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.

Abreviaturas y características de los cascos de prueba
Casco	Abreviatura	Peso (kg)	Espesor medio (mm)	Área proyectada desde arriba (cm2)
Adrian M15	FRC	0,67	0,75	439,9
Stahlhelm M1916	GER	1,23	1,20	544,5
Brodie M1917	AMR	0,88	0,95	689,2
Advanced Combat Helmet	ACH	1,51	8,40	516,4
Cabeza desnuda	BAR	0	0	327,6

 

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.

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.

Número de pruebas de explosión realizadas para cada casco, 46 en total
	Número (espesor) de membranas de PET
Casco	2 (0,508 mm)	9 (2,286 mm)	12 (3,048 mm)
BAR	4	4	3
ACH	3	3	3
GER	3	4	2
AMR	3	3	2
FRC	3	3	2

 

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 200 kHz 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 8000 fps utilizando una cámara Phantom® V711 (Vision Research; Wayne, NJ, EE.UU.).

 

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).

 

Simulación de la explosión

Las explosiones utilizadas en este estudio se compararon con las explosiones de proyectiles de artillería alemanes de la 1ªGM para determinar unas distancias de exposición equivalentes. En la tabla siguiente³⁴ se detallan las características de los proyectiles de artillería alemanes.

Proyectiles de artillería alemanes de la 1ªGM34
Artillería alemana	Peso del proyectil (kg)	Carga explosiva (kg TNT)	Millones de proyectiles disparados
77 mm FK	6,5	0,4	156
105 mm FH	15	1,5	67
150 mm FH/K	38,6	5,6	42
210 mm Mörser	114,5	11,6	7

Estos proyectiles representan la mayor parte del fuego de artillería alemán sobre el Frente Occidental³⁵. Para cada uno de estos proyectiles se calculó la distancia a la carga para experimentar una explosión similar a la de las pruebas utilizando ConWep (Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Tierra estadounidense, Protective Design Center, Vicksburg, MS). Las explosiones de las pruebas se agruparon en 3 niveles de gravedad en función del espesor de la membrana de PET utilizada para generar la explosión, como se indica en esta tabla.

Niveles de gravedad según las condiciónes de la explosión sobre la cabeza desnuda
Gravedad	Membranas de PET (espesor en mm)	Presión máxima en la corona (kPa +/- σ)	Duración de la fase positiva (ms +/- σ)
Baja	2 (0,508)	880 +/- 91	1,47 +/- 0,11
Media	9 (2,286)	3558 +/- 224	3,25 +/- 0,07
Alta	12 (3,048)	4521 +/- 488	3,66 +/- 0,13
σ desviación típica

Como valores representativos de la onda de choque para cada nivel de gravedad se utilizó la presión media sobre la corona de la cabeza desnuda y la duración de la fase positiva de la onda de choque. La imagen 6 muestra los resultados de las simulaciones, indicando a qué distancia sería equivalente la explosión de las pruebas respecto a las explosiones de proyectiles de artillería alemanes de la 1ªGM.

 

Análisis estadístico

Para realizar el análisis estadístico de los datos se utilizó el software JMP® Pro 13.0.0 (SAS Institute Inc.; Cary, NC, EE.UU.). Se construyó un modelo lineal genérico (MLG) con el pico de presión en la corona como variable de resultado. Se incluyeron el tipo de casco (sin casco, ACH, Brodie, Adrian, Stahlhelm) y el lugar de medición (corona, frente, cabeza trasera, ojo, oreja) como factores, junto con la presión máxima medida en el tubo como una covariable. Se comprobó que todos los términos de interacción eran significativos (p<0,0001), por lo que se realizó una subdivisión para considerar cada lugar de medición por separado. La interacción entre el tipo de casco y la presión máxima en el tubo fue significativa (p<0,0001) para cada lugar de medición y se incluyó en el modelo (es decir, la pendiente de la regresión lineal entre la presión en el tubo y la presión en la corona difiere según el casco). Se realizaron comparaciones por pares entre los cascos analizando la importancia del término de interacción entre el tipo de casco y la presión en el tubo al incluir en el modelo solo las condiciones del casco comparado. Si el término de interacción no era significativo, se eliminaba del modelo para analizar un efecto en conjunto del casco cuando las pendientes son iguales.

