投射物钝挫伤的研究进展
作者：康建毅，赵德春，王建民，赖西南
【摘要】 钝挫伤是生活中尤其是事故中常见的伤类之一。非致命性武器击中人体或子弹击中防弹衣可造成钝挫伤，其造成的损伤效应与通常交通事故钝挫伤有所不同，对投射物钝挫伤的研究可以了解人体组织对投射物撞击的力学响应，确定人体损伤与投射物载荷之间的量效关系。本文就当前投射物造成钝挫伤的致伤机制、研究现状和评估标准进行综述。
【关键词】 钝挫伤;投射物;撞击伤;损伤机制
Abstract： Blunt trauma is one of the common injuries in social lives,especially in traffic accident.Non?lethal kinetic impactors and bullet?hitting protective body armor system can result in blunt trauma,whose injury effect is different with those in traffic accident.With the research on blunt trauma of projectiles,we can understand mechanical response of biological tissue,make sure of quantity?effect relation between body injury and projectiles.This paper reviews injury mechanism,research development and estimate criterion of blunt trauma of projectiles.
Key words:blunt trauma;projectiles;impact injury;injury mechanism
通常人们对钝挫伤的研究主要集中在交通事故中，据统计目前全球每年因车祸致死的人数已超过100万，伤约1500万。交通伤中主要的伤类是撞击伤，即外力作用于机体所出现的机械性损伤，它包括外力作用、机体载荷和动力响应、组织损伤等一系列复杂的过程。研究显示,严重交通伤特点是以多发伤为主, 尤其是颅脑、胸、腹部闭合性钝挫伤所占比例最大[1]。因此国内外对交通事故导致的撞击钝挫伤作了大量的研究工作，并取得了重要的成果。但是由自由飞行投射物导致的钝挫伤和防弹衣后的钝挫伤却很少有人关注，前者主要是发生在非致命武器打击时或者爆炸发生时石块等物体的抛掷时，后者主要发生在着防弹衣的士兵被击中后，虽然由于防弹衣对弹头的阻滞作用而没有被击穿，但是中弹部位仍有一定钝性载荷的作用，猛烈的撞击体腔并压迫其内脏导致损伤，该损伤通常被称为“防弹衣后钝挫伤”，简称“BABT”。
迄今国内还很少看到有关投射物钝挫伤的研究报道，对作用于人体的投射物钝挫伤生理效应的预测是非常困难的，投射物特性，撞击的位置，角度和目标的生理特性决定着最终的效应。身体的有些部位明显要比其它部位易受到钝挫伤，因此具有相同能量的投射物撞击不同的部位可引起完全不同的损伤特点。对投射物钝挫伤研究在于了解人体组织对非穿透性投射物的力学响应，进而阐明投射物钝挫伤的损伤机制，为投射物钝挫伤的防护、诊断提供理论基础，本文就国外有关投射物钝挫伤的研究作一简要综述。
1 钝挫伤损伤机制
