李怀东综述， 陈良安审校

(1.解放军第八十八医院呼吸科，山东泰安 271000;2.解放军总医院呼吸科，北京 100853)

爆炸(炸药、炸弹、锅炉、煤气等)是一种极为迅速的伴有巨大能量释放的化学反应过程，瞬间形成高温高压的气体疾速膨胀形成多个压缩波，多个压缩波的重叠就形成了冲击波或爆轰波(blast wave)。冲击波超压直接作用于机体所造成的损伤称为原发冲击伤或爆震伤(blast injury)［1］。近年来，世界上局部冲突频发，恐怖事件、日常突发事件(如煤气、煤矿瓦斯爆炸等)不断增多，暴露在爆炸物爆炸产生的冲击波已经成为平民和军事人员日益增加的威胁［2，3］，尤其现代战争和恐怖袭击中爆炸性武器导致冲击伤的发生率30%～50.4%［4］，已成为战时致残、致死的重要原因之一，是军事医学和灾害医学实验的研究重点。自第一次世界大战以来，国外已广泛开展研究多种动物冲击波致伤模型及致伤机理、作用的实验研究。我国自70 年代开始进行冲击伤实验研究，至今已经取得了多项具有世界先进水平的科研成果［5］。建立冲击伤实验动物模型的关键是模拟冲击波的发生，也是进一步研究冲击伤机理、作用、特点、诊治的前提。早期建立冲击伤模型是使用烈性炸药产生冲击波来致伤实验动物，随着技术的发展，模拟冲击波生成的装置取代烈性炸药应用到动物实验研究中。烈性炸药产生冲击波造模仅在爆炸伤模型或用炸药驱动冲击波装置中使用。目前，国内外绝大多数实验产生冲击波使用两种方法:炸药产生冲击波、模拟冲击波生成装置产生冲击波。与此相应建立致伤模型模拟实验有两种:炸药致伤造模实验和模拟冲击波造模实验。冲击伤实验动物从猴、牛、驴、山羊、绵羊、猪、狗等大动物到猫、兔、大鼠、小鼠等小动物，还有果蝇幼虫(第三龄期)等昆虫［6－8］。致伤造模时，猴等大型动物使用固定用具和绳索等固定，而较小的动物放置在特别设计的开放的金属笼里或金属板上。致伤动物不仅使用活体动物，而且采用离体器官、组织及细胞进行冲击伤实验［9］［10］。随着实验研究设备的精密和完善，冲击伤研究的重点也从损伤后的病理生理学表现、安全性阈值和预测模型方面，转向冲击伤的分子机制方面。

1 炸药致伤造模实验

在实验动物一定距离引爆TNT 炸药或雷管产生冲击波致伤的方法。爆炸产生的是真实冲击波场，这是早期采用的简单致伤造模方法，目前除了主要用在水下冲击伤模型及冲击伤复合伤(如爆炸伤)模型的建立外，已被生物模拟冲击波代替。炸药致伤造模实验分两种:炸药直接致伤造模和炸药间接致伤造模。

