La protección frente a la explosión primaria (onda expansiva) en el diseño de cascos de combate: una comparación histórica entre la actualidad y la Primera Guerra Mundial. Por Joost Op’t Eynde, Allen W. Yu, Christopher P. Eckersley, Cameron R. Bass.

No es lo mismo proteger la cabeza frente al impacto de un proyectil que pueda destruir tejidos por su acción mecánica, que proteger la cabeza frente a la onda expansiva de una explosión. En este segundo caso, aún no se sabe tanto como nos gustaría y ha sido motivo de importantes traumatismos craneoencefálicos que pasan factura a quienes han estado expuestos a una explosión, como es el caso de un artefacto explosivo improvisado (IED). En el siguiente estudio, que traducimos al español para ti, se compara la protección frente a la onda expansiva que ofrece un casco moderno, así como algunos cascos históricos de hace 100 años. Este estudio pretende llamar la atención sobre la necesidad de diseñar cascos teniendo presente la protección frente a la onda expansiva, además de la protección frente al impacto de proyectiles. En ello están marcas como Team Wendy, que se preocupan enormemente por la protección de la cabeza de nuestros combatientes.

Resumen

Desde la Primera Guerra Mundial, se han utilizando cascos para proteger la cabeza en combate, diseñados principalmente como protección frente a la metralla de artillería. Más recientemente, entre los requisitos para los cascos se ha incluido la protección balística y frente a golpes, pero las lesiones cerebrales por la explosión primaria (onda expansiva) nunca han sido un factor determinante en el diseño de los cascos. No ha sido hasta hace unos años cuando se ha empezado a tener en cuenta la amenaza que plantea el impacto directo de la onda expansiva en la cabeza ─aparte de las heridas penetrantes─. Este estudio compara el efecto protector frente a explosiones de cascos de combate históricos (Primera Guerra Mundial) y actuales, unos respecto a otros y respecto a ir «sin casco» o con la cabeza al aire, cuando la onda expansiva impacta de forma realista en la corona del casco. El estudio incluyó cascos de la Primera Guerra Mundial utilizados por Reino Unido y Estados Unidos (Brodie), Francia (Adrian), Alemania (Stahlhelm), y un casco de combate actual estadounidense (Advanced Combat Helmet). Se montaron los cascos sobre una reproducción de cabeza y cuello, con un tubo de choque [shock tube] cilíndrico encima, alineado con la corona de la cabeza para simular una explosión aérea. Se generaron ondas expansivas de diferente magnitud en función de las condiciones estimadas de la explosión de proyectiles históricos. Se comparó el pico de sobrepresión generado en el extremo abierto del tubo de choque con el pico de sobrepresión medido en varios puntos de la cabeza. Todos los cascos produjeron una atenuación de presión significativa respecto a no utilizar casco. El modelo de casco moderno no produjo una mayor atenuación de presión que los cascos históricos, y algunos cascos históricos ofrecieron un mejor rendimiento en determinados lugares de medición de la cabeza. El estudio demuestra que tanto los cascos históricos como los actuales tienen cierta capacidad de protección frente a la explosión primaria (onda expansiva), y que simples características de diseño pueden mejorar esta capacidad en futuros cascos.

Cita: Op‘t Eynde J, Yu AW, Eckersley CP, Bass CR (2020). Primary blast wave protection in combat helmet design: A historical comparison between present day and World War I. PLoS ONE 15(2): e0228802. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0228802

Editor: David Zonies, Oregon Health and Science University [Universidad de Ciencia y Salud de Oregón], ESTADOS UNIDOS.

Recibido: 20 de agosto de 2019. Aceptado: 23 de enero de 2020. Publicado: 13 de febrero de 2020.

Copyright: ©2020 Op‘t Eynde et al. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la licencia de atribución Creative Commons, que permite el uso, distribución y reproducción en cualquier medio sin restricciones, siempre que se cite el autor y fuente original.

Disponibilidad de datos: Todos los datos utilizados en el estudio se pueden encontrar en un repositorio público alojado en el Duke Data Repository [repositorio de datos de Duke]. Los 46 archivos se encuentran disponibles en el enlace https://doi.org/10.7924/r4r49m981.

