下的意識(shí)喪失；24 h 以下的記憶喪失；GCS≥13；不包括穿透型TBI；大多數(shù)不適用CT 掃描。

中度腦損傷：24 h 以上的方向感迷失；30 min 以上24 h 以下的意識(shí)喪失；24 h 以上7 d 以下的記憶喪失；GCS 為 8 或9～12；符合輕度腦損傷判據(jù)，但CT 異常；不包括穿透型TBI；結(jié)構(gòu)腦成像可能正?；虍惓?。

重度腦損傷：24 h 以上的方向感迷失；24 h 以上的意識(shí)喪失；7 d 以上的記憶喪失；GCS＜8～9；不包括穿透性TBI；結(jié)構(gòu)腦成像一般不正常。

穿透性TBI（開放性頭部損傷）：頭部受傷；頭皮、頭骨和硬腦膜穿透；高速?gòu)椡?、速度較低的物體（如刀具）、顱骨骨折骨碎片導(dǎo)致的穿透性傷害，傷口會(huì)在大腦內(nèi)部。

1.3 bTBI 與PTSD 的關(guān)系

過(guò)去十年中，創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）發(fā)病和顱腦損傷之間的相關(guān)性研究進(jìn)展很快，已經(jīng)證實(shí)無(wú)論對(duì)于參戰(zhàn)人員還是平民人群，顱腦爆炸傷（bTBI）是PTSD 發(fā)生的重要因素之一。然而，由于引起PTSD 的病變主要發(fā)生在高級(jí)情感皮層，所以顱腦損傷后PTSD 的發(fā)病機(jī)制一直未被闡明。顱腦損傷后PTSD 患者普遍會(huì)表現(xiàn)出明顯的認(rèn)知功能障礙，與大腦白質(zhì)異常有關(guān)，并在大多數(shù)時(shí)候伴有腦震蕩后遺癥。戰(zhàn)場(chǎng)上，單次或重復(fù)多次因爆炸引起的顱腦損傷，會(huì)對(duì)退伍老兵產(chǎn)生長(zhǎng)期的影響，其感覺(jué)功能在丘腦水平發(fā)生傳入神經(jīng)阻滯，可能導(dǎo)致注意力和興奮性降低，進(jìn)而發(fā)生漸進(jìn)性的認(rèn)知功能障礙。此類患者在關(guān)于認(rèn)知功能的大腦網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵區(qū)域聯(lián)接功能發(fā)生改變，因此可能表現(xiàn)出嚴(yán)重的分裂癥狀和認(rèn)知障礙。有研究者認(rèn)為，顱腦損傷可能直接通過(guò)損害調(diào)節(jié)恐懼的神經(jīng)回路導(dǎo)致PTSD 發(fā)生，輕度顱腦損傷使患者基底外側(cè)杏仁核復(fù)合體以及海馬體中的γ-氨基丁酸抑制劑——谷氨酸脫羧酶水平降低，引起大腦傾向于產(chǎn)生恐懼信息。此外，顱腦損傷后大腦處理應(yīng)激的反應(yīng)能力明顯下降，認(rèn)知能力減弱增加了PTSD 的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 小結(jié)

目前，初級(jí)顱腦爆炸傷發(fā)生機(jī)理尚不明確，bTBI 和PTSD 之間的關(guān)系尚未完全厘清，缺乏綜合、科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧餍胁W(xué)調(diào)研，這些都限制了針對(duì)顱腦爆炸傷的診治和防護(hù)技術(shù)發(fā)展。本文中將圍繞初級(jí)顱腦爆炸傷致傷機(jī)理、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、防護(hù)技術(shù)等問(wèn)題，系統(tǒng)介紹其研究現(xiàn)狀和相關(guān)成果。

2 初級(jí)顱腦爆炸傷致傷機(jī)制

理解bTBI 致傷機(jī)制是對(duì)其進(jìn)行診治和防護(hù)的基礎(chǔ)。bTBI 致傷機(jī)制研究是一個(gè)多學(xué)科交叉、跨多個(gè)時(shí)間和空間尺度的問(wèn)題：涉及到爆炸波氣體動(dòng)力學(xué)、人體動(dòng)力學(xué)、生物力學(xué)、生理學(xué)、以及一系列繼發(fā)性損傷和修復(fù)的生物物理學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科；在空間尺度上，從爆炸場(chǎng)景的米到大腦的厘米，到神經(jīng)元和軸突的微米，再到神經(jīng)元突觸的納米，跨越數(shù)個(gè)空間尺度量級(jí)；在時(shí)間尺度上，從頭部與沖擊波相互作用的微秒，到腦生物力學(xué)反應(yīng)的毫秒，到次要傷害和神經(jīng)修復(fù)的分鐘、小時(shí)乃至天，跨越數(shù)個(gè)時(shí)間尺度量級(jí)。

針對(duì)爆炸沖擊波作用下的初級(jí)顱腦創(chuàng)傷，目前主要通過(guò)力學(xué)建模與仿真、物理模型實(shí)驗(yàn)表征等方式來(lái)理解初級(jí)bTBI 發(fā)生的過(guò)程和對(duì)應(yīng)機(jī)理。從沖擊波載荷特點(diǎn)來(lái)看，沖擊波的超壓峰值、作用時(shí)間以及兩者對(duì)應(yīng)的能量輸入對(duì)于致傷起決定性作用：沖擊波與顱腦作用瞬間，應(yīng)力波超壓峰值可透過(guò)顱腦外層結(jié)構(gòu)或經(jīng)由眼、耳、口、鼻的傳播引起腦組織損傷；當(dāng)沖擊波經(jīng)過(guò)與皮膚、顱骨的相互作用后會(huì)產(chǎn)生較高的反射壓力，反射壓力作用導(dǎo)致顱骨彎曲變形，進(jìn)而將沖擊波能量輸入顱腦引起損傷；當(dāng)沖擊波能量進(jìn)入腦組織內(nèi)部后，腦組織內(nèi)部的非均質(zhì)性將產(chǎn)生明顯的阻抗失配，復(fù)雜的應(yīng)力波反射可在顱腦內(nèi)部形成負(fù)壓，產(chǎn)生空穴潰滅效應(yīng)，引起腦組織局部損傷；此外，由于胸腔被沖擊波壓縮引起的血涌會(huì)到達(dá)顱腦導(dǎo)致腦血管系統(tǒng)的損傷。下面將分別對(duì)幾種廣受關(guān)注的初級(jí)爆炸傷致傷機(jī)制進(jìn)行介紹。

2.1 波傳播機(jī)制

爆炸波能量可以直接通過(guò)眼、耳、鼻等器官傳播，從而引起顱腦內(nèi)壓的改變。在臨床研究中，眼、耳、鼻等感覺(jué)器官在爆炸中容易受傷，耳部的爆炸性損傷是比較常見的，包括鼓膜穿孔、聽骨損傷、內(nèi)外毛細(xì)胞丟失和出血、前庭和聽覺(jué)系統(tǒng)損傷。雖然已有研究表明耳部對(duì)于沖擊波傳播的方向非常敏感，但是，目前沒(méi)有證據(jù)證明沖擊波直接通過(guò)耳道造成顱內(nèi)壓的改變。鼻部也存在爆炸傷，但只有重度bTBI 患者伴有嗅覺(jué)功能障礙，而眼部爆炸傷通常與bTBI 并存。盡管目前還缺少證據(jù)證明沖擊波可以直接通過(guò)眼、耳、鼻傳播以改變顱內(nèi)壓，但眼、耳、鼻爆炸傷的直接臨床表現(xiàn)使得我們不能忽視對(duì)這些機(jī)制的探討。沖擊波對(duì)幾何形貌的變化非常敏感，耳道或竇腔的幾何形狀可能使波傳播復(fù)雜化，我們可以從沖擊波孔腔傳播的角度進(jìn)一步研究眼、耳、鼻對(duì)顱腦爆炸傷的影響。

