爆炸冲击性脑创伤(blasttraumaticbraininjury,bTBI)自火药出现后就一直存在。通过使用现代防护装备如防弹衣、装甲车以及先进的医疗和后送装备,使得战争及非战争条件下传统的爆炸性肺损伤人员得以有效防护和救治。过去可能会死亡的严重爆炸伤患者现在却能幸存下来,但不幸的是,bTBI的发病率却在增加。美军国防医疗监视中心的数据表明,2000至2011年229106名美国军人在伊拉克自由行动、阿富汗持久自由行动和新黎明行动期间遭受了bTBI。bTBI不同于闭合性脑损伤(cTBI)或穿透性脑损伤(pTBI),其病理机制、病程特征、临床表现、神经系统体征、影像学检查、并发症和预后都有特殊性[1,2]。因此,深入了解bTBI的致伤机制和病理特点,对其防治具有重要的军事和社会价值。

一、爆炸冲击波的特点及致伤原理

现代炸药爆炸时产生压力波,也产生声波、电磁波、光能和热能,爆炸冲击波可导致一级、二级、三级和四级损伤。一级(原发性)冲击伤是由冲击波对人体的压力作用引起的。当弹片、破片和碎片撞击并穿透身体时,会产生继发二级(继发性)冲击性损伤。三级爆炸冲击伤是由于身体在冲击波作用下被抛向建筑物、墙壁或地面等引起的损伤。四级爆炸冲击伤是由烧伤、辐射或前3种损伤中未描述的其他原因造成的损伤[3,4]。了解损伤机制的细微差异有助于理解冲击波的致伤特点,并可能有助于开发与爆炸冲击波相关的bTBI预测量表。

1.冲击波与身体的相互作用:

作用于人体的冲击波可以反射、传播,也可以两者结合。早期实验表明,当冲击波穿透邻近组织时,压强上升随时间增加,而压力衰减则与冲击距离成反比。对细胞损伤的作用应力增加比率比总应力大小更明显,两个峰值压力相同但上升时间不同的压力波,会导致上升时间较长的压力波,产生较大的脉冲。不同密度的组织,冲击波以不同的速度运动,因此不同组织结构对冲击波的反应会有所不同,会产生组织间的相对运动,导致组织交界处结构的剪切和撕裂。爆炸冲击波从身体远端传到大脑也会产生不同的致伤结果[4,5]。当腹部或头部单独暴露于冲击波环境时,通过对腹部和脑部压力瞬变的研究表明,冲击波压力从暴露点到下游测量点迅速下降。同样,在爆炸冲击波作用下,通过活体猪头部、心脏和下腔静脉的压力瞬变比较表明,损伤并非完全由血管内压力脉冲引起。然而,部分实验结果表明,当猪被步枪射中左大腿时,同步测量腹部和左额顶叶脑实质的压力瞬变,结果观察到在腹部和大脑中分别产生了270kPa和125kPa的压力。由于高能导弹撞击可以产生高频和高振幅的短时振荡压力波,压力波以声波的速度在组织中传播,可导致周围和中枢神经组织损伤。冲击波在肺组织内压力变化的结果则有一定范围的可变性,可能是肺等充满空气的器官组织密度的变化所致。肺的物理密度取决于肺组织本身以及在呼吸过程中不断变化的血液和空气含量,肺组织密度在肺活量的10%时最大,但随着肺活量的增加而逐渐减小,在肺活量的90%时密度显著减小。冲击波在组织中的压力负荷、速度、组织密度的变化、压力上升时间和压力衰减都是影响组织对爆炸冲击波发生反应的变量[5,6,7,8]。

2.爆炸冲击波与头部的相互作用:

爆炸冲击波将能量传递给周围的组织,导致组织结构变形和产生加速运动。组织结构变形的程度取决于冲击波的形状、冲量和与组织结构固有频率相互作用的峰值压力。人体头部冲击波压力产生由两部分组成,第一部分是入射冲击波阵面或反射冲击波阵面,取决于上述反射波的情况。第二个压力是由于移动较慢的冲击波形成。冲击波在球面上撞击将其自身围绕在球体周围,从而导致绕飞波与爆炸源相反处的压力点升高。颅骨的压力负荷引起颅骨弯曲变形,导致颅内压升高。头部旋转移动加速也可能在冲击波长时间正压阶段的作用下发生,导致脑组织挫伤和组织剪切损伤[8,9,10]。