 

Resultados

En total, se llevaron a cabo cuarenta y seis pruebas de explosiones con los cinco cascos en tres grados de explosiones descritos en una tabla anterior. Tras observar deformaciones que pueden afectar a la integridad estructural en el casco Brodie y el casco Adrian (imagen 7) en las pruebas con las presiones máximas más altas, se decidió dejar en dos el número de pruebas con el diafragma PET de 3,048 mm en el caso de los cascos históricos. Para todas las demás exposiciones, los cascos experimentaron una deformación mínima y no se observaron evidencias de degradación por la reiterada exposición a las explosiones. En este estudio no se evaluó el impacto sobre la cabeza por la deformación del casco.

Se comprobó que la presión máxima del tubo, el tipo de casco y sus interacciones tenían un efecto estadísticamente significativo sobre la presión en la corona en cada lugar de medición (p<0,001). La importancia estadística del término de interacción entre el tipo de casco y la presión en el tubo justifica el uso de diferentes pendientes de regresión para los diferentes tipos de casco.

En la corona de la cabeza, el término de interacción difiere significativamente entre la cabeza desnuda y todos los cascos (p<0,0001), con presiones en la corona más altas para la cabeza desnuda. También se dio una diferencia significativa en la pendiente entre el casco ACH y el casco francés Adrian (p<0,0001). Al eliminar el término de interacción, los resultados para el casco Adrian mostraron una diferencia significativa en la presión respecto al casco británico/estadounidense Brodie y el casco alemán Stahlhelm (p<0,01). El casco Adrian registró presiones más bajas en la corona que en todos los demás casos. No se apreciaron diferencias significativas entre sí (p>0,05) con los casos ACH, Stahlhelm (GER) y Brodie (AMR). Los resultados del modelo lineal general para el lugar de medición en la corona se reflejan en la imagen 8. Algunas de las líneas de regresión para los resultados de las explosiones sobre los cascos no pasan a través del origen, lo que sugiere que la atenuación de la presión máxima que proporcionan los cascos puede no ser lineal a presiones más bajas de la explosión.

Además de presiones máximas más bajas, las trazas de presión en la corona también mostraron una carga más gradual en lugar de un frente de choque casi instantáneo al evaluar los casos con casco respecto a la cabeza desnuda (imagen 5). El análisis del vídeo del momento de la explosión mostró que el retraso en los aumentos de presión observados en la imagen corresponde al casco que se desplaza sobre el sistema de suspensión (badana) hacia la cabeza, y el tiempo de presión máxima corresponde aproximadamente a la compresión máxima del sistema de suspensión del casco (badana). Sin embargo, debido a la corta duración (<2 ms) de estos picos de presión, se consideró adecuado el uso de un criterio de lesión por explosión.

Se comprobó que las pruebas de explosiones llevadas a cabo con diferentes amplitudes se encontraban en el rango de riesgo del 50% de hemorragia meníngea leve, moderada y grave para la presión en la corona sobre la cabeza desnuda (imagen  9), basándose en la extrapolación de las curvas de riesgo  (sección 2.5)²⁴. El uso del casco se asoció con una disminución del riesgo de hemorragia. Esto indica que las pruebas realizadas simulan de forma realista la exposición a explosiones en las que el uso del casco podría modificar los efectos fisiológicos sobre el cerebro. En la imagen 10, se compara el caso del 50% de riesgo de hemorragia meníngea moderada para la cabeza desnuda con los resultados de la cabeza con casco a ese nivel de explosión. Para los mismos niveles de explosión, el riesgo de hemorragia moderada es menor del 10% con todos los cascos, y cerca del 1% para el casco Adrian.

En las mediciones de la frente (imagen 11a), se produjo una diferencia significativa entre las pendientes para la cabeza desnuda y todos los cascos (p<0,0001), y el casco Stahlhelm varió respecto al casco ACH y al casco Brodie (p<0,05) con presiones más altas. No se encontraron diferencias adicionales al eliminar el término de interacción (p>0,05).

En la mediciones detrás de la cabeza (imagen 11b), nuevamente se produjo una diferencia significativa entre las pendientes para la cabeza desnuda y todos los cascos (p<0,0001). Al eliminar el término de interacción para considerar pendientes iguales, se comprobó que el casco Stahlhelm difería del casco Brodie y el ACH (p<0,01), y el casco Adrian también difería del casco Brodie y el ACH (p<0,005).