国内炸药直接致伤造模实验有:瞬发电雷管致伤模拟实验、爆炸球致伤模拟实验、爆轰塔致伤模拟实验。第一种方法是室外场地冲击伤复合伤模型的建立。如肺冲击伤造模使用8#瞬发电雷管作为爆炸源，能产生高速破片和冲击波。动物(大鼠)左侧卧位于爆炸架下，右侧胸部正对爆心，橡胶护具保护腹部及头部，雷管长轴与致伤动物右侧第四肋间平行，二者之间的垂直距离为8～12 cm［11］。第二种方法目前主要用于水下冲击伤模型的建立。将TNT球形炸药(不同质量、直径、密度)放入网兜中并扎紧，上端悬挂于固定的钢丝上，入水深度为1～3 m，雷管引爆。动物(狗)静脉麻醉后，颈部用自制漂浮夹具固定，头露出水面，胸腹及四肢浸没水中，垂直漂浮，分别布放于距爆心不同距离处，面向爆心。水下0.3 m 处离爆心不同距离布放压力传感器。进行水下爆炸致伤［12］。也有学者用于离体器官组织爆炸伤模型的建立［13］。将TNT 球形炸药(依据实验要求选取不同质量如0.5、1.0、2.0 g)垂直挂在不同分组的动物离体头(羊)的0.5、1.0、2.0、4.0 cm 的上方，致伤部位朝向爆炸球，聚偏二氟乙烯压力量表放置在距离爆炸源0.5、1.0、2.0、4.0 cm 的不同方向上，电流引爆致伤。第三种方法是用于室内致伤模型的建立。爆轰塔为半径3 m 半球形全封闭钢制建筑，内置自由场压力传感器及动态测试仪。爆轰塔内将动物(兔、犬等)胸骨中点固定于距离地面1 m 处。爆炸源距地面高度、压力传感器距地面高度也均为1 m，动物胸骨中点正对爆炸源。以黑索今(RDX)药柱作为爆炸源，采用8 号铜壳电雷管起爆。起爆后，迅速排除有害气体［14］。炸药直接致伤模拟实验具有简单方便，不需要专门设备等优点，但耗费人力、财力较大，试验参数不够稳定，准确性、重复性较差。破坏作用使得精密仪器使用受限、进行病理和生理观察受限。

炸药间接致伤造模方法是将炸药与专用设备相结合模拟动物局部或特殊部位致伤的实验。炸药在专用的设备内引爆，产生的冲击波通过设备的管道对管口的实验动物致伤造模。如颅脑冲击伤专用装置(cranium only blast injury apparatus，COBIA)。该装置中心部分是一个22 号口径、单发射、炸药启动设备。这个设备由使用定制的组合机架固定垂直。产生的冲击波直接向下进入冲击波消散室(blast dissipation chamber，BDC)，准确作用在该室与固定的实验啮鼠动物颅脑接触面上。BDC 是由不同长度的聚氯乙烯管制造，不同尺寸的BDC 可调节传递到实验动物头部的冲击波超压的强度。无烟炸药通过22 号口径铜质弹药筒发射产生冲击波致伤实验鼠。该方法是经验证的唯一可重复使用的爆炸波直接作用于颅脑而没有通过胸部机制间接导致颅脑并发症的新模拟模型［15］。

2 模拟冲击波致伤造模实验

真实冲击波场受环境因素、仪器设备、可控性、可利用性、重复性等影响，不适合实验室的研究。模拟冲击波发生装置成为冲击伤模拟实验研究的发展方向。目前使用产生冲击波的装置有生物激波管装置、激光冲击波发生装置等。