此外，F(xiàn)ievisohn 等認(rèn)為沖擊波能量可以直接通過(guò)顱骨傳遞到大腦，導(dǎo)致腦損傷。相關(guān)研究提出，壓力波傳播至顱骨時(shí)，沿著顱骨的厚度方向產(chǎn)生壓應(yīng)力，進(jìn)而作用到內(nèi)部的腦脊液和大腦，載荷傳播的過(guò)程受到聲阻抗（材料密度與材料中聲速的乘積）影響影響。當(dāng)波從材料1 傳播到材料2 時(shí)，波的反射系數(shù) Λ和透射系數(shù) Λ表達(dá)式分別為：

式中：、為對(duì)應(yīng)材料1 和材料2 的聲阻抗。人體軟組織（除肺部外）具有與水相似的阻抗特性參數(shù)，骨骼的阻抗為水的5 倍，空氣的阻抗比水要低4 個(gè)數(shù)量級(jí)。理論上，由于高度聲阻抗失配，沖擊波的應(yīng)力幅值會(huì)在沖擊波由空氣進(jìn)入皮膚和顱骨時(shí)逐漸增加，Zhu 等模擬研究證明，皮膚的存在會(huì)導(dǎo)致沖擊波進(jìn)入顱腦的壓力幅值增加。但是從能量角度分析，沖擊波大部分的能量會(huì)由于阻抗失配被生物材料反射。這就導(dǎo)致從應(yīng)力幅值角度和能量角度分析，沖擊波進(jìn)入顱腦的情況完全相反，因而引發(fā)了相關(guān)研究者的爭(zhēng)議。下節(jié)介紹的顱骨變形機(jī)制將從另外一個(gè)角度闡述這一問(wèn)題。

2.2 顱骨變形機(jī)制

基于阻抗失配理論，空氣、顱骨、腦脊液與腦實(shí)質(zhì)的高阻抗失配使得絕大部分入射沖擊波能量被反射，而這一反射壓力比沖擊波的滯止壓力要高得多，增加了入射沖擊波在頭部的作用時(shí)間，相當(dāng)于沖擊波前沿在頭部施加了很大的沖擊力，在很短時(shí)間內(nèi)引起顱骨的局部彎曲變形，如圖2 所示。由于顱骨的幾何形狀復(fù)雜，沖擊波作用在顱骨表面的壓力隨時(shí)間及空間的變化也非常復(fù)雜：沖擊波前沿作用處，顱骨產(chǎn)生局部彎曲變形并會(huì)通過(guò)擠壓顱腦對(duì)沖擊波未到達(dá)區(qū)域的顱內(nèi)壓力產(chǎn)生影響；當(dāng)沖擊波前沿過(guò)后，顱骨發(fā)生局部振動(dòng)，顱骨的不斷內(nèi)凹和外凸會(huì)引起顱內(nèi)壓的正負(fù)交替變化，顱內(nèi)壓的變化會(huì)導(dǎo)致腦損傷。另外，壓力波的一部分可以反射出較低阻抗的邊界，從而產(chǎn)生拉伸反射波。拉伸波通常出現(xiàn)在沖擊對(duì)側(cè)，可以使沖擊對(duì)側(cè)出現(xiàn)腦挫裂傷。

圖2 顱骨彎曲變形過(guò)程[31]Fig. 2 Flexural deformation process of the skull[31]

顱骨局部振動(dòng)理論可以通過(guò)ICP（intracranial pressure）振蕩響應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證。Romba 等將壓力傳感器插入安樂(lè)死的靈長(zhǎng)類動(dòng)物的大腦中，在爆炸過(guò)程中測(cè)量顱內(nèi)壓，可以觀察到ICP 響應(yīng)和沖擊波入射壓力響應(yīng)不匹配。Moss 等通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)顱腦在爆炸沖擊波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了研究，可以觀察到顱骨出現(xiàn)局部動(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)，如圖3 所示。顱骨振蕩會(huì)在大腦中產(chǎn)生壓力梯度，而顱骨的彎曲變形與顱內(nèi)壓力的分布直接相關(guān)。Bolander 等利用應(yīng)變計(jì)和ICP 傳感器研究了麻醉大鼠在受到爆炸沖擊過(guò)程中的顱骨變形，發(fā)現(xiàn)爆炸過(guò)程中顱骨應(yīng)變數(shù)據(jù)與顱內(nèi)壓的振蕩保持一致，隨著爆炸壓力的增大，振蕩幅值也增大。顱骨應(yīng)變和ICP 數(shù)據(jù)的一致性表明顱內(nèi)壓力振蕩與顱骨變形有關(guān)。

圖3 顱骨振動(dòng)有限元模擬[35]Fig. 3 Finite element simulation of the flexural deformation of the skull[35]

Li 等基于歐拉-拉格朗日耦合方法，建立了爆炸沖擊波與人體頭部流固耦合的高精度有限元模型，模擬了頭部受到正面和側(cè)面沖擊波的響應(yīng)情況，如圖4 所示。通過(guò)分析顱骨和相鄰位置腦組織的振動(dòng)頻率，驗(yàn)證了沖擊波通過(guò)顱骨振動(dòng)傳遞沖擊波能量的致傷機(jī)制。

圖4 沖擊波正面作用時(shí)顱腦壓力云圖與顱骨變形云圖[37]Fig. 4 Nephograms of the brain pressure and skull displacement caused by the frontal impact of the blast wave[37]

2.3 空化效應(yīng)

由較大的正壓和較小的負(fù)壓組成的沖擊波通過(guò)空氣進(jìn)入到顱腦的腦脊液和腦組織中時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)使得氣泡生成并出現(xiàn)擴(kuò)大和坍塌的現(xiàn)象，被稱之為空化效應(yīng)。氣泡產(chǎn)生的原因有兩種可能性：一是腦脊液中存在溶解氣體，在低壓下顯現(xiàn)；二是由預(yù)先存在的微小氣泡引起。氣泡破裂時(shí)釋放能量，形成局部沖擊波，頻率和強(qiáng)度很高，其壓力可達(dá)15 MPa～2.5 GPa，比爆炸引起的超壓更高。氣泡破裂引起高速射流，撞擊組織形成高度局部化的組織變形和損傷。Panzer 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，爆炸產(chǎn)生的腦損傷和撞擊產(chǎn)生的腦損傷有明顯差異，認(rèn)為爆炸沖擊波引起的腦脊髓液（CSF）中的局部空化是引起bTBI 的重要因素；Cramer 等針對(duì)空穴效應(yīng)以及容易產(chǎn)生空穴效應(yīng)的類腦軟材料進(jìn)行了研究，探究了微型空穴效應(yīng)在bTBI 中的作用，并利用實(shí)時(shí)成像技術(shù)探究了不同應(yīng)變率加載下神經(jīng)元細(xì)胞的不同損傷模式。

Goeller 等通過(guò)把大腦抽象成一個(gè)橢球體（由顱骨、腦脊液、腦組織3 部分構(gòu)成），建立了如圖5 所示的兩種物理模型，利用限制單元負(fù)壓極限的方式模擬確定了空穴效應(yīng)的存在。Salzar 等利用如圖6 所示的直徑457 mm 的激波管模擬簡(jiǎn)易爆炸裝置(improvised explosive device， IED)沖擊波載荷（超壓范圍達(dá)到69～170 kPa，脈沖持續(xù)時(shí)間為2～4 ms），在另一端放置測(cè)試對(duì)象和測(cè)試儀器，用來(lái)測(cè)量橢球體模型對(duì)沖擊波激勵(lì)的響應(yīng)，利用每秒1 萬(wàn)幀的高速攝像機(jī)拍攝記錄，證實(shí)了在這兩個(gè)橢球體物理模型中的沖擊對(duì)側(cè)處都存在由空化而產(chǎn)生的氣泡，在時(shí)間上與負(fù)壓期一致，并且發(fā)現(xiàn)空化氣泡的破裂會(huì)導(dǎo)致局部壓力的顯著升高。