Financiación: Nos gustaría agradecer la financiación y el apoyo del Fondo Benéfico de la Fundación en Memoria de Josiah Charles Trent [Josiah Charles Trent Memorial Foundation Endowment Fund], de la Universidad de Duke, por aportar directamente los fondos para realizar esta investigación. No hay ninguna subvención particular vinculada a este trabajo y no aportaron fondos a ningún miembro en particular del grupo de investigación. Los financiadores no tuvieron ninguna participación en el diseño del estudio, la obtención y análisis de los datos, la preparación del manuscrito, ni la decisión de publicarlo.

Conflicto de intereses: Los autores han declarado que no hay conflicto de intereses.

Introducción

«Que el ser humano no aprende mucho de las lecciones de la Historia es la más importante de todas las lecciones que tiene que enseñarnos la Historia» ─Aldous Huxley─.

Al empezar la Primera Guerra Mundial (1ªGM), en julio de 1914, el casco no formaba parte del equipo individual básico de los militares de ninguna de las potencias centrales o aliadas¹. La mayoría de prendas de cabeza eran de tela (por ejemplo, el Kepi francés²) o cuero (por ejemplo, el Pickelhaube alemán³) y no ofrecían a su usuario protección alguna frente a explosiones, metralla o impactos balísticos. Varios informes de la época estimaban que al principio de la guerra, más del cincuenta por ciento de las muertes se debían a metralla o fragmentos de proyectiles de artillería, que solían impactar en la cabeza, frente a los que podría ser eficaz un casco de acero^{1, 4}.

En 1915, Francia fue la primera nación de la 1ªGM en dotar a los soldados con cascos de acero, utilizando el casco M15 Adrian, cuya denominación responde al diseño del General Adrian⁵. El inventor John L. Brodie abordó la necesidad británica de protección de la cabeza a finales de 1915, con un diseño de casco cuya finalidad era proteger la cabeza frente a la metralla, al mismo tiempo que buscaba una fácil fabricación⁶. Otras naciones también utilizaron el casco Brodie, incluida Estados Unidos cuando se unió a la guerra a finales de 1917⁷. Después de múltiples pruebas de cascos aliados, se dotó a los soldados alemanes con el Stahlhelm (traducción: casco de acero) a principios de 1916⁸.

El diseño de estos cascos era eficaz para proteger frente a la metralla de proyectiles de artillería¹. Además de lanzar metralla, la explosión de un proyectil de artillería también genera una onda de choque. La onda de choque se conoce como explosión primaria (onda expansiva), mientras que los fragmentos despedidos por una explosión se consideran explosión secundaria (metralla). En la 1ªGM, se sufrieron a gran escala por primera vez en un teatro de combate los efectos de estas ondas expansivas. Los soldados que sufrieron explosiones a corta distancia fueron trasladados a hospitales de campaña a pesar de tener pocos o ningún signo de heridas externas. El médico británico Charles Myers utilizó el término «Shell Shock» [choque o shock de proyectil] en 1915 para describir una serie de síntomas sufridos por los soldados tras la explosión de un proyectil⁹, que hoy se cree que pueden ser causados ​por una combinación de traumatismo craneoencefálico (TCE) y trauma psicológico¹⁰.

Desde principios de la década de 1900, la explosión de proyectiles de artillería ha sido la mayor causa de bajas en combate en grandes conflictos¹¹. En las guerras estadounidenses desde la 1ªGM, se ha observado una tendencia creciente hacia un mayor número de bajas causadas por explosiones, con un estudio que indica que el 78% de todas las heridas en el período 2001-2005 del conflicto en Irak fueron causadas por explosiones¹². Durante los conflictos en Irak y Afganistán, más del 65% de informes de TCE estaban asociados a una explosión¹³. Un estudio de 2008 de soldados de infantería del Ejército de Tierra estadounidense que regresaban de misión en Irak comprobó que más del 15% sufrían algún tipo de traumatismo craneoencefálico leve (TCEL)¹⁴. En la última década, se ha observado un aumento de la conciencia sobre los efectos incapacitantes a largo plazo causados por un TCEL fruto de una explosión primaria (onda expansiva), tales como lesiones axonales^{15, 16}. La exposición a explosiones que causan mínimas lesiones agudas puede producir cambios funcionales cerebrales con el tiempo o tras repetidas exposiciones. Dado que la mayoría de TCE por explosiones se clasifican como «leves», existe una creciente demanda de cascos de combate que protejan frente a estas exposiciones.