2.1 生物激波管致伤造模实验

目前应用最广和发展最成熟的模拟冲击波装置当属生物激波管技术。激波管是出现于19 世纪末一种气动力装置。自上世纪50 年代初至80 年代中期，Richman、Carroll 及Jaffin 等［16－18］先后报道，通过应用所研制的大、中、小型生物激波管，研究了不同压力峰值和不同正压作用时间条件下数种动物的致伤致死效应。这些生物激波管的主体是一根一定长度和直径的钢管，其中间由膜片隔开，而分成压缩舱和减压舱。通过在压缩舱充气加压，当达到一定压力时，膜片破裂而产生激波，依膜片的数量和厚度不同，可产生不同峰值的压力波。动物可布放于减压舱内或管口处，能模拟炸药爆炸或核爆炸冲击波而产生不同程度的致伤作用。国外生物模拟激波管装置种类繁多，主要采用压缩空气驱动激波管。较有名的冲击波发生装置是Elsayed 生物激波管、大鼠单一冲击波发生装置和Baker 实验室可扩充激波管装置。Elsayed 生物激波管是一个分成两部分的环形钢管，一个450 cm 的扩大室和一个75 cm 的压缩室。一个或多个特殊厚度的聚酯膜依据需要产生的压力放置在这两个室的中间，空气被压缩在压缩室直到聚酯膜破裂，冲击波产生和释放到管口。冲击波产生取决于所使用的聚酯膜的数量和厚度，借助于放置在管口和暴露区域的不同部位的压力－时间换能器定量化［19］。目前国外广为应用的大鼠单一冲击波发生装置，是对Jaffin 等［20］与Irwin 等［21］描述的装置改良部分元件以适合大鼠的实验研究。该装置分为两部分，上部分作为压力风缸，被50 μm MylarTM聚酯薄膜与下部的喷管隔离，压力风缸和贮藏压缩空气的桶相连。在这两个组件之间，一个电子释放高速阀门和一个减压阀放置在插入的13 个连接杆中。该冲击波发生器的喷管直接指向实验动物的胸部。通过打开高速阀，压缩空气被释放到冲击波发生器的上部的压力风缸，当压力超过这个聚酯薄膜的阻力，薄膜快速破裂冲向喷嘴，释放单一冲击波。喷嘴和动物胸部严格保持一定的距离(2 cm)，可控制实验动物的伤情严重程度［22－26］。Knöferl［23］认为该装置产生的标准化的冲击波，可导致孤立的、双侧肺、可复制且没有不明确的伴发损伤的肺冲击伤，其致伤模型更适合对大鼠进行广泛使用的免疫学研究工具。Baker 实验室可扩充激波管装置是开放式的激波管设备，包括一个圆柱形的驱动室(直径6 cm ×1.5 cm)从装有氮气的加压容器通过一个针孔打开注入加压。驱动室底座通过一个铝制的隔膜和旋出螺纹的支架密封。整个驱动系统安装在垂直上升/下降的支架中，可调整与爆炸源的不同距离使支架暴露在一系列冲击波压力下进行实验。达到一定的压力使隔膜破裂产生模拟冲击波致伤实验动物造模。可调整不同的压力及隔膜的厚度以满足不同的实验要求［27］。

国内使用生物激波管装置有:BST 系列生物激波管、改良型霍普金森杆装置、自立式高速锥阀技术激波管。BST 系列生物激波管是80 年代中期由中国科学院力学研究所与解放军第三军医大学野战外科研究所合作研制的在实验室用压缩空气模拟爆炸波进行实验的BST－1 型、2 型、3 型等不同规格的生物激波管［28］。其不用炸药就可模拟从爆竹到6 吨TNT 爆炸波的超压以及从火炮发射到万吨级核爆的正压时间。大型生物激波管(BST－I)产生的冲击波与真实冲击波接近，并可控制超压和负压峰值及其作用时间，而且其管端活动档板设计使之能模拟开阔地或有限空间内的爆炸冲击波。动物实验证明，能致大型动物轻、中、重度和当场死亡的冲击伤情，基本满足了炸药、常规军用弹和核弹爆炸冲击波的模拟要求。中型生物激波管(BST－II)为多功能组合式，能模拟高原环境爆炸、水下爆炸、爆炸性减压及高速气流撞击效应等情况下冲击波致伤条件。小(微)型生物激波管(BST－III)利用激波传播出管口后在空气中迅速稀疏而产生点源性爆炸冲击波，通过调节管口防护罩开孔直径和管口与受试动物之间的距离及方位，能进行定距离、定面积和定方位的冲击波致伤研究。为了探究冲击波负压成分的致伤作用，BST 激波管的创制者们研发了适用于中、小动物的负压模拟装置［29］。该装置可模拟化爆、核爆以及高空爆炸性减压条件的负压环境，重复性好，操作方便。由解放军第105 医院、解放军炮兵学院材料动力学实验室及洛阳立伟机械科技有限公司联合研制的改良型霍普金森杆装置。该装置是对材料力学研究专用设备的霍普金森杆进行改良成为一套冲击波发生装置，其基本原理类似于激波管［30］。该装置为水平卧式结构，主体是一根0.6 米的钢管，通过在压缩室充气加压，采用高压氮气驱动，当达到一定压力时，膜片破裂而产生激波。主要由储气设备、发射系统、冲击波测试分析系统三部分组成。实验时首先将储气瓶中的高压氮气通过阀门注入储气室，根据储气室的压力表可控制气源的压力。手动引发发射系统，通过破膜技术产生冲击波，致伤位于炮管出口处的动物。该装置通过调整驱动压、膜片的数量及厚度，可定量控制冲击波大小，并可直接记录输出压力波形。浣石等［31］人利用自立式高速锥阀技术研制新型的激波管，其完全开启时间小于2 ms，可克服破膜式激波管的不足，同时可提高实验效率，降低实验成本。各型生物激波管能有限模拟炸药爆炸或核爆炸冲击波，模拟各种复杂条件下冲击波对生物体的各种程度的损伤效应，可对动物进行从整体到微小局部的多种实验。数据收集容易、准确，具有稳定的可重复操作性。但是各种生物激波管都是采用破膜技术产生冲击波，受膜片厚度和开裂形状不规则的影响，冲击波压力不能连续调节，产生的冲击波其形状的一致性较差，使得实验结果比较分散。