圖5 大腦橢球體模型的二維示意圖[43]Fig. 5 Two dimensional diagrams of the brain ellipsoid model[43]

圖6 直徑457 mm 的激波管示意圖[44]Fig. 6 The shock tube of 457 mm in diameter[44]

2.4 軀干壓縮

軀干壓縮理論為初級(jí)bTBI 提供了一個(gè)獨(dú)特的力學(xué)視角，因?yàn)樗簧婕皼_擊波與顱骨的相互作用，而是基于沖擊波與胸腔的相互作用。該理論假設(shè)當(dāng)胸腔和腹部暴露在沖擊波下會(huì)導(dǎo)致快速壓縮并引起血液流速加快，產(chǎn)生血涌，其可以通過(guò)軟組織和血管組織傳播。大血管中的血涌會(huì)導(dǎo)致血管體積激增，到達(dá)大腦并損傷更敏感的腦血管系統(tǒng)，從而會(huì)引起血管損傷、血管痙攣、缺血缺氧和腦出血。Chen 等對(duì)爆炸壓力波和腦損傷的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了總結(jié)：動(dòng)物傷口彈道學(xué)實(shí)驗(yàn)和軀干爆炸載荷的有限元模擬都證實(shí)了軀干壓縮引起的血涌會(huì)導(dǎo)致顱腦創(chuàng)傷，影響顱腦創(chuàng)傷形成的3 個(gè)重要因素是胸腔和顱腔的壓力差、向大腦傳播壓力波的血液介質(zhì)及腦血管和血腦屏障。

2.5 小結(jié)

目前普遍認(rèn)為波傳播和顱骨彎曲變形是造成初級(jí)bTBI 的兩種主要機(jī)制，但兩種機(jī)制間的關(guān)系尚存在混淆和爭(zhēng)議。Ganpule 等在激波管環(huán)境下重建了爆炸波的載荷條件，通過(guò)物理模型和數(shù)值模擬研究了沖擊波與顱腦的作用，發(fā)現(xiàn)模擬中將腦組織建模為低體積模量時(shí)顱內(nèi)壓響應(yīng)與顱腦外沖擊波響應(yīng)類似，具有快速上升緩慢下降的特征，更傾向于波傳播影響機(jī)制；將腦組織建模為高體積模量時(shí)顱內(nèi)壓呈高頻振蕩響應(yīng)，傾向于顱骨振動(dòng)變形機(jī)制。由此可以推知，波傳播機(jī)制與顱骨變形機(jī)制同時(shí)存在，但兩者對(duì)于顱內(nèi)壓力響應(yīng)的影響與顱內(nèi)的腦組織內(nèi)容物的狀態(tài)相關(guān)，同時(shí)波傳播機(jī)制與顱骨變形機(jī)制的特征時(shí)間雖具有一定差異，但兩者對(duì)顱內(nèi)壓的響應(yīng)影響存在耦合，需要針對(duì)特定問(wèn)題具體分析。

值得指出的是，近年來(lái)bTBI 致傷機(jī)理的研究已經(jīng)從宏觀組織層級(jí)的響應(yīng)拓展到細(xì)微觀細(xì)胞層級(jí)的響應(yīng)。從細(xì)胞層級(jí)來(lái)看，bTBI 作用的最重要靶點(diǎn)為神經(jīng)細(xì)胞，因而研究神經(jīng)細(xì)胞的相關(guān)損傷是bTBI 研究中重要的一環(huán)。Bain 等利用成年雄性豚鼠的視神經(jīng)的動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)確定了神經(jīng)纖維拉伸的形態(tài)學(xué)損傷極限應(yīng)變閾值和電生理學(xué)損傷極限應(yīng)變閾值分別為0.21 和0.18。Giordano 等利用這一神經(jīng)纖維拉伸應(yīng)變的閾值來(lái)辨別bTBI 的過(guò)程，通過(guò)聯(lián)系腦組織力學(xué)行為的各向異性和腦組織彌散張量的分?jǐn)?shù)各向異性建立了考慮神經(jīng)纖維走向的細(xì)觀力學(xué)模型，分析了神經(jīng)纖維走向?qū)τ赽TBI 顱腦建模中的重要性。Wright 等同樣利用神經(jīng)纖維拉伸應(yīng)變的閾值來(lái)評(píng)判顱腦的彌散性軸突損傷，利用考慮軸突結(jié)構(gòu)的模型確定了旋轉(zhuǎn)加速度與軸突損傷的相關(guān)性。這些研究都從神經(jīng)細(xì)胞層次建立了bTBI 與細(xì)胞損傷的關(guān)聯(lián)，表明引入神經(jīng)纖維對(duì)于bTBI 研究的模型精細(xì)化和宏微觀致傷模型的建立具有重要意義。因此，bTBI 的深入系統(tǒng)研究需建立如圖7 所示的多尺度模型，考慮不同尺度間的耦合效果，全面考慮爆炸載荷對(duì)于全身、頭部的作用，顱腦內(nèi)部致傷區(qū)域特征以及腦組織局部神經(jīng)細(xì)胞的微觀受損情況。

圖7 研究bTBI 的多尺度數(shù)值模型[51]Fig. 7 Multi-scale numerical model for bTBI study[51]

3 bTBI 的力學(xué)和生物學(xué)評(píng)估指標(biāo)及方法

前文綜述了初級(jí)bTBI 研究中比較受關(guān)注的幾種致傷機(jī)制，為了評(píng)估bTBI 損傷的程度及頭部裝備防護(hù)效果，還需建立與特定致傷機(jī)制或局部損傷形式相關(guān)的力學(xué)及生物學(xué)評(píng)估指標(biāo)體系，通過(guò)發(fā)展特定爆炸載荷條件下的數(shù)值模型、物理模型及生物模型來(lái)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)是否達(dá)到損傷閾值，并利用動(dòng)物模型受到爆炸沖擊后得到的生物學(xué)、醫(yī)學(xué)指標(biāo)來(lái)評(píng)估對(duì)應(yīng)的損傷。

3.1 力學(xué)評(píng)估指標(biāo)

從生物力學(xué)角度分析，bTBI 是顱腦多層結(jié)構(gòu)與爆炸波等物理環(huán)境的一系列復(fù)雜的力學(xué)相互作用的結(jié)果，故此過(guò)程中相關(guān)力學(xué)參量可以作為驗(yàn)證致傷機(jī)制、評(píng)估致傷等級(jí)的指標(biāo)。常見的力學(xué)指標(biāo)可以與特定的致傷機(jī)制或特定局部損傷形式相關(guān)聯(lián)。

爆炸沖擊波的短時(shí)作用可以引起顱腦的局部損傷，如圖8 所示。波傳播效應(yīng)中由于腦組織內(nèi)部阻抗失配及顱腦界面的反射會(huì)引起局部腦組織的撕裂；空化效應(yīng)可以在負(fù)壓區(qū)域形成局部微小的腦損傷。顱骨彎曲振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)區(qū)域及內(nèi)部的腦組織和血管的損傷；軀干壓縮效應(yīng)可以在腦組織內(nèi)部的毛細(xì)血管產(chǎn)生損傷。因而頭部致傷的局部效應(yīng)可以通過(guò)與致傷相對(duì)應(yīng)的顱外自由場(chǎng)壓力、顱內(nèi)壓、顱骨變形、顱腦相對(duì)位移、軸突變形等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

圖8 損傷分類Fig. 8 Damage classification

爆炸沖擊波沖量的長(zhǎng)時(shí)作用會(huì)引起顱腦的整體運(yùn)動(dòng)，形成顱腦的平動(dòng)加速度和角加速度。平動(dòng)加速度可以引起顱骨和腦組織擠壓從而形成腦挫傷，角加速度可以引起顱內(nèi)的剪切變形從而導(dǎo)致彌散性軸突損傷及局部血管的撕裂。因而頭部致傷的整體效應(yīng)可以利用與致傷相對(duì)應(yīng)的加速度、顱內(nèi)壓、剪切應(yīng)力應(yīng)變等相關(guān)指標(biāo)來(lái)評(píng)估。