Para la presión medida en el ojo izquierdo (imagen 11c), tanto la cabeza desnuda como el casco ACH difieren en las pendientes respecto a todos los demás cascos (p<0,0001), con presiones más altas. La pendiente para el casco Adrian difiere significativamente de la del casco Brodie (p<0,001). Para pendientes iguales, la cabeza desnuda tiene una presión significativamente más alta que con el casco ACH (p<0,0001).

En las mediciones tras la oreja derecha (imagen 11d), la cabeza desnuda mostró una pendiente más pronunciada que la de todos los cascos (p<0,0001). Al comparar los resultados con pendientes iguales, con el casco Adrian se registró una presión más alta que con el casco Brodie y el ACH (p<0,01), y que con el casco Stahlhelm (p<0,05).

Las presiones en el oído con la cabeza desnuda superaron el 50% del riesgo de ruptura mayor del tímpano³³ en todos los niveles de explosión de las pruebas (imagen 12). El riesgo de ruptura del tímpano se redujo con todos los cascos, con menos de un 50% de riesgo de ruptura menor del tímpano en los niveles bajos de explosión para todos los cascos excepto el casco Adrian y un 50% de riesgo de ruptura moderada y 50% de riesgo de ruptura mayor del tímpano en los niveles medios y altos de explosión, respectivamente.

 

Discusión

El resultado de la exposición a una explosión de la cabeza desnuda fue más grave que en el caso de la cabeza protegida por cualquier casco de prueba, para todas las intensidades de explosión y en todos los lugares de medición de la cabeza. La cabeza desnuda experimentó presiones máximas entre tres y cinco veces más altas (imagen 8) en la corona de la cabeza (para duraciones similares de la fase positiva de la explosión), lo que corresponde a un mayor riesgo de hemorragia subaracnoidea o meníngea y otras potenciales lesiones cerebrales²⁴. Los cascos proporcionaron una mayor atenuación de las ondas de choque a niveles de presión más bajos que a niveles de presión más altos (imagen 8), lo que sugiere que los cascos podrían desempeñar un papel especialmente importante en la protección frente a traumatismos craneoencefálicos leves inducidos por una explosión primaria (onda expansiva). Llevar casco, especialmente para duraciones cortas de la fase positiva (0,5-5 ms), tiene un efecto de reducción significativa del riesgo de lesión cerebral por explosión en la corona de la cabeza en los casos de explosión áerea. En otras orientaciones, la medición de la onda expansiva se complica por la diferencia entre las presiones reflejadas (medidas con manómetros orientados paralelamente a la dirección de la explosión) e incidentes (medidas con manómetros orientados perpendicularmente a la dirección de la explosión), lo que lleva a informes contradictorios de cascos que posiblemente incrementen el riesgo de lesiones por onda expansiva^36-42. Se ha de evaluar cuidadosamente este riesgo, porque las mediciones de la presión reflejada pueden ser entre dos y ocho veces mayores que las mediciones de la presión incidente para una misma explosión³².

Un resultado interesante de estos experimentos es el efecto protector frente a explosiones que proporciona el casco francés Adrian, que experimentó una presión en la corona menor que la de los demás cascos, a pesar de estar fabricado con materiales similares al casco Stahlhelm y el Brodie, con una carcasa de menor espesor (tabla de características de los cascos). Este resultado puede deberse a la cresta deflectora a lo largo de la línea media del casco (imagen 1a). Añadida específicamente con la idea de hacer frente a la metralla de las explosiones aéreas⁴³, esta característica del casco puede desviar la onda de choque hacia los lados de la cabeza, en lugar de permitir el impacto de la onda de choque sobre una superficie más plana, como se observa en los otros cascos. La cresta proporciona además una primera capa adicional para reflejar la onda de choque antes de reflejarse una segunda vez por el casco en sí. El sensor de presión de la corona de la cabeza utilizado en las mediciones se situó debajo de la cresta deflectora y por este motivo puede haber experimentado una presión máxima menor. Son necesarios más estudios para comprobar si la modificación de la geometría de la superficie o los accesorios del casco pueden aumentar la capacidad protectora de los cascos frente a explosiones.