进一步研究发现,当压力与张力正常情况下,由于大脑和脑脊液的密度相等,大脑在脑脊液处于悬浮状态并允许大脑以低速度平移或旋转的方式在颅骨内移动。在较低的撞击速度下,大脑会减缓固态组织的位移,而在较高的撞击速度下,大脑的运动由变形产生。颅骨和大脑之间有很薄、充满脑脊液的硬脑膜间隙,施加过大的外力会导致颅骨与大脑相撞或大脑与颅骨相撞,相对运动会造成桥接静脉撕裂而导致硬膜下血肿。脑内血肿也可能是由于脑与颅骨碰撞时引起脑实质血管破裂所致。在冲击力的作用下,脑放射冠具有抗剪切力的作用,但其作用取决于纤维束的结构与走向。压缩作用也可以使组织硬度增加。对猪脑样本进行应力松弛试验表明,小脑灰质、白质、脑干和胼胝体是最柔软的区域,大脑最坚硬的区域为大脑皮层和海马CA1/CA3区。另一项用磁共振弹性成像测量志愿者小脑的线性黏弹性特性,结果显示小脑的硬度比大脑低。组织剪切应力特性的变异加上爆炸冲击波方向的变化,可以解释不同伤者爆炸损伤伤情的差异[11,12,13,14]。

二、bTBI的临床症状及体征

轻度bTBI可引起头痛、头昏、健忘、注意力集中困难、短期记忆丧失、情绪改变、睡眠障碍、眩晕和焦虑等。一般来说,症状通常在受伤后立即出现,几小时或几天后消失。美国康复医学会轻度脑创伤委员会将bTBI定义为意识丧失、丧失伤前记忆,或损伤后精神状态改变和/或局灶性神经功能障碍。轻度bTBI定义为暴露于爆炸性冲击波后意识丧失时间<30min,创伤后遗忘症状<24h,以及格拉斯昏迷量表评分(GrasseComaScaleScore,GCS)13～15分。中度bTBI定义为意识丧失时间>30min但<24h,创伤后遗忘症状持续时间>30min但<1d,GCS评分9～12分,同时可能伴有颅骨骨折。严重bTBI定义为意识丧失时间>24h,创伤后遗忘症状>1d,GCS评分3～8分以及可能的脑挫裂伤或颅内出血。GCS的缺陷在于很大程度上依赖于患者的意识水平,然而,相关的pTBI数据表明,即使有严重的头部创伤,患者也不会失去意识。越南有关pTBI患者的头部损伤研究显示,342例患者中,只有15%的pTBI患者经历了较长时间的外伤性意识丧失,而且首次接受医疗救治时,40%的患者都已经苏醒,能够记住受伤史;pTBI和bTBI之间呈现的差异表明,可能需要修订bTBI评级标准,以更好地适用于pTBI或者指定单独的pTBI评级标准[15,16,17,18]。

暴露于爆炸冲击波后,受害者可能并未意识到自己的脑部已经受到损伤。在意识到自己的大脑受到伤害之前,可能会2次甚至多次暴露于爆炸冲击波作用之下。bTBI的最初症状可能是持续的脑震荡后症状,如头痛、眩晕、短期记忆丧失、注意力不集中或多任务处理困难。在从之前的损伤中完全恢复前,如果患者再次遭受bTBI,可能会发生第二次撞击综合症,特点是迅速失去意识,并发展为恶性脑水肿,颅内压增高和昏迷,而且死亡率高达50%[19,20,21]。

三、爆炸冲击波致伤的神经病理改变

1.颅内高压:

脑水肿是bTBI最突出的病理生理特征之一。颅内高压常见于急性期出现充血和严重脑水肿的重度bTBI患者。当CT显示有外伤性蛛网膜下腔出血时,这种病理改变更容易受到重视。研究发现,基底节内出血是预后欠佳的征兆,可能会预示颅内压即将增加,颅内压升高可能会在bTBI后2～3周发生[21,22]。

2.血管反应:

创伤性脑血管痉挛(posttraumaticcerebralvasospasm,PTCV)是冲击波致伤的一个显著特征。猪受到爆炸冲击波作用后,通过血管造影显示,向大脑供血的一级动脉管腔变窄。暴露于爆炸冲击波的非人类灵长类动物脑组织中,由星形胶质细胞肥大和空泡状内皮细胞包围的毛细血管出现塌陷,表明整个血管网受到bTBI后PTCV的影响。对人的研究也证实了PTCV的影响,在一项对接受脑血管造影的重度bTBI患者的研究中,PTCV和假性动脉瘤的发生率分别为47%和35%。在受到冲击作用后,PTCV平均持续14d,最长可达30d,比cTBI蛛网膜下腔出血后的脑血管痉挛时间长,后者通常最多持续14d。另一项研究表明,PTCV可在原发性损伤10d或以上出现,并与急性冲击性蛛网膜下腔出血呈正相关。PTCV最有效的预测因素是损伤脑叶的数量和假性动脉瘤的存在。PTCV假性动脉瘤的存在有两种解释:(1)损伤时动脉受损导致蛛网膜下腔出血填塞和假性动脉瘤形成;(2)穿透性碎片在血管腔内移动,损伤血管内皮细胞所致。损伤早期经颅多普勒超声检测可能有助于早期干预[22,23,24,25]。

3.出血:

脑出血是bTBI的常见症状。研究发现,脑冲击伤常见损伤部位是脑干、小脑和中脑,这些部位的出血可能与bTBI患者的意识丧失具有密切关系。然而,当暴露在131～366kPa的冲击波时,佩戴胸部防护装置的猪却没有出现脑出血或血管异常的迹象。这项研究结果使研究者提出了一种推测,即压力波冲击胸腔,导致压力波通过胸腔血管传导到脑血管系统,而对脑实质无明显损伤作用[26,27]。

四、爆炸冲击波致不同脑区损伤的病理改变

bTBI可导致颅内压升高而引起脑弥漫性损伤,而且一级或三级损伤可引起与颅骨的偶合性损伤。由于冲击波的传输效应或头部旋转加速的作用,可能会由剪切应力产生而引起弥漫性轴索损伤。脑组织局部损伤可能是由于大脑与颅骨碰撞引起。

1.皮层:

由于皮层结构的复杂性、相似性以及与其他结构联系的密切性,bTBI导致单纯皮层损伤很难诊断。研究表明,bTBI可引起皮层第五层锥体细胞胞体发生皱缩改变以及树突的变形。在bTBI患者,起源于大脑皮层的各种白质纤维束表现为弥漫性轴索损伤(diffuseaxonalinjury,DAI)[28]。

2.白质纤维束:

脑损伤的一种常见改变是DAI,尤其是额叶纹状体、顶额叶和额颞叶。猪在中等高压冲击波作用下,同侧放射冠纤维束和同侧小脑白质均出现了神经纤维变性。将胸部受到保护的猪暴露在131～538kPa爆炸性冲击波中,可引起脑室周围轴突损伤,而不是脑血管损伤。非人类灵长类暴露在相对较低的压力冲击波(80kPa和200kPa)下,导致皮层下白质部位少突胶质细胞和星形胶质细胞凋亡,并伴有髓鞘结构紊乱,提示存在神经传导通路的损伤。对bTBI患者的研究发现,在眶额叶白质和扣带回区域扩散张量成像(diffusiontensorimaging,DTI)异常。在标准的磁共振成像(MRI)和CT扫描中很难识别bTBI引起的白质纤维束病变,DTI可以根据白质区域的水扩散程度来辨别病变情况[29]。在脑组织内部没有阻力的情况下,水可以随机扩散,具有高平均扩散系数(apparentdiffusioncoefficient,ADC)和低各向异性(anisotropyfraction,FA)的特点。白质纤维束结构比较致密,对分子扩散有限定,其特征是低ADC和高FA。在白质损伤的急性期,细胞肿胀,FA升高,ADC降低。在慢性损伤阶段,细胞溶解或死亡,导致高ADC和低FA。多种DTI分析方法已用于评价bTBI,通过容积平均DTI对退伍军人bTBI的检测没有发现异常。由于bTBI与cTBI的扩散特性不同,传统的通过测量白质完整性或感兴趣区域(ROI)的方法可能忽略了bTBI的扩散性能改变。在分析轻度脑创伤(mildtraumaticbraininjury,mTBI)患者的DTI时,应评估受影响区域的大小和受影响区域的数量。轻度bTBI患者的DTI显示,在ROI和整个白质中有大量的低FA像素(白质完整性降低),而传统的平均检测技术却不能分辨出这种损伤。这种非平均检测技术也显示多发性爆炸损伤患者FA更高。将DTI分析方法与脑电信号相结合,可以提高TBI检测的敏感度。基于时频的脑电同步监测,结合DTI中的FA测量,表明轻度bTBI患者脑电相位同步性降低。进一步分析发现,由于爆炸冲击波的影响,大脑半球的额叶、丘脑以及胼胝体等脑区神经活动的协调性减弱[28,29,30,31,32,33]。