針對(duì)上述爆炸沖擊波的局部效應(yīng)和整體效應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)，常通過(guò)對(duì)照模擬和實(shí)驗(yàn)中指標(biāo)測(cè)定值與真實(shí)爆炸條件或激波管條件下顱腦損傷生理結(jié)果建立概率相關(guān)性，從而得到對(duì)應(yīng)的閾值。顱內(nèi)壓對(duì)應(yīng)的損傷閾值是超壓大于235 kPa 時(shí)認(rèn)為產(chǎn)生重度損傷，小于173 kPa 時(shí)認(rèn)為無(wú)損傷或是輕微損傷。針對(duì)剪切變形的情況，可以采用Mises 應(yīng)力達(dá)到15 kPa 作為損傷起始閾值。針對(duì)軸突細(xì)胞層次的響應(yīng)，可以采用2.5 節(jié)所闡述的軸突拉伸應(yīng)變閾值進(jìn)行評(píng)估。近年來(lái)，Garcia-Gonzalez 等通過(guò)彌散張量成像（diffuse tensor imaging, DTI）得到軸突走向，進(jìn)而定義軸突細(xì)胞變形相關(guān)的拉伸、剪切能量率作為致傷力學(xué)指標(biāo)。

由于爆炸波與顱腦的作用機(jī)制復(fù)雜，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段很難獲得顱腦動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)細(xì)節(jié)，因而常通過(guò)數(shù)值模擬研究bTBI 致傷力學(xué)指標(biāo)，分析顱腦的響應(yīng)及評(píng)估爆炸沖擊波作用下頭盔對(duì)于顱腦的防護(hù)效果。Li 等建立了精細(xì)的顱腦數(shù)值模型，利用耦合歐拉-拉格朗日方法重建了爆炸載荷條件，通過(guò)對(duì)比剪切大變形區(qū)域和高顱內(nèi)壓梯度區(qū)域，確定了腦組織的剪切損傷與顱-腦相對(duì)切向位移關(guān)聯(lián)，而與顱內(nèi)壓及其變化無(wú)關(guān)，建立了以腦剪切應(yīng)變、Mises 應(yīng)力為指標(biāo)判斷彌散性軸突損傷和腦挫傷兩種bTBI 損傷形式的評(píng)估方法。此外，Garcia-Gonzalez 等根據(jù)顱腦的數(shù)值計(jì)算，將常見致傷閾值計(jì)算結(jié)果與通過(guò)行為學(xué)實(shí)驗(yàn)分析得到的大腦受損和未受損區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，得到致傷閾值的相關(guān)性，認(rèn)為剪切能量率與灰質(zhì)損傷最為相關(guān)，軸突拉伸能量率與白質(zhì)損傷最為相關(guān)，如表2 所示。

表2 致傷閾值相關(guān)性[54]Table 2 Correlation of the injury threshold[54]

最終，通過(guò)組織和細(xì)胞層次的致傷指標(biāo)和閾值可以獲得用于評(píng)估損傷等級(jí)及指導(dǎo)防護(hù)裝備設(shè)計(jì)的耐受載荷譜。目前被廣泛接受的沖擊波超壓耐受限值是采用Bass 等提出的基于大量生物實(shí)驗(yàn)的人體肺部和頭部沖擊波超壓的耐受曲線，如圖9 所示。但是目前這個(gè)耐受曲線僅是多次動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)值，并沒(méi)有深入探究其與人體顱腦內(nèi)部組織損傷和細(xì)胞損傷的關(guān)聯(lián)。Courtney 等針對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了補(bǔ)充，提供了與胸腔壓縮機(jī)制和加速度機(jī)制對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果，但仍需更多的數(shù)據(jù)才可以形成完整的曲線。

圖9 人體頭部及肺部沖擊波超壓耐受曲線[60]Fig. 9 Shock wave overpressure tolerance curves of the human head and lungs[60]

3.2 基于物理模型的測(cè)試評(píng)估方法

基于人體的bTBI 實(shí)驗(yàn)研究具有倫理學(xué)和醫(yī)學(xué)上的難度，很難多次重復(fù)開展。因此，為了能夠測(cè)量力學(xué)指標(biāo)，經(jīng)常采用物理模型代替真實(shí)人體開展爆炸實(shí)驗(yàn)。物理模型中常依據(jù)現(xiàn)有的力學(xué)指標(biāo)體系，發(fā)展測(cè)試裝置，得到可測(cè)物理指標(biāo)，形成測(cè)試系統(tǒng)。

栗志杰等基于大腦各組分力學(xué)性能，建立了如圖10 所示的高仿真度人體頭頸部物理模型，能夠更真實(shí)地模擬各部分組織器官在爆炸沖擊波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，捕捉相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律。其中測(cè)試指標(biāo)包括：顱內(nèi)壓、顱骨應(yīng)變和加速度。壓力測(cè)量系統(tǒng)采用微型防水壓力傳感器進(jìn)行顱內(nèi)壓力測(cè)量，其諧振頻率高達(dá)1 MHz，有效工作頻率為0～200 kHz，滿足爆炸等極端工況下的壓力測(cè)量工作要求。壓力傳感器主要布置在前額、顱頂、枕部、腦部左右側(cè)與中間部位，保證沿頭部前后方向、頭部左右方向、沿顱骨前后方向、顱骨左右方向都有3 個(gè)顱內(nèi)壓力測(cè)點(diǎn)，從而可以得到顱內(nèi)壓力在不同方向上的演化過(guò)程。應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的布設(shè)位置與壓力傳感器的位置是一致的，粘貼在顱骨的外邊面上，測(cè)量特定位置處兩個(gè)垂直方向上的應(yīng)變。加速度測(cè)量系統(tǒng)主要布置在直接受沖擊的顱骨外表面處，如正面沖擊時(shí)的前額、側(cè)面沖擊時(shí)的頭部側(cè)面，具體位置與壓力傳感器相對(duì)應(yīng)。

圖10 高仿真頭頸部模型主要傳感器的布置（清華大學(xué)）[62]Fig. 10 Sensor layout on the high-fidelity head and neck model (Tsinghua University)[62]

圖11 展示了高仿真頭頸部模型與激波管模擬爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為避免激波管口氣流紊亂對(duì)頭部響應(yīng)產(chǎn)生干擾，將物理頭部模型盡量置放于接近激波管出口位置，以形成穩(wěn)定的平面爆炸沖擊波。通過(guò)對(duì)比利用紋影裝置測(cè)量及流固耦合數(shù)值模擬計(jì)算的流場(chǎng)壓力分布，驗(yàn)證了激波管條件下重建的沖擊波壓力的合理性。

圖11 高仿真頭頸部模型與激波管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[62]Fig. 11 High-fidelity head and neck model and shock tube experimental platform[62]

盡管采用激波管實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的方法成本較低，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)爆方式得到的結(jié)果更準(zhǔn)確，采用裸露炸藥產(chǎn)生爆炸沖擊波直接作用于物理模型，可以得到更精確的力學(xué)指標(biāo)。Nemat-Nasser 等通過(guò)制作全尺寸的頭-頸部物理模型并進(jìn)行實(shí)爆實(shí)驗(yàn)，對(duì)沖擊波防護(hù)進(jìn)行定性研究。腦組織采用陶氏康寧公司的Sylgard 527 硅膠制成，壓力傳感器和加速度傳感器通過(guò)單絲尼龍線固定在顱腔或者顱底，在澆筑過(guò)程中直接將其封裝在腦組織代替物中。為了滿足每種測(cè)試條件，需要制作兩個(gè)頭部物理模型，一個(gè)用來(lái)測(cè)量顱內(nèi)壓力，另一個(gè)用來(lái)測(cè)量加速度。最終將頭-頸部物理模型置放于爆炸裝置一側(cè)，以PCB 傳感器測(cè)試自由場(chǎng)壓力，如圖12 所示。

