破片对人体的损伤分析与防护措施

1.3.2.1　直接损伤

人类对破片伤的认识始于19世纪末,但由于技术条件的限制,并不清楚其致伤原理。1899年,Bircher指出铅球破片(质量为12.5 g、直径为12.5 mm)对人体产生致命杀伤的临界速度为100 m/s(动能为62 J),而速度为50 m/s(动能为15 J)的破片只能擦伤皮肤而无法伤及骨骼,从而提出了破片动能杀伤判据。1907年,Journée提出不同直径的铅球穿透皮肤所需的碰撞速度均在50 m/s以上,并且与铅球大小和能量无关。1935年,Callender等对步枪弹的致伤机制进行了研究,奠定了“创伤弹道学”研究的理论基础。1956年,Allen与Sperrazza提出了著名的A-S杀伤判据,以人员在规定时间内丧失战斗力的概率来反映破片对人体的损伤。由美国陆军部出版的《Wound Ballistics》,对实验研究和战伤资料进行了系统介绍。Sperrazza等提出不同直径的子弹穿透皮肤所需的弹道极限速度需在50 m/s以上,侵入肌肉2～3 cm的弹道极限速度为70 m/s,并指出子弹穿透皮肤的临界速度取决于弹头的断面比重。Wagner和Mattoo基于实验研究提出穿透皮肤的临界比动能为10～15 J/cm2,并发现破片穿透皮肤受到的阻力要比穿透同样厚度肌肉的阻力大40%左右。Kneubuehl编写的《Wound ballistics:basics and applications》详细介绍了创伤弹道学相关理论技术。在骨骼破片伤的研究方面,Amato提出枪弹穿透骨骼的临界速度为65 m/s。Zhen等采用数值模拟方法研究了手枪弹入射角和速度对人体下颌骨的损伤过程。Huelke等基于钢球对新鲜人股骨的射击实验,获得钢球对骨骼的致伤机理。Mota等建立了人体颅骨模型,并分析了火器伤的致伤机理。

20世纪70年代,我国陆军军医大学率先开展了创伤弹道学实验研究,成为我国创伤弹道学领域研究的开始。1985年,刘荫秋等编著的《创伤弹道学概论》对破片致伤原理及特点进行了阐述,奠定了我国创伤弹道学研究的基础。贾骏麒等研究了高速破片对长白猪颞下颌关节损伤的生物力学机制,并分析了柱形破片速度和长径比对损伤的影响。许川等分析了由爆炸产生的破片对人体的损伤机制和损伤特点。卢海涛等研究了低速钢球对人体模拟靶标的损伤,建立了钢质球形破片对皮肤冲击速度与剩余速度的关系式。陈渝斌等建立了猪下颌骨火器伤有限元模型,分析了破片速度、形状及质量等因素对骨骼损伤的影响。王敬夫等模拟了破片对猪下颌软硬复合组织的损伤过程,并对有限元模型的有效性进行了验证。张金洋建立了包含人体主要组织器官的几何模型,分析了人体丧失战斗力的影响因素、人体损伤以及失能的评判标准和方法,并开发出人体易损性评估程序。王俊红研究了小破片对生物目标的损伤效应和失能效应,并分析了创伤和失能效应的主要影响因素。雷涛模拟了7.62 mm手枪弹对猪下颌骨致伤的动态过程,展示出骨骼碎片飞溅和骨折情况。

1.3.2.2　后钝性损伤(www.xing528.com)

防弹衣是一种用于防护枪弹或破片对人体伤害的装备,主要是通过防弹材料消释弹头的动能或将弹体破碎后形成的破片弹开,从而达到防弹的目的,对于减少军人和警察的伤亡起着非常重要的防护作用。虽然防弹衣的使用能够有效减少枪弹或破片造成的贯穿性损伤,并阻挡枪弹或破片穿透人体组织,但仍有部分能量会通过防弹衣传递给人体,造成胸腹部组织器官的后钝性损伤,甚至远达脑损伤,这种非贯穿性损伤现象称为防弹衣后钝性损伤(Behind Armor Blunt Trauma,BABT)。据报道,美国士兵中就曾出现由于防弹衣后钝性损伤而导致死亡的案例,虽然子弹没有击穿防弹衣,却震碎了5根肋骨,肋骨碎片插入心脏导致其死亡。有些时候,穿防弹衣导致的后钝性损伤的致命概率反而更高。

根据防弹材料的不同,防弹衣可以分为软质防弹衣、硬质防弹衣和软硬复合防弹衣。软质防弹衣具有柔软、轻质和舒适等优点,但被手枪弹击中后的变形较大,造成的防弹衣后钝性损伤也比较严重。硬质防弹衣具有较好的防弹和抗非贯穿性损伤性能,但具有坚硬、笨重、不舒适、易产生二次破片等缺点。相对于单一材料的防弹衣,软硬复合防弹衣兼具软质防弹衣和硬质防弹衣的优点,具有更好的抗侵彻和抗非贯穿性损伤性能。根据GA 141—2010《警用防弹衣》标准,防弹衣具有有效防弹性能的标准为:在手枪弹有效击中情况下,防弹衣能阻断弹头,且背衬材料(如胶泥)的最大凹陷深度不超过25 mm。NIJ-0101.06《Ballistic Resistance of Body Armor》的凹陷深度标准为44 mm。由于没有考虑压力波和能量传递对人体损伤的影响,该评价方法无法考虑人体穿防弹衣后的损伤情况,只能用于评价防弹衣的防弹性能,因而难以合理评价防弹衣对人体的防护性能。

防弹衣后钝性损伤的研究由来已久,国内外学者也对其进行了大量研究。1969年,Shepard等报道了首例防弹衣后钝性肺损伤的案例,开启了防弹衣后钝性损伤的研究。Roberts开发出人体躯干有限元模型,先后模拟了手枪弹对人体躯干的钝性损伤过程,并通过假人实验验证了有限元模型的有效性,开创了该领域数值模拟研究的先河。Kang等研究了非穿透性弹道冲击下,软质防弹衣内部的应力场分布,以及皮肤、骨骼和器官的力学响应。Kunz等研究了由防弹衣后钝性损伤引起的心脏损伤,并分析了心脏内压力波的形成及传播过程。Cannon发现手枪弹击中防弹衣后,除了造成胸部钝挫伤,还可能造成间接脑损伤。Carr等使用系统评价方法对可公开获取的文献进行分析,将后钝性损伤及其严重程度进行了归类。Jolly等研究了弹丸击中防弹衣后,人体胸部有限元模型的生物力学响应。董萍研究了软质防弹衣在手枪弹非贯穿弹道侵彻作用下的破坏形态,得到了皮肤、骨骼和内脏器官应力场和压力场的演化规律。刘海基于动物实验和数值模拟研究,首次揭示了手枪弹对人体胸部钝性冲击作用而导致间接脑损伤的机制,并提出胸部与脑部之间的力学传导途径,即:血液与血管、椎骨、皮下组织。张启宽研究了步枪弹对人体躯干的钝性冲击作用,得到组织器官压力场和应力场的分布及演化规律。