Las presiones máximas medidas en lugares diferentes de la corona de la cabeza fueron mucho más bajas por realizarse la medición con una orientación incidente a la onda expansiva y por encontrarse parcial o totalmente cubiertas por los cascos. En estos lugares de medición, el casco Adrian no proporcionó la misma ventaja protectora observada en la corona de la cabeza. Aparentemente la atenuación de la presión se debió al ancho del ala y/o a la cubierta del casco (imagen 2). En la oreja, el ala más estrecha y la cubierta más pequeña del casco Adrian supusieron presiones más altas que los otros cascos (imagen 11d), con el correspondiente aumento del riesgo de daños en el tímpano (iamgen 12). El casco ACH, sin ala como se ve en los cascos históricos, registró mayores presiones en el ojo (imagen 11c), pero proporcionó una protección similar en los demás lugares de medición.

Aunque la protección balística que ofrecen los cascos ha aumentado significativamente desde la 1ªGM y ha salvado muchas vidas³⁹, los resultados ofrecidos por este estudio sugieren que el casco ACH no se comportó cuantitativa o cualitativamente mejor que los cascos históricos, y arrojó un peor resultado que el casco Adrian frente a una explosión primaria aérea en la corona de la cabeza. Por otra parte, aunque el diseño de los cascos de combate se ha centrado activamente en la protección balística, la protección frente a la explosión primaria (onda expansiva) no ha sido un elemento importante del diseño³⁹, y el nivel de protección frente a la explosión primaria de todos los cascos probados es grande respecto a llevar la cabeza desnuda. Uno de los motivos es que durante los sesenta años siguientes a la 1ªGM no se llegó a entender bien el mecanismo de protección frente a la onda expansiva. Aunque aún no se sabe el mecanismo exacto de las lesiones causadas por la explosión primaria, la comunidad científica (cf. Cooper, 1991)⁴⁴ identificó la impedancia acústica como un mecanismo importante de protección frente a la onda expansiva.

El mecanismo de protección de impedancia acústica frente a las lesiones por onda expansiva es diferente al de protección frente a las lesiones de proyectiles. Una protección ideal frente a impactos balísticos puede absorber localmente impactos de alta energía sin fallos o deformaciones excesivas al distribuir la energía por el material⁴⁵. Los materiales más recomendables tienen una alta resistencia, un alto módulo y una alta velocidad local del sonido. Se puede conseguir protección frente a una explosión primaria atenuando la onda expansiva mediante el uso de un desajuste de la impedancia acústica en una interfaz a través de la cual viaja la onda. Una mayor diferencia en la impedancia acústica hace que se refleje una mayor proporción de la onda expansiva, en lugar de penetrar en el cuerpo y causar estrés local y daños en los tejidos⁴⁴. A partir de la siguiente ecuación se puede calcular el coeficiente de reflexión R.

En la ecuación, Z_casco es la impedancia acústica del casco y Z_aire es la impedancia acústica del aire. La impedancia acústica Z se calcula como el producto de la velocidad del sonido en el material y la densidad del material. Los materiales ideales tienen una alta velocidad local del sonido y una alta densidad. El acero tiene una mayor impedancia acústica (~38⋅106 Pa⋅s/m³ para el acero al manganeso endurecido⁴⁶, utilizado en cascos de la 1ªGM) que las fibras compuestas (~12⋅106 Pa⋅s/m³ para el Kevlar^® 129, utilizado en el casco ACH⁴⁷), pero dado que ambas impedancias tienen órdenes de magnitud mayores que el aire (~440 Pa⋅s/m³), la reflexión será relativamente parecida (R=0,999977 para el acero y R=0,999927 para el Kevlar® 129). Esto explica los resultados similares para el casco ACH, el Brodie y el Stahlhelm. Muchos materiales para cascos y blindajes corporales tienen propiedades adecuadas tanto para protección frente a impactos balísticos como frente a explosiones. En toda interfaz que presente un desajuste de la impedancia acústica se produce una reflexión de la onda de choque, por lo que se puede mejorar la protección frente a la explosión primaria (onda de choque) mediante el uso de configuraciones de varias capas de alta y baja impedancia acústica, de forma que cada una refleje una proporción de la onda penetrante. No todas las capas de material aportan beneficios para la protección frente a la onda expansiva, y si un material tiene una impedancia acústica entremedias de la de dos materiales contiguos, va a aumentar la penetración de la onda expansiva. La estructura en capas del casco ACH puede contribuir a su protección frente a explosiones, pero son necesarios más estudios para evaluar el efecto de una estructura en capas.