圖12 實(shí)爆實(shí)驗(yàn)布置情況[63]Fig. 12 Layout of the explosion experiment[63]

此外，由于頭部精細(xì)結(jié)構(gòu)建模比較困難，也有學(xué)者采用簡(jiǎn)化的物理頭部模型來(lái)監(jiān)測(cè)頭部受到的沖擊波載荷大小。Li 等采用具有頭部外形的實(shí)心模型（即無(wú)內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)）研究爆炸沖擊波與頭部的流固耦合作用，如圖13 所示。通過(guò)測(cè)量頭部不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化，分析沖擊波與頭部作用后流場(chǎng)壓力的變化規(guī)律，揭示前額、眼部、耳部等處較大壓力場(chǎng)的形成機(jī)理。并以頭部表面超壓作為指標(biāo)評(píng)估頭部受到的傷害大小，即更大的流場(chǎng)壓力對(duì)應(yīng)更嚴(yán)重的頭部損傷。

圖13 頭部壓力監(jiān)測(cè)位置[63]Fig. 13 Head pressure monitoring positions[63]

如2.5 節(jié)所述，bTBI 研究跨多個(gè)時(shí)間和空間尺度，因此在實(shí)驗(yàn)研究中，可以根據(jù)所關(guān)注問(wèn)題的不同，選用不同精度的頭部物理模型。如側(cè)重研究沖擊波在顱內(nèi)的瞬時(shí)傳播過(guò)程，需要選用高精度頭部物理模型；如果只關(guān)注作用在頭部表面的沖擊波大小，則可以采用簡(jiǎn)化的頭部模型；如果關(guān)心頭部長(zhǎng)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，則需要采用考慮頸部生物力學(xué)特點(diǎn)的頭頸部模型。

3.3 動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)及生物指標(biāo)

除了數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn)研究外，學(xué)者們根據(jù)bTBI 損傷類型也設(shè)計(jì)并開展了大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，用于觀察bTBI 的生物學(xué)損傷效果。

Liu 等利用不同尺寸的微型球形炸藥對(duì)大鼠進(jìn)行不同損傷程度的bTBI 實(shí)驗(yàn)，如圖14 所示，并從神經(jīng)功能、宏觀病理學(xué)、組織病理學(xué)及各種生物標(biāo)志物表達(dá)水平方面建立了可靠且可重復(fù)的bTBI 模型及損傷特征指標(biāo)。Rubovitch 等通過(guò)將一排大鼠頭朝炸點(diǎn)的方式放置在開放爆炸場(chǎng)中，以此來(lái)研究爆炸對(duì)于大鼠頭部的沖擊波致傷效應(yīng)，如圖15 所示。Davidsson 等利用爆炸管的方式模擬具有特定超壓峰值和持續(xù)時(shí)間的爆炸沖擊波，用于定量研究小鼠的創(chuàng)傷性腦損傷效果。Risling 等利用由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的激波管在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下穩(wěn)定地模擬爆炸沖擊波，并采用防護(hù)材料包裹非靶點(diǎn)部位的方法來(lái)研究小鼠頭部在無(wú)溫度效應(yīng)的沖擊波下的創(chuàng)傷情況。Cheng 等利用電雷管作為爆炸源，將大鼠固定在一個(gè)特別設(shè)計(jì)的艙內(nèi)，艙內(nèi)有一個(gè)可調(diào)節(jié)的孔，顯示頭部暴露在爆炸中的額葉、頂葉和枕葉，眼睛、耳朵、嘴巴和鼻子受到艙內(nèi)保護(hù)，如圖16 所示，評(píng)估了爆炸傷的生理學(xué)、神經(jīng)病理學(xué)和神經(jīng)行為學(xué)影響。

圖14 爆炸性顱腦損傷（bTBI）模型的細(xì)節(jié)[65]Fig. 14 Details of the model of explosive brain injury (bTBI)[65]

圖15 爆破實(shí)驗(yàn)裝置[66]Fig. 15 Blasting experimental device[66]

圖16 大鼠頭部暴露的位置[67]Fig. 16 Location of rat head exposed [67]

在動(dòng)物模型的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中常采用4 種生物或醫(yī)學(xué)指標(biāo)。包括生理學(xué)指標(biāo)：觀察動(dòng)物腦組織病變(水腫、出血、炎性浸潤(rùn)等)；行為學(xué)指標(biāo)：觀察行為學(xué)變化(僵立反射、熱板、拒俘、曠場(chǎng)、水迷宮、高架迷宮)；分泌物指標(biāo)：神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)(血漿糖皮質(zhì)激素、地塞米松抑制等)，見表3；形態(tài)學(xué)指標(biāo)：從形態(tài)學(xué)(大體、組織、細(xì)胞)定量分析新型材料的防護(hù)效果。

表3 bTBI 常見醫(yī)學(xué)指標(biāo)[71]Table 3 Common medical indexes of bTBI[71]

3.4 小結(jié)

力學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)是驗(yàn)證致傷機(jī)制、評(píng)估顱腦損傷程度的重要手段，對(duì)bTBI 診治及防護(hù)具有重要意義。在指標(biāo)的測(cè)試過(guò)程中，盡管數(shù)值模型、物理模型與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)都存在各自的局限性，但可互為補(bǔ)充，形成一套綜合評(píng)估方法。此外，致傷指標(biāo)和閾值的確定和驗(yàn)證需要結(jié)合大量的人體生理學(xué)和醫(yī)學(xué)的數(shù)據(jù)，從數(shù)值模擬、物理模型和動(dòng)物模型得到的數(shù)據(jù)均具有一定的誤差，需要進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)篩選和比對(duì)才能得到適用范圍更廣、與真實(shí)更符合的致傷指標(biāo)和閾值。

4 bTBI 防護(hù)

4.1 防護(hù)原理與策略

前面幾節(jié)針對(duì)bTBI 致傷機(jī)制、評(píng)估指標(biāo)及評(píng)估方法的研究是開展bTBI 防護(hù)研究的基礎(chǔ)。應(yīng)力波傳播和顱骨局部變形是沖擊波能量進(jìn)入顱腦的兩種主要方式。應(yīng)力波傳播機(jī)制側(cè)重于爆炸沖擊波在顱腦傳輸過(guò)程中所造成的傷害，而顱骨局部變形通過(guò)引起腦組織體積變形與剪切變形致使顱腦發(fā)生損傷。這兩種機(jī)制共同作用造成顱腦損傷，需要在顱腦防護(hù)中綜合考慮。同時(shí)，在后續(xù)頭部整體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，顱骨與內(nèi)部腦組織之間的慣性差異會(huì)對(duì)顱腦造成進(jìn)一步的損傷。顱腦形心與質(zhì)心的不完全重合，以及沖擊波作用方向的隨機(jī)性，使得頭部整體運(yùn)動(dòng)分成平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分別通過(guò)平移加速度和旋轉(zhuǎn)角加速度進(jìn)行度量，這兩種加速度可以作為評(píng)估顱腦生物防護(hù)效應(yīng)的重要力學(xué)指標(biāo)。