En la década de 1960¹⁷ se desarrolló la evaluación del riesgo de lesiones del sistema pulmonar en humanos por explosiones [Risk assessment of human blast injury to the pulmonary system] y en los últimos tiempos se dotó de una base experimental más sólida^{18, 19}. La mayor parte de estudios históricos sobre efectos de explosiones indica que la tolerancia pulmonar es mucho menor que la tolerancia neurológica frente a una explosión^20-22. Así se ha confirmado recientemente en experimentos comparativos directos con conejos²³. En sintonía con estos estudios, algunos investigadores han desarrollado recientemente funciones de riesgo de potenciales lesiones neurológicas por explosión^{23, 24} que proporcionan herramientas de evaluación de los efectos de la explosión primaria (onda expansiva) en la cabeza. En un principio desconcertante, la incidencia de lesiones pulmonares por explosión tras la exposición a una explosión en conflictos militares actuales es bastante baja respecto a lesiones neurológicas por explosión²⁵, a pesar de la diferencia en tolerancia. Esta aparente contradicción se resuelve mediante el uso casi universal de blindaje corporal, que aumenta drásticamente la tolerancia pulmonar frente a una explosión comparada con la del cerebro²⁶.

Las condiciones del campo de batalla de la 1ªGM en el Frente Occidental comprenden explosiones similares a las que se ven hoy en día. Las batallas libradas desde trincheras con saltos cortos de una unidad que avanza suponen principalmente la exposición de la cabeza con casco a la explosión, mientras el torso permanece más alejado o a cubierto, lo que reduce la posibilidad de lesiones pulmonares por explosión. Ningún casco de combate actualmente en uso se ha diseñado específicamente para proteger frente a explosiones, aunque algunos estudios minuciosos sugieren que los cascos modernos ofrecen cierto grado de protección frente a explosiones^27-29.

Este estudio compara la capacidad de protección frente a explosiones de los principales cascos militares de los combatientes de la 1ªGM con un casco moderno de materiales compuestos. Para los tres cascos históricos analizados en este estudio, no se encontró ningún dato en la literatura científica sobre la evaluación de su protección frente a la explosión primaria (onda expansiva). El presente estudio es, que sepamos, el primero en evaluar la capacidad de protección frente a explosiones de estos cascos de combate históricos. Las lesiones cerebrales producidas por la explosión primaria se identificaron por primera vez aproximadamente al mismo tiempo que se estaban diseñando estos cascos³⁰, y la explosión primaria (onda expansiva) es un mecanismo de lesiones cerebrales actualmente muy aceptado. Este estudio es una investigación sobre si se ha mejorado la protección que ofrecen los actuales cascos de combate frente a la explosión primaria o si hay lecciones que aprender de los cascos diseñados durante estos 100 años.

Metodología

Cascos

Para las pruebas frente a explosiciones se adquirieron tres cascos de combate de infantería de la 1ªGM, incluido el forro interior original: un casco Adrian M15 (modelo de 1915) utilizado por el Ejército de Tierra francés (designado FRC), un casco Stahlhelm M1916 utilizado por el Ejército Imperial Alemán (designado GER), y un casco Brodie M1917 utilizado por el Ejército de Tierra estadounidense (basado en el diseño británico M1915 y designado AMR). El casco Brodie M1917 fue fabricado por la empresa de estampado y esmaltado Columbian Enameling and Stamping Company, en Terre Haute (Indiana, EE.UU.). Se incluyó en el estudio el Advanced Combat Helmet [casco avanzado de combate] (en talla grande, designado ACH), el actual casco de combate utilizado por el Ejército de Tierra estadounidense, para comparar los históricos con los cascos de combate actuales. Como elemento de control se utilizó una carcasa de cabeza desnuda «sin casco» (designada BAR).

Los tres cascos de la 1ªGM están fabricados en acero conformado, y el Casco Avanzado de Combate (ACH) está fabricado con materiales compuestos. Se midió el espesor medio de cada casco con un calibre electrónico (EC799, L. S. Starrett Company; Athol, MA, USA). El área proyectada para la vista superior de cada uno de los cascos se calculó utilizando ImageJ (NIH; Bethesda, MD, EE.UU.). En la tabla siguiente se detalla el peso, espesor y área proyectada de cada uno de los cascos, así como las abreviaturas utilizadas en este documento. Se realizaron imágenes de tomografía computerizada de rayos X de alta resolución (Nikon XTH 225 ST, Nikon Inc.; Minato, Tokyo, Japón) de los cascos históricos y en la imagen 1 se muestran las secciones coronales obtenidas.