3.海马结构:

80～200kPa的爆炸冲击波可导致海马锥体神经元顶端树突变形以及CA3区神经细胞胞体皱缩、胞浆深染,而CA1区则出现锥体神经元数量明显减少。细胞丢失可能由于锥体神经元易受缺氧和缺血条件的影响,经DTI检测,bTBI患者钩状束及多种白质束中存在DAI,提示PTCV合并DAI可能是bTBI患者记忆障碍症状的病理学基础[28,33,34]。

4.小脑:

bTBI患者DTI显示中央小脑脑桥明显异常。暴露在爆炸性冲击波中的非人类灵长类动物小脑浦肯野神经元发生变化,并伴随运动协调功能的变化。浦肯野细胞的胞核形态不规则,核染色质浓缩,而且细胞的树突出现变性[28,32]。

5.脑室:

bTBI后,猪脑室部位出现明显变化,主要表现为侧脑室周围损伤的轴突数目增多[28,30]。

五、bTBI细胞水平的神经病理改变

1.星形胶质细胞:

星形细胞增多已在爆炸性冲击波作用的同侧的皮质区得到证实,同侧海马组织也显示齿状回和海马各分区内星形胶质细胞发生活化。一项针对猪的研究表明,在bTBI后脑内增生的星形胶质细胞均匀分布,而其他外伤性TBI后星形胶质细胞的激活与增生多集中出现在损伤及其周围区域[28,35]。

2.神经元:

在bTBI中,神经元的细胞骨架成分容易受到损伤并进行重排。爆炸损伤后轴突微管的重组装可导致轴浆运输功能部分或完全中断,病理改变表现为DAI,可见轴突呈波状改变。β淀粉样前体蛋白(β-amylodprecursorprotein,β-APP)由神经元产生,通过快速轴浆运输从胞体向轴突转运。轴突损伤后,β-APP一般于损伤后2h在轴突损伤部位积聚,并导致“轴突静脉曲张”。曾有报道,猪bTBI后可见β-APP在侧脑室周围轴突中堆积[28,35,36]。

3.少突胶质细胞:

冲击波暴露后,皮层下白质内少突胶质细胞凋亡,神经纤维脱髓鞘改变,并导致脑部神经传导速度降低[28,36,37]。

bTBI为过去的一种诊断,可能目前对此应该有新的认识。bTBI与cTBI和PTBI有共同的临床特征,但也有明显不同的症状和体征。对bTBI神经病理学的认识尚不完全,需要在亚细胞、细胞、局部解剖和生理层面进行研究。只有通过适当和深入的科学分析,才能制定出针对bTBI的有效防护措施和有意义的治疗策略。

参考文献：

[29]段朝霞,张洁元,陈魁君,等.爆炸冲击波所致轻度颅脑损伤的诊断与处理[J/CD].中华诊断学电子杂志,2016,4(1):26-29.

刘媛,龙在云,余静,高洁,严军,杨策.爆炸冲击性脑创伤神经病理机制的研究进展[J].中华诊断学电子杂志,2020,8(02):95-99.

基金:军队青年培育项目资助(16QNP105);“十三五”军队“双重”建设科研创新项目(2019);陆军特色医学中心人才创新能力培养计划(2019CXJSB007);