頭盔是顱腦防護(hù)的主要裝備，以防彈功能為主的頭盔一般并沒(méi)有考慮防沖擊波功能。研究表明，爆炸沖擊波會(huì)通過(guò)繞射進(jìn)入頭盔與頭部之間的間隙，并在這一狹小空間范圍內(nèi)發(fā)生反射疊加效應(yīng)，致使其峰值壓力急劇增大。針對(duì)上述問(wèn)題，可通過(guò)增加防護(hù)系統(tǒng)本身的封閉性，盡量避免沖擊波通過(guò)繞射的形式進(jìn)入頭盔與頭部之間的間隙區(qū)域，從而發(fā)生聚集效應(yīng)。另一方面，通過(guò)改進(jìn)防護(hù)系統(tǒng)中的減震與吸能裝置，可以增大沖擊波在傳輸路徑上的能量轉(zhuǎn)化、分散與耗散，從而顯著降低沖擊波進(jìn)入顱腦的能量強(qiáng)度。需要注意的是，為保證戰(zhàn)場(chǎng)上士兵的機(jī)動(dòng)性，頭盔系統(tǒng)質(zhì)量不宜過(guò)重。最后，通過(guò)對(duì)比不同防護(hù)下的損傷指標(biāo)評(píng)估防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)是否有效，判定防護(hù)裝備設(shè)計(jì)是否滿足戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)要求。

4.2 防護(hù)設(shè)計(jì)

4.2.1 選用新型吸能材料

在頭盔系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用能有效衰減沖擊波能量的新型吸能材料，有望提高防護(hù)系統(tǒng)的生物防護(hù)效果。目前廣受關(guān)注的材料有率敏感高分子彈性體、力學(xué)超材料、微納米復(fù)合材料等。

Lee 等進(jìn)行的以聚脲/聚氨酯彈性體為主要研究對(duì)象的聚合物能量耗散機(jī)理研究顯示，要實(shí)現(xiàn)對(duì)較寬頻段沖擊波超壓的防護(hù)，需采用多結(jié)構(gòu)相的復(fù)合材料，這種材料能夠做到多次吸收沖擊波能量而保持材料基本性能?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，Sarva 等對(duì)具有多尺度結(jié)構(gòu)單元的聚合物材料在較高應(yīng)變率下的壓縮特性和能量吸收性能進(jìn)行了研究，由于聚合物在高應(yīng)變率下有著獨(dú)特的力學(xué)行為，將其作為結(jié)構(gòu)的保護(hù)涂層，在高速率加載事件中能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力。這些材料包括：利用具有剪切增稠特性的流體進(jìn)行改性的聚氨酯彈性體；在多層熱塑彈性體結(jié)構(gòu)中加入由甘油、水等液體構(gòu)成的流體層；采用微米級(jí)的玻璃微珠以及碳納米管進(jìn)行熱塑彈性體的改性；加入微米級(jí)的夾雜（包括改性的玻璃微珠或堿石灰顆粒），與高分子基體形成共振型超材料衰減沖擊波能量等。

Pontalier 等討論了顆粒材料衰減爆炸沖擊能量的機(jī)制，通過(guò)形成復(fù)雜的顆粒層，使材料能夠在受到?jīng)_擊時(shí)誘導(dǎo)顆粒振動(dòng)以及加熱間隙內(nèi)的氣體，從而達(dá)到衰減能量的目的。Grujicic 等在美軍新型作戰(zhàn)頭盔ACH（advanced combat helmet）的基礎(chǔ)上，引入了高聚物材料聚脲作為頭盔懸掛襯墊、襯里以及外殼的涂層，進(jìn)一步優(yōu)化了ACH 抵抗沖擊波的能力。研究采用實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方式，使用0.275 kg的彭托利特炸藥在1.07 和1.22 m 處對(duì)頭部進(jìn)行沖擊，以顱內(nèi)壓、沖量、加速度為量化指標(biāo)。結(jié)果表明，在1.22 m 的情況下，在標(biāo)準(zhǔn)的ACH 保護(hù)下顱內(nèi)壓由未受保護(hù)狀態(tài)下的100 kPa 降低至83 kPa，在有聚脲涂層的ACH 保護(hù)下降低至67 kPa，同時(shí)其他指標(biāo)也均有不同程度的降低。這表明涂有2 mm 聚脲內(nèi)襯的頭盔具有更好的防護(hù)沖擊波效能，如圖17 所示。

圖17 不同頭盔的防護(hù)效能[78]Fig. 17 Protection effectiveness of different helmets[78]

Jenson 等也通過(guò)數(shù)值模擬討論了一種基于新型材料改進(jìn)的防護(hù)系統(tǒng)，即Kevlar 和碳納米管復(fù)合材料的頭盔模型，他們采用腦組織的應(yīng)變能密度作為防護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。在頭部前方0.8 m 處模擬3 種不同等級(jí)的爆炸，分別為0.038、0.093、0.227 kg 的TNT 爆炸，比較了不同構(gòu)型下大腦前部的最大主應(yīng)力。在0.227 kg 的TNT 爆炸下，相比未受保護(hù)時(shí)的4.5 kPa 應(yīng)力，ACH 將最大主應(yīng)力減小至3.4 kPa，而Kevlar 和碳納米管復(fù)合材料頭盔保護(hù)下最大主應(yīng)力減小至3.1 kPa。碳納米管增強(qiáng)型的ACH 頭盔獲得了更好的沖擊波能量衰減效果。

4.2.2 改進(jìn)頭部緩沖系統(tǒng)

除采用新材料外，研究者還考慮改進(jìn)頭盔緩沖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)bTBI 的防護(hù)。Singh 等對(duì)比研究了不同載荷強(qiáng)度下，不同緩沖系統(tǒng)對(duì)沖擊波的防護(hù)效果，研究中使用的有限元模型是在頭部矢狀面和冠狀面兩個(gè)垂直平面上的模型，如圖18 所示。矢狀面和冠狀面模型配備了不同的頭盔懸掛系統(tǒng)材料，分別為高密度和低密度的聚乙烯泡沫。結(jié)果顯示，在4 m 遠(yuǎn)的載荷作用下，沒(méi)有泡沫襯墊比裝備泡沫襯墊的顱內(nèi)正壓降低4%；而在3 m 遠(yuǎn)的載荷作用下，沒(méi)有泡沫襯墊比裝備泡沫襯墊的顱內(nèi)正壓增高4%，如圖19所示，因此泡沫材料對(duì)顱內(nèi)正壓幾乎沒(méi)有影響。這是因?yàn)殡S著爆炸載荷強(qiáng)度的增加，頭盔和頭部之間反射壓力（非線性）的影響增大。兩種模型的顱內(nèi)負(fù)壓在沒(méi)有泡沫襯墊的情況下最低，在高密度泡沫的情況下最高。在頭部加速度峰值方面，對(duì)矢狀面模型，在無(wú)泡沫情況下，4 m 載荷作用下頭部加速度略有降低，3 m 載荷作用下頭部加速度略有增加；在冠狀面模型中，高密度泡沫導(dǎo)致頭部加速度最大，其次是低密度泡沫，然后是無(wú)泡沫的情況。通過(guò)分析可知，如果沒(méi)有襯墊，經(jīng)過(guò)泡沫的傳輸路徑將被消除，因此主要傳輸路徑是通過(guò)面部組織。但是，沖擊波能夠在頭盔和頭部之間的空間傳播和反射，這導(dǎo)致顱內(nèi)壓在沿大腦頂葉和枕葉區(qū)域適度增加。這項(xiàng)工作的主要局限性在于只用了平面模型，缺乏三維效應(yīng)，這會(huì)影響大腦顱內(nèi)壓的準(zhǔn)確性。另外，由于這項(xiàng)研究只關(guān)注顱內(nèi)壓和頭部加速度在大腦內(nèi)的峰值，而沒(méi)有關(guān)心這些指標(biāo)在顱腦內(nèi)分布區(qū)域位置及分布區(qū)域大小，因此研究結(jié)果還存在一定的局限性。

圖18 頭部矢狀面和冠狀面以及頭盔構(gòu)形[80]Fig. 18 The vertical plane and coronal plane of the head, as well as the helmet configuration[80]

圖19 泡沫材料對(duì)矢狀面和冠狀面模型的影響[80]Fig. 19 Influences of the foam material on the sagittal model and coronal plane model[80]