Imagen 1. Tomografía computerizada de las secciones coronales de los cascos probados.
a) Casco Adrian, b) casco Brodie, c) casco Stahlhelm, d) casco avanzado de combate (ACH). El casco Adrian (a) es el de acerco más delgado, seguido por el Brodie (b) y el Stahlhelm (c). El ACH (d) está fabricado con fibras de material compuesto.

Configuración para las pruebas

Se montó cada casco sobre una reproducción de cabeza masculina del percentil 50º Hybrid III® (Humanetics; Farmington Hills, MI, EE.UU.) y se ancló al cuello Hybrid III. Se sujetó cada casco a la barbilla y por detrás de la reproducción de cabeza (imagen 2) para evitar movimientos extraños del casco durante las pruebas. No se utilizaron las hebillas y correas de cuero originales porque estaban demasiado deterioradas como para soportar las explosiones simuladas. Con el ACH sí se utilizaron las correas originales. El ACH se ajusta adecuadamente a la reproducción de cabeza, cubriendo la frente, pero dejando un espacio de uno a dos centímetros por encima de los ojos como se indica en el manual de usuario del casco ACH. Todos los cascos históricos se ajustan bien a la cabeza, apoyando sobre el sistema de suspensión (badana interior) sin que la corona de la cabeza toque el casco. Cada casco conservaba intactos tanto los elementos externos de acero como los elementos internos de tela o cuero. Se orientó boca abajo la reproducción de cabeza, y se alineó el centro de la cabeza con el extremo abierto de un tubo de choque cilíndrico (esquema en la imagen 3). Esta orientación y exposición a la explosión simulan una explosión aérea, como sería habitual en una guerra de trincheras, donde los proyectiles de artillería explosionan sobre las trincheras.

Imagen 2. Cascos de prueba sobre reproducción de cabeza Hybrid III según configuración para realizar las pruebas.
a) casco Brodie, b) casco Adrian, c) casco Stahlhelm, d) casco avanzado de combate, e) cabeza desnuda.

Imagen 3. Esquema de la configuración del tubo de choque.
La exposición es en dirección a la corona, simulando una explosión aérea que representa una exposición típica del personal en trincheras o tendido en el suelo.

La parte superior del casco se alineó con el extremo final del tubo de choque para minimizar la distancia de separación. El tubo de choque tiene un diámetro de 305 milímetros y consta de una sección conductora (305 milímetros de longitud), donde se comprime gas de helio, y una sección conducida (3,05 metros de longitud). Las secciones conducida y conductora están separadas por un diafragma formado por una serie de membranas de tereftalato de polietileno (PET). Se libera helio a alta presión en la sección conductora hasta que explota el diafragma de PET, lo que genera una onda de choque que se desplaza a lo largo de la sección conducida del tubo de choque. La relación 10:1 entre las longitudes de las secciones conducida y conductora hace que la onda de choque forme un frente de choque uniforme, con una presión aproximadamente igual en toda la sección del tubo³¹. En un estudio anterior³¹, se comprobó la validez de las pruebas en el exterior del tubo de choque siempre que se minimice la distancia de separación.

Se expusieron los cascos a ondas de choque con tres intensidades de explosión diferentes, variando el espesor del diafragma de membranas de PET: dos membranas de 0,254 mm de espesor (espesor total: 0,508 mm), nueve (2,286 mm) y doce (3,048 mm). Se optó por estos espesores de la membrana y las correspondientes intensidades de onda de choque, para reproducir la exposición a explosiones históricas (ver apartado simulación de la explosión) y los niveles aproximados de explosiones que se corresponden con un riesgo de un 50% de hemorragia subaracnoidea o meníngea leve, hemorragia subaracnoidea o meníngea moderada y hemorragia subaracnoidea o meníngea  severa, respectivamente, según los datos sobre efectos de explosiones sobre el cerebro con la cabeza al desnudo de Rafaels et al.²⁴ En total, se realizaron cuarenta y seis pruebas de explosiones para este estudio, detalladas en la siguiente tabla. Primero se realizaron todas las pruebas con diafragma de dos membranas en el orden ACH-FRC-AMR-GER-BAR, después todas las pruebas con diafragma de nueve membranas en el orden BAR-GER-AMR-FRC-ACH, y, por último, todas las pruebas con diafragma de doce membranas en el orden ACH-AMR-FRC-GER-BAR. Para cada casco se realizaron consecutivamente todas las pruebas con el diafragma de un número específico de membranas.