1.1 非致命性武器的投射物钝挫伤致伤机制 非致命性武器导致的钝挫伤是指由于非穿透性物体撞击时导致的损伤，这些导致钝挫伤的物体通常具有低速、缺少锋利的特性。该钝挫伤损伤机制主要分为两种[2-4]：(1)挤压和剪切机制：当组织受到挤压和位移发生在相对较长的时间里这种机制起主导作用，低速位移通过挤压器官施加剪切力到动脉、静脉、骨骼和相关的组织造成损伤。(2)黏性损伤机制：黏性损伤机制主要是由作用时间决定挤压损伤，当挤压快速发生时，被压缩的组织不能快速的变形来减轻突然增加的流体静力压，而导致微动脉损伤，该现象与结构破坏与否主要取决于结构上加载的冲击波作用时间一样。另外在投射物前面的高压产生的冲量会进一步增加损伤。如果该冲量继续传播到其他组织，尤其是传播到一些不连续的空腔界面中(如肺，胃，肠)，压力冲量会加重损伤。
当非穿透性投射物击中身体时，使得身体表面发生偏转，挤压或者在飞行弹道上取代组织。当偏转量增大时候，在投射物前面的压力增加很缓慢，在这种低偏移过程中，损伤程度同偏移的距离是密切相关的，随着位移的速度增加，发生在生理损伤前总的位移距离减少，投射物前的瞬时压力增加，损伤程度不仅仅是发生在弹道前进的方向，位移的速度和投射物下的压力增加到一定程度，生理损伤变成位移的指数次方。
1.2 投射物造成的防弹衣后损伤机制 投射物造成的防弹衣后损伤机制主要是塑性变形机制。对于软防弹衣，有两种确定的载荷模型：剪切和拉伸，在一定的子弹速度下，剪切模型起主要作用。对于硬防弹衣来说，挤压是主要的损伤机制[5]。
软质防弹材料，是有机织物经过一定的缝制工艺固定在一起的，或是由无纬布多层叠合在一起。其防弹机制与硬质防弹材料不同，后者更多的是利用自身的硬度，改变弹头或破片的形状，降低动能，起到防弹作用。纤维织物则主要是通过纤维的变形吸收投射物的能量从而达到防弹目的。当弹头或破片击中织物时，侵彻的方式有拉伸破坏和剪切破坏两种基本机制。这两种机制的发生主要与弹头或破片的形状、材质、速度有关，头部呈圆锥形的弹头射入织物时，主要以拉伸破坏为主。而对于高速不规则的破片，则以剪切破坏为主。
弹头击中织物后，产生的应变波分为纵向波和横向波，主要涉及到被打击的纤维，但纵向波的交接点可将应力传给辅助纤维，横向波产生的位移也通过交接点使边缘纤维承受传来的应力。弹道学试验表明，40%～50%的能量被辅助纤维所吸收。这样，织物的交接点越多，能量吸收就越多，防弹性能越好。因此防弹织物的编织方式较多地采用平纹，而非斜纹或缎纹。
2 当前的研究状况
一些研究机构曾经对身体钝挫伤做过研究，建立了一些预测损伤的模型和阈值，然而很少有模型适用于自由飞行投射物引起的钝挫伤，因为大多数模型的输入参数应用范围是不适合自由飞行投射物的要求，即低质量、高速度。
非致命性武器投射物的损伤风险主要分为钝挫伤、皮肤擦伤、眼睛损伤。这些损伤程度都由目标的范围、撞击区域的大小、被撞击区域衣服的厚度[6]。建立钝挫伤模型对于预测撞击效果是非常有重要意义的决定。
2.1 钝挫伤的研究发展状况 美国在60年代中期就开始动物的钝挫伤损伤试验研究，在80年代初步建立一些钝挫伤的损伤模型。Cooper等[7]通过动物试验把胸部变形程度同动物致命性联系在一起，建立了用投射物能量、直径、目标质量、胸壁厚度四个物理参数预测胸部变形程度的数学模型。
在通用汽车工作的Viano建立了Viscous模型用来预测由于钝性撞击导致的软组织挤压造成的严重损伤概率[8]。Viscous模型是根据模拟汽车事故中方向盘对尸体胸部撞击建立的，Viano认为心脏损伤是两个参数的函数：压缩比和压缩速率。当压缩发生在很短时间内，小的胸部压缩就可以导致胸部器官严重损坏，它被称之为黏性效应。如果胸部发生缓慢的压缩，身体组织变形能够避免伤害，而当压缩发生很快时，组织来不及产生变形来保护身体不受伤害。对尸体，动物，假人的进一步研究最终导致了CVmax模型的建立，CVmax是指胸部瞬时的最大压缩量C乘以最大压缩速率V。Cuadros[9]把CVmax模型研究进一步扩展到非致命投射物研究和商业领域中,如在和运动预防医学院的的合作研究中，Viano使用Viscous模型评估棒球撞击胸部的危险性，以及检测商业领域的胸部保护装置的安全性[10]。