此外，Zhang 等更詳盡地研究了懸掛系統(tǒng)襯墊對(duì)于降低頭部載荷的作用。研究采用簡(jiǎn)化的三維頭部模型，包括4 個(gè)主要部分：皮膚、顱骨、腦脊液和大腦。結(jié)果顯示，頭部前方受爆炸沖擊時(shí)，是通過(guò)皮膚將主要的載荷傳遞到頭部。對(duì)于懸掛系統(tǒng)，隨著泡沫襯墊厚度的增加，波峰到達(dá)時(shí)間相應(yīng)延遲，而懸掛系統(tǒng)襯墊厚度的增加也會(huì)使波峰減小，脈沖寬度增大，如圖20 所示。另外，泡沫硬度的增加，使得應(yīng)力峰值和到達(dá)時(shí)間均減小，且應(yīng)力峰值趨于平穩(wěn)，如圖21 所示。結(jié)論表明，懸掛系統(tǒng)泡沫襯墊可以減輕爆炸載荷。泡沫襯墊延遲了壓力峰值的到達(dá)時(shí)間，使沖擊波變?yōu)榫徛仙膲嚎s波。

圖20 不同厚度泡沫墊的應(yīng)力時(shí)程曲線[81]Fig. 20 The time history of stress in the foam pads of different thicknesses[81]

圖21 不同性能泡沫墊中應(yīng)力的時(shí)間歷程[81]Fig. 21 The time histories of stress in the foam pads with different properties[81]

Valverde-Marcos 等研究了排爆頭盔在不同爆炸載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)，如圖22 所示。這種頭盔除了在頭部封閉性較好外，還在頭部四周設(shè)計(jì)了包裹性較好、覆蓋面積較大的雙層襯墊系統(tǒng)防護(hù)爆炸傷。襯墊包括硬質(zhì)襯墊和軟質(zhì)襯墊兩種。排爆頭盔對(duì)681 mm 距離下100 g TNT 爆炸載荷有良好的防護(hù)效果。裝備排爆頭盔降低了損傷評(píng)估指標(biāo)的最大值：在大腦重心處，加速度降低了80%；以頭部傷害標(biāo)準(zhǔn)（head injury criterion, HIC）為指標(biāo)，降低了95%；以顱內(nèi)壓（intracranial pressure, ICP）為指標(biāo)，降低了70%，小腦應(yīng)變降低了60%。研究表明：排爆頭盔降低了士兵受傷的嚴(yán)重程度，在相同的載荷條件下，不戴頭盔的士兵極有可能致死或受到嚴(yán)重傷害；而穿戴頭盔的士兵受到傷害的概率降低，且傷害是輕微和局部的。

圖22 排爆頭盔模型[82]Fig. 22 Explosive ordnance disposal helmet model[82]

4.2.3 面部補(bǔ)充構(gòu)型設(shè)計(jì)

上述研究主要基于防護(hù)材料與懸掛系統(tǒng)對(duì)原有頭盔進(jìn)行改進(jìn)，沒(méi)有增加對(duì)面部的防護(hù)功能。由于沖擊波在眼部凹陷區(qū)的反射疊加，眼部所承受的沖擊波壓力峰值會(huì)放大3～4 倍，從而對(duì)脆弱的眼部組織造成嚴(yán)重威脅。為了避免沖擊波直接作用于面部組織，研究者提出了增加面部補(bǔ)充構(gòu)型的解決方案。

Rodríguez-Millán 等通過(guò)頭盔、眼部防護(hù)裝置，以及下顎部防護(hù)裝置等組件的相互組合（頭盔+眼部防護(hù)裝置、頭盔+下顎部防護(hù)裝置和頭盔+眼部防護(hù)裝置+下顎部防護(hù)裝置），研究了不同防護(hù)組合對(duì)爆炸沖擊波的防護(hù)效果，如圖23 所示。該研究分別選用顱內(nèi)壓、腦主應(yīng)變、腦剪切應(yīng)變、Mises 應(yīng)力作為顱腦損傷指標(biāo)，評(píng)價(jià)不同裝備的防護(hù)效果：以腦主應(yīng)變和腦剪切應(yīng)變作為損傷指標(biāo)，在3 種防護(hù)組合（頭盔+眼部防護(hù)裝置、頭盔+下顎部防護(hù)裝置和頭盔+眼部防護(hù)裝置+下顎部防護(hù)裝置）下，顱腦都不會(huì)發(fā)生損傷；而采用顱內(nèi)壓與Mises 應(yīng)力的損傷閾值進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，顱腦則容易出現(xiàn)損傷。圖24 中對(duì)比顯示了不同防護(hù)裝置組合的防護(hù)效果，兩個(gè)防護(hù)裝置（眼部防護(hù)裝置與下顎部防護(hù)裝置）與頭盔結(jié)合所構(gòu)成的防護(hù)組合（完整保護(hù)系統(tǒng)）具有最優(yōu)的防護(hù)效果。而單個(gè)防護(hù)組件與頭盔結(jié)合的防護(hù)組合，對(duì)應(yīng)的防護(hù)效果并不理想。完整保護(hù)系統(tǒng)可以使顱內(nèi)壓力降低至無(wú)保護(hù)系統(tǒng)的五分之一，對(duì)應(yīng)的顱骨Mises 應(yīng)力最大值為12 MPa，遠(yuǎn)小于顱骨破壞的閾值65 MPa，防止了顱骨裂縫的出現(xiàn)。通過(guò)增加封閉式的防護(hù)構(gòu)型，阻斷爆炸沖擊波與頭面部之間的直接作用過(guò)程，并基于防護(hù)系統(tǒng)的變形、運(yùn)動(dòng)以及其他機(jī)制對(duì)沖擊波能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移、耗散，從而顯著降低顱腦損傷程度。

圖23 全系統(tǒng)頭部防護(hù)（頭盔+眼部防護(hù)裝置+下顎部防護(hù)裝置）[53]Fig. 23 Full system head protection (helmet + visor + mandibular shield)[53]

圖24 不同頭部防護(hù)組合的效果對(duì)比[53]Fig. 24 Comparison of the effects of different head protection combinations[53]

Tse 等基于多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的防護(hù)面罩構(gòu)型如圖25 所示。由于多層復(fù)合材料的阻抗不匹配特性，可進(jìn)一步提升防護(hù)面罩對(duì)爆炸沖擊波的防護(hù)效果。該研究對(duì)比分析了無(wú)防護(hù)面罩、單層聚碳酸酯防護(hù)面罩、含有0.6 mm 厚氣凝膠的3 層聚碳酸酯防護(hù)面罩、含有1.2 mm 厚氣凝膠的3 層聚碳酸酯防護(hù)面罩和5 層聚碳酸酯-氣凝膠防護(hù)面罩等5 種結(jié)構(gòu)形式對(duì)bTBI 的防護(hù)效果，以顱內(nèi)壓、顱骨的Mises 應(yīng)力作為損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)。防護(hù)面罩能增強(qiáng)頭盔的防護(hù)效應(yīng)，對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)均能明顯改善，如圖26 所示。其中，5 層防護(hù)面罩的防護(hù)效果最優(yōu)，對(duì)應(yīng)的額葉區(qū)顱內(nèi)壓由153.5 kPa 衰減到109.9 kPa，頂葉區(qū)顱內(nèi)壓由154.4 kPa 衰減至109.8 kPa，衰減幅度達(dá)30%。

圖25 裝備多層防護(hù)面罩頭盔的仿真模型[83]Fig. 25 Simulation model of helmet equipped with a multi-layer face shield[83]

圖 26 面部結(jié)構(gòu)防護(hù)效果對(duì)比[83]Fig. 26 Comparison of the facial protective effects[83]

上述研究表明，在頭部防護(hù)系統(tǒng)中引入面部補(bǔ)充結(jié)構(gòu)并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)提高頭盔的沖擊波防護(hù)性能具有重要作用。

4.3 小結(jié)