El grosor del casco mejora la protección balística al proporcionar mayor resistencia y absorción de energía, pero no influye en la protección frente a explosiones ya que la reflexión solo se produce en las interfaces. Aunque en este estudio el casco Adrian aportó una mayor protección frente a explosiones en la corona de la cabeza en el caso de explosiones aéreas, Dean¹ señaló que la protección balística que proporcionaba era menor que la del casco Brodie y el Stahlhelm.

Una de las limitaciones de este estudio es que solo se analizó una situación de explosión aérea. Si bien se trata de una buena aproximación a las explosiones de la guerra de trincheras como la 1ªGM, o de los bombardeos aéreos sobre soldados expuestos sobre el terreno durante la acción de una gran unidad, no resulta tan aplicable a otros casos como los dispositivos explosivos improvisados (IEDs) utilizados como bombas de cuneta [roadside bombs], una de las principales causas de heridos y muertos en los conflictos de Irak y Afganistán⁴⁸. El presente estudio evaluó la protección frente a la explosión primaria (onda expansiva) sin considerar las superficies reflectantes. En situaciones de combate, la reflexión de una onda expansiva hacia fuera de la superficie puede influir considerablemente en los resultados⁴⁹, como cuando un soldado entra en posición de tendido con la corona de la cabeza hacia la explosión, o está encerrado en una trinchera. Otra limitación del estudio es que los cascos históricos probados tienen más de cien años de antigüedad, y sus propiedades materiales pueden no ser las mismas que en su momento. Aunque las propiedades del acero son relativamente estables, el forro interior del casco puede estar demasiado deteriorado. Además, no existe garantía de que las réplicas sean copias idénticas de los originales, por lo que este estudio es tan fiel a los cascos originales como ha sido posible. Por último, este estudio no contempló la posibilidad de una contusión cerebral traumática por el impacto del casco en la cabeza a consecuencia de la aceleración por el paso de la onda de sobrepresión. Este efecto puede ser grande con las explosiones que tengan una mayor duración de la fase positiva y un mayor impulso que en el caso de los proyectiles de artillería considerados en este estudio.

 

Conclusiones

Curiosamente, aunque la protección frente a la explosición primaria (onda expansiva) no era un objetivo de diseño, tanto los cascos de combate históricos como los modernos brindan protección frente a la explosión primaria. Los cascos modernos probados proporcionan una protección similar a la de los históricos en el caso de una explosión aérea. Todos los cascos probados proporcionaron una protección significativa frente a las lesiones cerebrales por explosión primaria en comparación con llevar la cabeza descubierta. Esta protección redujo sustancialmente el potencial de sufrir traumatismos craneoencefálicos por la onda expansiva de explosiones equivalentes a los típicos proyectiles de artillería de la Primera Guerra Mundial según los criterios lesivos disponibles. Si bien los cascos también proporcionaron cierta protección frente a la rotura del tímpano según las actuales evaluaciones del riesgo de lesión del tímpano, las presiones resultantes no dejaban de ser dañinas incluso en el caso de los cascos con ala más ancha. Las principales mejoras realizadas en la tecnología de los cascos para aumentar su protección balística no ofrecen el mismo aumento en la protección frente a explosiones. En ciertos lugares de medición, algunos cascos históricos proporcionaron más atenuación de explosión que el casco moderno, aunque los cascos modernos basados en compuestos de fibra de hoy día protegen mucho más de las amenazas balísticas típicas. En concreto, el casco francés Adrian de 1915 produjo una presión máxima más baja en la corona de la cabeza en comparación con el casco avanzado de combate (ACH) y los otros cascos históricos. Estos resultados demuestran que existe una coincidencia considerable en materiales que tienen buenas cualidades para la protección balística y contra explosiones, pero los mecanismos de protección son diferentes. La protección contra la explosión primaria se centra principalmente en los desajustes de impedancia que reducen la amplitud de las ondas transmitidas a la cabeza. La introducción de cascos de acero durante la Primera Guerra Mundial redujo el número de lesiones por explosión y por impactos balísticos en el frente. En el futuro, se podría mejorar la protección contra la explosión primaria que ofrece un casco mediante la elección del material adecuado, el uso de múltiples capas de materiales con diferente impedancia acústica o la propia geometría del casco.

 

Agradecimientos

Los autores agradecen al Departamento de Ingeniería Biomédica de la Facultad de Ingeniería Pratt de la Universidad de Duke por su apoyo en la realización de este estudio.

 

Referencias

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