Cooper和Taylor[11]对自由飞行的投射物钝挫伤作了一些研究，用140g重直径为3.7cm的投射物以30～64m/s的速度撞击猪胸部时，使用高速摄影机测量胸部偏移距离和偏移速度。用这些数据拟合了两个方程，一个用于计算标准化了的胸部偏移，另外一个用于计算事实上的胸部偏移量。这两个预测胸部偏移量方程都是基于动能、投射物直径、质量、目标胸部厚度，另外在一组试验中，预先在猪心脏和大动脉位置处放置一些小银球，用高速x光摄影测量撞击后心脏位置的位移量和位移速度。根据试验结果Cooper提出，在速度大于30m/s时用小质量投射物的撞击导致了很短的持续时间、胸部的小位移。在这种情况下，应力波对损伤机制起主要作用，如在肺部、胃、肠的空气和组织的界面，应力波产生损伤。
投射物击中眼睛能引起严重损伤，大多数高速投射物击中眼睛能引起眼睛完全失明。球状投射物对眼部穿透伤所需能量密度为(6±1.5)J/cm2。目前对投射物造成的眼睛损伤主要是通过击中眼睛的概率预测损伤。Stewart[12]根据一定的假设(如虽然撞击眼睛并不总是导致眼睛失明，但是创伤可能导致严重损伤并引起眼部并发症)提出了投射物击中眼睛的预测模型。根据此模型分析[8]，直立弹丸爆炸飞散时，在5m范围小孩的眼睛有2%的概率被击中。10人一组的小孩就有20%的概率其中1人的眼睛被击中。在投射物3m范围内成年人有<1%的概率1只眼睛被击中。10人一组的成年人就有超过6%的概率其中1人的眼睛被击中。
投射物能造成皮肤的钝挫伤，但是什么条件下投射物能穿透皮肤就成为研究钝挫伤一个关键问题。国外学者通过试验建立了几种模型和标准来预测不同形状的投射物穿透伤。其中一种模型叫皮肤穿透V50方程，被弹道实验室(BRL)建立用来评估无后座力步枪的穿透性风险[13]，评估穿透皮肤的50%可能性所需要的速度方程如下：V50=836×A/Wf+72.3。该方程是基于不同形状的投射物射击山羊皮肤得出的，A是投射物横截面面积(ft2)(1foot=0.305m)，Wf是投射物的质量(lbs)1pound=0.454kg。皮肤穿透分析报告指出0.32口径的球形投射物的V50是604ft/sec(183m/sec)。另外一个模型total body model(TBM)被Walter Reed Army Institute(WRAIR)采纳，认为穿透阈值为20.6J/cm2，使用(TBM)模型得出，0.32口径的球形投射物的穿透所需速度为750ft/sec(227m/sec)。Gonzalez通过当前钝挫伤阈值和模型建立了评估66mm口径非致命性武器投射物的致命性/损伤阈值表[14]。表1 钝挫伤的损伤/致命性阈值
损伤类型阈 值 数据来源头骨破裂33?75 ft?lbs,平均50ft?lbs瑞典研究院额面骨破裂上颚骨和下颚骨为40 ft?lbs,颊骨为4?10 ft?lbs汽车研究所胸部撞击的致命性MV2/WD P(L)=1/{1+exp[α+βln(MV2/WD)]} Edgewood军工厂肝脏破裂的概率MV2/TW1/3DEdgewood 军工厂P(L)=1/{(1+6.645×e10)/[(MV2/DW1/3 T)3.597]}钝挫伤>90 ft?lbs造成严重损伤,30?90 ft?lbs是危险区域,30 ft?lbs以下是低风险Land作战试验室，人机工程试验室