2.2 激光模拟冲击波致伤造模实验

目前，使用激光技术产生模拟冲击波的装置有两种:激光驱动飞板模拟激波装置和激光诱导应激波装置。激光驱动飞板模拟激波装置用于超微结构细胞水平培养物模拟实验。由瑞典胡丁厄大学医院的麻醉和重症监护科改良使用的模拟激波管。应用激光驱动飞板技术(laser－driven flyer－plate technique)产生冲击波，在照射的管形瓶中能提高激光的释放。有很高的可重复性。在模拟冲击波作用下应用于受试细胞单层培养物能即时引起细胞损伤。使用相差和光学显微镜、计算机化形态测定法、免疫细胞化学、分光光度法、酶联免疫吸附试验等方法，该模型能可进一步从细胞、亚细胞水平来研究冲击波对细胞培养物的生物效应。该院进行内皮细胞单层培养物冲击波作用实验，观察到细胞膜损伤和细胞脱落［32］。激光诱导冲击波装置(laser－induced stress waves，LISWs)通过使用一个532 nm 光量开关的Nd:YAG 激光照射一个激光靶产生冲击波。激光靶是一个直径12.0 mm、厚0.5 mm 天然橡胶磨片，一个厚1.0 mm 的透明聚对苯二甲酸乙酯片联接在激光靶的顶部，以限制激光诱导的等离子体从而增加LISWs 的冲量。激光脉冲通过一个平凸透镜于激光靶上聚焦为6 mm 直径的束点。前胸部剃毛后的大鼠仰卧位固定在平板上，双肺定位在LISW的焦点区。总共使用4 个LISWs 覆盖大鼠双肺的大部分区域。在激光靶和大鼠皮肤表面之间涂抹超声传导凝胶剂以确保匹配声阻抗。LISWs 可以在实验室产生原发和继发的肺冲击伤模型，可以进行冲击伤强度的精细管理，而暴露于该应激波的动物的并发损伤很少。LISWs 适合冲击伤的精细研究和实验室的其他冲击伤研究［33］。

总之，爆炸产生冲击波致伤复杂多样，有单一冲击波致伤与复合冲击波致伤、开放环境冲击波致伤与封闭环境冲击波致伤、特殊环境如水下高原等冲击伤、复合冲击伤如烧冲复合伤、烧冲毒复合伤等特点各异。这就要求冲击波生成装置结合不同的实验要求及特点发展适合的致伤造模实验。另外，为客观地衡量和评价实验研究成果，对各种类型冲击波作用安全阈值、冲击伤不同动物模型严重程度等建立普适标准，研制灵敏而精确的冲击波模拟装置是实验室合格造模实验的前提和关键。

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