冲击波对人体的影响与损害

1.3.1.1　直接损伤

国内外学者深入研究了冲击波对生物的损伤效应,在冲击波损伤规律、损伤机理、生物的伤情特点等方面取得了重要的研究成果。

早在第一次世界大战时,人们就已经意识到冲击波会造成人体内伤,但尚不清楚内伤产生的原因。第二次世界大战期间,美国和瑞典等国先后开展了冲击波致伤理论的研究,对冲击波损伤效应有了初步认识。20世纪50年代,美国开始对冲击伤进行较为系统的研究,成为冲击伤实质性研究的开始。1968年,Bowen等基于大量动物实验数据建立起冲击波损伤病理学数据库,绘制出了预测肺损伤的Bowen损伤曲线。接着Bass、Gruss和Voort等基于大量动物实验数据和模拟数据对Bowen损伤曲线进行了修正,绘制出修正Bowen损伤曲线。Stuhmiller等建立了冲击波对人体肺脏的损伤评估模型,并以冲击波对肺脏做功为损伤程度评价指标,开发出损伤评估软件——INJURY。Jönsson等提出胸壁最大变形速度是预测肺损伤的关键参数,得到肺脏轻伤阈值为5 m/s,重伤阈值为10 m/s。Johnson和Yelverton等提出用胸壁最大向内运动速度来进行损伤评估,临界损伤速度为3～4.5 m/s,1%致命损伤速度为8～12 m/s,50%致命损伤速度为12～17 m/s。Axelsson等基于Johnson和Yelverton等的研究基础,建立了冲击波创伤效应与冲击波之间的联系,并对胸壁运动速度的界定进行了修正,得出胸壁运动速度与ASII(Adjusted Severity of Injury Index)创伤评分之间的关系。D'Yachenko等开发出冲击波在肺组织中传播的线性模型,确定了冲击波参数与肺水肿之间的关系。Lashkari等采用数值模拟方法研究了爆炸特征和身体取向等因素对人体损伤程度的影响,发现身体呈45°角时,人体的损伤程度最低。Lichtenberger等基于数值模拟得出胸腔周围压力场和胸腔内应力场的分布情况,并提出冲击波超压损伤准则。法国滑铁卢大学的研究人员先后研究了爆炸冲击波造成的肺损伤,提出冲击波损伤准则的适用条件。Richmond等给出了体重70 kg的人员在不同冲击波正压持续时间下的不同死亡率所对应的冲击波超压阈值。

20世纪50年代,我国陆续开展冲击伤的研究。王正国等先后研究了冲击伤的发生情况、病理情况、致伤机理、诊断治疗和个体防护等内容,并于1983年出版国际上第一部冲击波损伤的研究专著《冲击伤》,填补了我国冲击伤研究的空白,奠定了冲击伤研究的基础。周杰等模拟了平面冲击波对人体躯干的损伤过程,建立了用于评估爆炸冲击波肺损伤的人体胸部动力学模型。康建毅等采用动物实验和数值模拟方法研究了复杂冲击波对生物的损伤规律,建立了复杂爆炸环境下的冲击波损伤准则。秦俊华基于爆炸冲击波对人体的创伤评估理论,开发出爆炸冲击波对人体的创伤效应评估软件。高明德根据头部损伤准则(Head Injury Criterion,HIC)研究了爆炸冲击波对HybridⅢ50th假人有限元模型(LSTC公司开发)的损伤情况。王新颖等基于爆炸冲击波对羊的毁伤实验,获得爆炸冲击波作用下羊的超压-冲量损伤曲线及其表达式。陈渝基于人体胸部模型,研究了爆炸冲击载荷下人体胸部的力学响应。杨春霞模拟了爆炸冲击波对羊肺脏的损伤过程,并通过动物实验验证了有限元模型的有效性。

冲击波对动物损伤效应的实验研究虽然能通过解剖动物尸体推测冲击波的损伤机理,但无法描述冲击波在生物体内的传播过程,对于生物体内各种器官组织对冲击波的响应的研究更是有限。由于物种及个体的差异性,基于动物实验得到的冲击波损伤准则无法准确评估冲击波对人体的损伤,不同损伤准则具有非常明显的差异性。假人实验可以在一定程度上反映冲击波对人体的物理损伤,但无法反映生理指标的变化,很难直接评判损伤严重程度。此外,由于假人模型价格昂贵、易损坏,很难在毁伤性实验中大规模使用。

1.3.1.2　后钝性损伤(www.xing528.com)

防爆服是一种用于防护爆炸冲击波对人体伤害的装备,主要用于爆炸环境中人员的防护。当冲击波作用于穿防爆服的人体后,人体在冲击波和防爆服的双重冲击作用下而出现的损伤即为防爆服后钝性损伤(Behind Explosion-proof Blunt Trauma,BEBT)。防爆服后钝性损伤产生的原因有:冲击波可能透过防爆服直达内脏,造成人体内脏破裂出血和七窍流血等损伤;防爆服与人体之间存在一定的间隙,其中的空气会受到强烈压缩作用而产生高压,从而对人体造成损伤;防爆服对人体强烈的冲击作用而造成损伤。

防爆服按照防爆材料的不同可以分为软质防爆服和硬质防爆服。软质防爆服具有抗高压、耐高温、舒适性好、不产生二次破片、不影响人员活动等优点,广泛应用于爆炸冲击波的防护,但其防爆效果不及硬质防爆服,且容易造成严重的防爆服后钝性损伤。硬质防爆服能够有效降低破片、冲击波和高温对人体的伤害,防护区域大,但其重量大、舒适性差,会影响人员的行动。防爆服保护人体免受冲击波伤害的前提是防爆服变形不能过大,如果产生较大变形,则人体内脏必然受到严重损伤。因此,易变形的软质防爆服无法有效降低冲击波对人体的损伤,反而会呈现出加重人体损伤的趋势。

目前还没有统一的标准来检测防爆服的防护性能,常用的检测方法是基于防爆服前后的冲击波能量梯度获得防爆服对冲击波能量的衰减率,从而判定防爆服的防爆性能。但该检测方法忽略了透过防爆服的冲击波对人体的损伤,以及防爆服对人体的冲击损伤。因此,该方法只适合检测防爆服对冲击波的防护能力,而不适用于评价防爆服对人体的防护效果。

早在20世纪70年代,就有人将石膏和塑料用于个体防护,尽管能有效衰减冲击波,但对人体的防护效果不佳,且很难应用于实际防护。20世纪80年代,泡沫材料也被用于个体防护,但其防护效果也不佳。1986年,Phillips发现在爆炸环境中穿软质防爆服将会增加发病率和死亡率。后来,Phillips等以凯夫拉(Kevlar)纤维为防爆材料,对两组(各6只)穿防爆服和不穿防爆服的绵羊进行爆炸毁伤实验,发现不穿防爆服的绵羊有2只死亡,而穿防爆服的绵羊中有5只死亡,因而得出软质防爆服不仅起不到防护作用,反而会加重肺损伤的结论。因此,他提出需要在软质防爆服与人体之间设置一层缓冲层,用于削弱冲击波对人体的钝性冲击作用。Thom研究了防爆材料对原发性冲击伤的影响,发现软质防爆材料(纤维)有加重肺损伤的趋势,而软硬复合防爆材料(纤维+陶瓷)起到了较好的防护效果。Rodríguez-Millán等研究了爆炸冲击作用下戴防爆头盔的人体头部的力学响应,发现仅对局部区域防护的防爆装备不足以减轻爆炸性脑损伤,而完整的防爆装备可将颅内压降低5倍,并确保头骨不发生骨折。