栗志杰,由小川,柳占立,杜智博,张仡,杨策,庄茁.爆炸冲击波作用下颅脑损伤机理的数值模拟研究[J].爆炸与冲击,,40(1):.
现代局部战争战伤分析显示，由爆炸导致的单兵伤亡约占总伤亡人数的70%，其中冲击波直接作用引起的伤害约占60%。同时，国际上爆炸恐怖袭击日益猖獗，严重危害民众的生命安全。而作为人体中枢神经系统的头部，是爆炸冲击波的重要靶器官。据相关报告显示，美*中受到创伤性脑损伤(TBI)影响的*人为总服役人数的20%，这其中由于爆炸冲击波所引起的脑损伤(b-TBI)占比高达40%～60%。爆炸冲击波引起颅脑损伤的途径主要包括冲击波对头部的直接作用、飞起破片对头部的冲击作用、头部与其他物体的撞击作用、冲击波对头部的电磁热等作用。随着爆炸伤的日渐频发，爆炸冲击波作用下的颅脑致伤机理与对应的防护策略成为研究热点。关于颅脑致伤机理，当前的研究主要集中在冲击波对头部直接作用所造成的颅脑损伤。
动物实验均表明，爆炸冲击波对颅脑的损伤可以通过直接作用产生。而爆炸冲击波对头部直接作用的时间通常在1～3ms，是应力波主导的物理现象。因此，基于头部加速度建立的颅脑碰撞损伤理论无法解释上述实验现象。
Cloots等将微观体积单元与常规有限元单元进行结合，建立了脑组织的多尺度模型，并结合生物细胞的力学损伤实验，建立了相应的损伤准则。Radovitzky等、Jean等发展了脑组织的多尺度生物力学模型，研究了爆炸冲击波作用下颅脑在组织、细胞等不同尺度的生物响应特征，并建立了评估b-TBI风险的动物与人之间的尺度律。Goeller等、Salzar等提出脑脊液空穴致伤机制，脑脊液在冲击波作用下会发生空化与湮灭，形成局部点高压，从而造成脑组织损伤。Franck基于类脑软材料，研究了微型空穴效应在b-TBI当中的作用，并利用实时成像技术对不同应变率下神经元细胞的损伤模式进行了探究。
Bhattacharjee提出主动脉冲压致伤理论，冲击波通过压缩主动脉血液，从而使其形成高压液体，并经毛细血管对脑组织形成冲击，造成脑损伤。同时，Courtney等设计了动物实验，验证了冲击波可以通过作用躯干部位间接对脑组织造成损伤。Moss等通过数值模拟研究发现，颅骨在爆炸冲击波作用下会发生局部弯曲，从而使脑组织压力出现较大的压力梯度，颅骨的弯曲变形与颅内压力的分布密切相关。但是，颅骨局部弯曲变形与脑组织压力之间的内在联系有待于进一步确立，相应的颅脑损伤机理仍需进一步研究。
清华大学与陆**医大学合作，针对颅骨局部弯曲变形致伤机制，开展进一步的深入研究。建立反映颅脑生理结构的三维头部数值模型，并利用头部碰撞试验数据对头部模型的有效性进行验证。然后，基于欧拉-拉格朗日耦合法建立爆炸冲击波-头部流固耦合模型，对头部在正面冲击工况下的动态响应过程进行数值模拟，确立颅骨局部弯曲变形与脑组织压力之间的内在联系，初步揭示脑组织的损伤机理。
主要结论如下：
1）在碰撞载荷下，颅骨与脑组织间的相对径向位移决定脑组织压力，撞击处前半部分脑组织主要处于压缩状态，而对撞处后半部分脑组织则主要处于拉伸状态。
2）流固耦合作用使得爆炸冲击波峰值压力增大为入射波的3.5倍，具有生理凹陷结构的眼部则使该值增大到4.5倍，是冲击波的重要靶器官。
3）爆炸冲击波在颅顶处会发生边界层分离效应，该处的压力峰值相对较小；冲击波从头部撞击处周边发生绕流，并在撞击的对侧处汇合，对颅脑造成相对较小的二次冲击。
4）正面作用时前额处颅骨的振动频率高达8kHz，从而使脑组织的压力具有高频波动特性。这与碰撞载荷下的脑组织动态响应完全不同。
5）前额处颅骨正面冲击）的局部弯曲变形，会沿着颅骨进行“传播”，影响着颅骨的变化构型，从而决定了脑组织压力的演化过程。同时，颅骨最值加速度与颅骨弯曲变形模式、脑组织状态均具有较好的相关性。
是时候