由于目前頭盔對(duì)爆炸載荷下的頭部防護(hù)能力不足，需要根據(jù)bTBI 致傷機(jī)制對(duì)現(xiàn)有頭部保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與補(bǔ)充，通過(guò)力學(xué)評(píng)估指標(biāo)，如顱內(nèi)壓力、顱骨應(yīng)變、加速度等，評(píng)估防護(hù)系統(tǒng)的有效性。防護(hù)研究以沖擊波致顱腦損傷的載荷或能量傳遞路徑入手，對(duì)頭部進(jìn)行全面、封閉性的保護(hù)，一方面，從波傳播機(jī)制入手，盡可能減小沖擊波對(duì)頭部的直接作用效果，另一方面，從顱骨變形和加速度機(jī)制入手，將機(jī)械能量在空間和時(shí)間上均勻化，從而達(dá)到降低峰值的效果。具體來(lái)說(shuō)，目前對(duì)于頭部防護(hù)系統(tǒng)的改善主要集中在對(duì)于結(jié)構(gòu)和材料的改進(jìn)，并通過(guò)添加防護(hù)構(gòu)件，阻斷沖擊波與頭面部之間的直接作用路徑。

在材料改進(jìn)方面，主要采用聚脲、聚氨酯彈性體、Kevlar 和碳納米管復(fù)合材料等新型材料來(lái)提高頭盔的防爆性能。此外，通過(guò)在頭盔與頭部之間增加緩沖吸能裝置（如泡沫墊塊）、懸掛網(wǎng)狀系統(tǒng)等，減少頭盔等保護(hù)組件施加于頭部的載荷。雖然通過(guò)對(duì)材料和緩沖系統(tǒng)的改進(jìn)取得了一定的防護(hù)效果，但并沒(méi)有完全解決bTBI 的防護(hù)問(wèn)題。僅采用頭盔保護(hù)的最大問(wèn)題在于將面部的大面積區(qū)域暴露于爆炸場(chǎng)中，與爆炸沖擊波發(fā)生直接作用，這對(duì)于降低腦損傷是極為不利的。為解決這個(gè)問(wèn)題，需要添加面部防護(hù)組件，增加頭部防護(hù)系統(tǒng)的密閉性。在頭部保護(hù)系統(tǒng)封閉性較強(qiáng)的情況下，流場(chǎng)施加的外載絕大部分都作用在頭盔上，此時(shí)，頭盔與頭部之間的減振和緩沖系統(tǒng)的改進(jìn)效果會(huì)更加顯著?？傊枰喾N手段相結(jié)合，如上述研究中同時(shí)利用面部防護(hù)和材料改進(jìn)，才能提升頭部保護(hù)系統(tǒng)的綜合防護(hù)效能，實(shí)現(xiàn)多個(gè)損傷指標(biāo)如顱內(nèi)壓、加速度等同時(shí)都有較大的衰減，有效降低爆炸載荷下的頭部傷害。

5 總結(jié)和展望

系統(tǒng)綜述了近年來(lái)在顱腦爆炸傷致傷機(jī)制、評(píng)價(jià)方法和防護(hù)設(shè)計(jì)3 方面的研究進(jìn)展。在研究手段上，由于倫理學(xué)要求，人體爆炸載荷試驗(yàn)難以開展，因此必須發(fā)展數(shù)值模擬、物理模型實(shí)驗(yàn)、臨床病理學(xué)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法。數(shù)值模擬需要建立高精度流固耦合模型以反映爆炸沖擊波與顱腦的復(fù)雜相互作用過(guò)程。物理模型實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是制備具有顱腦生理特征、類腦軟材料的頭部模型。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方面最重要的是建立爆炸載荷下動(dòng)物腦損傷與人腦損傷的對(duì)照關(guān)系。在3 種研究手段中，數(shù)值模擬為物理模型實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，物理模型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝌?yàn)證數(shù)值模擬的合理性，兩者均可與病理學(xué)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成對(duì)照。綜合利用這3 種研究手段可以理解爆炸沖擊波與顱腦的作用過(guò)程，揭示沖擊波顱腦致傷的機(jī)制，通過(guò)3 種手段的對(duì)照可以形成與醫(yī)學(xué)致傷評(píng)級(jí)結(jié)合的力學(xué)評(píng)估指標(biāo)和閾值模型。最終，以致傷機(jī)制和損傷閾值模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)新型防護(hù)結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)新一代防護(hù)裝備。

在顱腦爆炸傷致傷機(jī)制方面，詳細(xì)介紹了波傳播、顱骨變形、空化、軀干壓縮等致傷機(jī)制。在這些機(jī)制中究竟哪一種機(jī)制主導(dǎo)了腦部傷害，目前的研究還沒(méi)有給出統(tǒng)一結(jié)論。其中應(yīng)力波傳播、顱骨彎曲變形等應(yīng)該作為研究重點(diǎn)。此外，還給出了與致傷機(jī)制對(duì)應(yīng)的包括顱骨應(yīng)變、顱內(nèi)壓、加速度等相關(guān)力學(xué)指標(biāo)和閾值模型。

在防護(hù)策略方面，基于上述提到的波傳播、顱骨變形、加減速所導(dǎo)致的顱腦損傷機(jī)制，提出了頭部防護(hù)系統(tǒng)改進(jìn)的方案，具體包括：基于新型防護(hù)沖擊波材料的頭盔系統(tǒng)改進(jìn)；選擇緩沖系統(tǒng)材料和設(shè)計(jì)頭盔系統(tǒng)；增加頭部保護(hù)系統(tǒng)的封閉性，添加面部補(bǔ)充構(gòu)型，避免頭面部與流場(chǎng)的直接作用。

如前所述，bTBI 研究是涉及多學(xué)科交叉、多物理場(chǎng)耦合及短時(shí)和長(zhǎng)時(shí)效應(yīng)共存的復(fù)雜問(wèn)題。目前，該領(lǐng)域研究中尚存在諸多問(wèn)題需要深入探討，包括以下幾個(gè)方面。

（1）顱腦爆炸傷的多尺度研究。目前的研究大都在較為宏觀的尺度下進(jìn)行，而bTBI 本身是多尺度問(wèn)題，需要在不同尺度、不同層次描述顱腦力學(xué)、生理學(xué)等行為，比如需要考慮軸突走向的層級(jí)、神經(jīng)損傷的生理過(guò)程，以及各個(gè)尺度下大腦的損傷發(fā)展過(guò)程。

（2）致傷指標(biāo)及閾值的精確測(cè)量和驗(yàn)證。目前針對(duì)致傷指標(biāo)和閾值的測(cè)試和驗(yàn)證都基于局部力學(xué)量的空間粗略測(cè)量，若要獲得更可靠的驗(yàn)證，需要采用更高分辨率的體內(nèi)或原位測(cè)量，這對(duì)數(shù)值模型的精度及物理模型的測(cè)試方法提出了更高的要求。

（3）致傷機(jī)制、評(píng)估及防護(hù)的一體化研究?；赽TBI 致傷機(jī)理研究，建立“沖擊波-頭盔-顱腦”流固耦合作用物理模型和防護(hù)效果評(píng)估模型，構(gòu)建面向bTBI 的測(cè)試評(píng)估平臺(tái)，研發(fā)一體化綜合防護(hù)裝備。

（4）頭部保護(hù)系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)研究。頭部保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，質(zhì)量和便攜性是設(shè)計(jì)上的限制。在設(shè)計(jì)中需要確認(rèn)質(zhì)量設(shè)計(jì)的上限，為設(shè)計(jì)提供具體的范圍。另外，由于頭部保護(hù)的重要性和質(zhì)量限制，可以通過(guò)頭部保護(hù)系統(tǒng)和身體保護(hù)系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)突破質(zhì)量限制，比如采用將頭盔系統(tǒng)支撐于肩部的方式，提高士兵頭部保護(hù)系統(tǒng)質(zhì)量上限，對(duì)于頸部也會(huì)起到更好的保護(hù)作用。