Bogosian等[15]对恐怖炸弹袭击办公室建筑导致的钝挫伤进行了研究，研究范围集中在爆炸冲击波导致不同的建筑物碎片击中人体后引起的损伤。试验通过在三层楼高的典型办公室里放置测试假人，模拟炸弹在建筑物外爆炸，在假人头部安装有不同的加速度传感器用来判断头部遭受的损伤。试验结果显示，办公室大多数内部设施被掀翻或者撕成碎片，天花板，书架，其他东西扔满了整个房间，结果分析表明在这个房间里会产生由于头部撞击遭受到致命损伤的后果，另外1个会中度损伤。此外作者还用MADYMO软件模拟了玻璃窗户击中头部后头部的动力学响应过程，也得出同样的结果。
2.2 防弹衣后的钝挫伤状况 Soderstrom等[16]人在对一种新型软防弹衣的医学评估中，用0.38口径的10.3g铅制投射物以244m/s射击穿有凯夫拉防弹衣的羊的不同部位，试验结果表明，皮肤损伤主要是以直径为2～4cm的表面擦伤和周围为淤斑为特征，皮肤擦伤延展到胸腹部的肌肉组织，但是没有进入到胸腔。防弹衣后的内部损伤同表面的擦伤没有直接的联系。同不穿防弹衣服相比，穿防弹衣的存活率从75%～93%提高到95%～99%，需要的可能性从7%～10%到82% ～100%。 他们认为被投射物击中后尽管只有很小的皮肤擦伤，也需要到作进一步的观察。
Stuhmiller等[5]通过防弹衣后的测试试验得到以下结论。子弹和防弹衣的撞击持续时间通常在1或者2毫秒，在防弹衣和模拟物质的撞击持续时间通常要长一些，有十几个毫秒。具体实际测试值由子弹的速度和防弹衣的配置决定。传感器测试和高速摄影测试的结果与有限元模拟的防弹衣后压力分布是一致的。主要的子弹损伤机制是塑性变形，对于软防弹衣，有两种清楚的载荷模型：剪切和拉伸，在一定的子弹速度下，剪切模型起主要作用。对于硬质防弹衣来说，挤压是主要的机制。软防弹衣避弹原理是利用把子弹撞击能量和动量扩散到更大的防弹衣区域，因此更多质量要涉及和撞击速度减少，尽管复合防弹衣物质的纵向波速非常高，通常在5000m/s，但是在动量和能量传递后的防弹衣物质的波速要低一些，通常<1000m/s，速度主要被防弹衣物质应力?应变关系影响。陶质硬防弹衣避弹原理是使高速步枪子弹变钝和产生一个挤压区域。在侵彻过程中，步枪子弹通常破碎，能量分散，挤压区域撞击到防弹衣的后面，进一步分散撞击能量。
Lobuono等[17]对投射物对防弹衣后的胸部损伤动力学响应作了研究，它分别用口径为7.62mm和9mm球形钢珠射击穿有防弹衣的模型，然后建立了包括胸骨、心、肺、主要的血管、气管的人体胸部有限元模型。通过比较胸骨、脊柱、肺动脉的加速度和心室压，该模型与通过实弹射击尸体得到的结果是一致的。
3 投射物钝挫伤研究展望
对投射物钝挫伤致伤机制的深入研究可以帮助建立非致命武器的安全标准和撞击的安全阈值，对防弹衣后的钝挫伤展开研究可以提高防弹衣的性能。对钝挫伤的研究不能只重视动能而忽略其它特性，因为影响终点效应的还有投射物其他特性如投射物的冲量、撞击接触面积、横截面积，投射物的形状、柔韧性等。 今后钝挫伤的后续研究可以通过完善试验条件，鼓励多学科交叉来进行投射物钝挫伤机制研究，如可以先建立机模型预测投射物撞击生物的生理响应，然后通过动物试验验证，该模型在一定程度上扩大了模拟创伤的研究范围和领域,同时也大大降低了实验费用及繁杂的操作工程,其对损伤生物力学机制的分析无疑是一理想工具。
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