Obtención de datos

Se midió la sobrepresión de cada explosión utilizando tres transductores de presión (Endevco 8530B; San Juan Capistrano, CA, EE.UU.) en la salida del tubo de choque, dentro de la pared del tubo, incidiendo en la dirección de la onda de choque. Se colocó un transductor en la parte superior del tubo, con los otros dos colocados simétricamente con un ángulo de 120° en el sentido de las agujas del reloj y en sentido contrario a las agujas del reloj respecto a la posición del primero. Además de las mediciones de presión del tubo, se insertaron cinco transductores de presión en la reproducción de cabeza Hybrid III. Se situaron los transductores orientados radialmente hacia el exterior, en la corona, frente, oreja derecha, ojo izquierdo y detrás de la cabeza. En la imagen 4 se indican las posiciones de los medidores de presión en la reproducción de cabeza Hybrid III. Se montó una célula de carga de tres ejes (Modelo 2564, Robert A. Denton, Inc; Rochester Hills, MI, EE.UU.) entre la reproducción de cabeza y cuello Hybrid III, para analizar las fuerzas sobre el cuello. En el presente estudio no se incluyen los datos de la célula de carga del cuello. Se tomaron muestras de fuerzas y presiones a 200kHz utilizando un sistema de obtención de datos meDAQ® (Hi-Techniques, Inc.; Madison, WI, EE.UU.). Se despreciaron las trazas de presión a una presión ambiente de cero, pero no se filtraron. En la imagen 5 se muestra un ejemplo de traza de presión para cada casco a la mayor amplitud de presión probada. Se grabó cada explosión en vídeo de alta velocidad a 8000fps utilizando una cámara Phantom® V711 (Vision Research; Wayne, NJ, EE.UU.).

Imagen 4. Vistas de la cabeza simulada Hybrid III con las ubicaciones de los sensores de presión indicadas.
a) corona, b) frente, c) ojo izquierdo, d) detrás de la cabeza, y e) oreja derecha.

Imagen 5. Trazas representativas de la presión.
Medidas en la corona de la simulación de cabeza, para las pruebas con 12 membranas de PET (3,048 mm) de la a) cabeza desnuda, b) casco avanzado de combate, c) casco Brodie, d) casco Adrian, y e) casco Stahlhelm.

Conversión de presión

Para comparar la presión medida por los transductores «de lado» en la pared del tubo de choque con la presión medida por el transductor «de frente» en la corona de la cabeza, se utilizaron ecuaciones de Rankine-Hugoniot para convertir la presión incidente en presión reflejada³².

En la ecuación, P_refl es la presión reflejada (manómetro), P_atm es la presión atmosférica, ajustada a 101,325 kPa, y P_inc es la presión incidente medida (manómetro).

Curvas de riesgo de lesiones

Se utilizaron curvas de riesgo de lesión de Rafaels et al.²⁴ para aportar un valor de riesgo de lesión cerebral a la sobrepresión medida en la corona. Se obtuvieron curvas de riesgo de hemorragia subaracnoidea o meníngea a partir de extrapolar los datos de experimentos sobre los efectos de explosiones en el cerebro, definiendo la hemorragia como leve, moderada y grave según el área de la superficie cerebral cubierta por la hemorragia (<3%, 3-10% y >10%, respectivamente). La duración de la explosión en estos experimentos se extrapoló a una masa de referencia de un ser humano de 70 kg utilizando una escala de raíces cúbicas de masa corporal. Se convirtieron las curvas de riesgo de presión incidente a presión reflejada utilizando la ecuación anterior.

Además de las mediciones de presión en la posición de la oreja, se utilizaron las curvas de riesgo de Richmond et al.³³ para estimar el riesgo de rotura del tímpano. Dichas mediciones en la oreja se realizaron con una orientación hacia la onda de choque. Se definieron curvas presión-tiempo para un riesgo de lesión de un 50% en tres niveles de ruptura del tímpano: menor (pequeños desgarros, interrupción lineal de las fibras del tímpano), moderado (grandes desgarros, varios agujeros o desgarros pequeños) y mayor (interrupción total de las fibras, agujeros grandes en el tímpano).