人体躯干组织器官的力学响应研究

选取组织器官距离弹着点最近的位置为测量点,获得骨骼和内脏器官的应力、压力、加速度和速度响应曲线,如图9.15和图9.16所示。

图9.15　骨骼力学响应曲线

(a)骨骼应力;(b)骨骼压力;(c)骨骼加速度;(d)骨骼速度

图9.16　内脏器官力学响应曲线

(a)内脏器官应力;(b)内脏器官压力;(c)内脏器官加速度;(d)内脏器官速度

为直观比较手枪弹直接冲击和钝性冲击(无缓冲层)作用下,人体组织器官的损伤情况,将手枪弹直接损伤和钝性损伤下人体组织器官的应力和压力峰值,以及最大加速度和速度列于表9.6。

表9.6　手枪弹直接损伤和钝性损伤(无缓冲层)下各器官的力学响应参数

续表

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通过对比表9.6中手枪弹直接损伤和钝性损伤下人体躯干组织器官的力学响应参数,可以发现:①手枪弹直接损伤时胸骨和心脏应力、压力、加速度、速度均大于钝性损伤;②手枪弹直接损伤时肋骨和肋软骨的应力、压力均大于钝性损伤,而加速度和速度均小于钝性损伤;③手枪弹直接损伤时肺脏的应力、压力和速度均大于钝性损伤,而加速度要小于钝性损伤;④手枪弹直接损伤时肝脏的应力、加速度和速度均小于钝性损伤,而压力要大于钝性损伤。

由于人体结构和力学响应的复杂性,手枪弹直接损伤和钝性损伤下各组织器官的力学响应参数也并没有呈现出完全一致的变化趋势。如手枪弹直接损伤时胸骨应力、压力、加速度和速度要远大于手枪弹钝性损伤,而手枪弹直接损伤时肋骨应力和压力大于手枪弹钝性损伤,但加速度和速度却小于手枪弹钝性损伤。总的来说,在手枪弹的直接损伤作用下,近弹着点的组织器官的力学响应参数要远大于手枪弹钝性损伤,如胸骨和心脏均位于弹着点处,直接损伤时的压力峰值分别为16.55 GPa和874.47 GPa,钝性损伤时的压力峰值分别为27.87 MPa和8.02 MPa。然而,手枪弹直接损伤时远弹着点的组织器官的力学响应参数却要小于手枪弹钝性损伤,如肝脏距弹着点较远,直接损伤时的压力峰值为5.27 GPa,钝性损伤时的压力峰值为27.87 MPa。这是由手枪弹对人体躯干的直接损伤和钝性损伤机理的不同所造成的。

手枪弹对人体躯干的直接损伤主要表现为手枪弹的贯通伤、瞬时空腔的扩张与收缩以及压力波致伤效应,其损伤部位集中于人体躯干受破片击中的区域,故人体躯干损伤最严重的区域主要发生在弹着点和空腔附近,且该区域的力学响应参数最大,而远弹着点的组织器官的损伤非常小。手枪弹对人体躯干的钝性损伤则表现为复合防弹结构对人体躯干的冲击以及传递给人体躯干的能量,并且复合防弹结构可以分散手枪弹的能量,使手枪弹能量不会过度集中于某一区域。因此,在手枪弹的钝性冲击下,远弹着点的组织器官的损伤程度要大于手枪弹直接损伤,而近弹着点的组织器官的损伤要小于手枪弹直接损伤。

由手枪弹的直接损伤和钝性损伤机理的差异性可以发现,人体穿防弹衣的致命损伤概率可能要大于不穿防弹衣的情况。对于无防弹衣防护的人员,如果手枪弹只击中人体非关键器官,且关键器官离弹着点较远,则人体关键器官不会受到太大的损伤,人体出现致命损伤的概率就很低。对于有防弹衣防护的人员,即使手枪弹只是间接击中了人体非关键器官,且关键器官离弹着点较远,但仍有较多的能量传递到人体关键器官,从而导致人体关键器官会受到较为严重的损伤,人体出现致命损伤的概率也就很高。总的来说,从心脏是否被击穿以及人体躯干力学响应参数的角度看,复合防弹结构可以有效降低手枪弹对人体的杀伤力。

根据表9.6中的应力峰值,骨骼应力为MPa级,而内脏器官应力为kPa级,故骨骼受到的应力远大于内脏器官,这是因为骨骼的硬度和刚度远大于软组织,并承受了大部分能量。由于胸骨距弹着点最近,其次是肋软骨、肋骨,因此胸骨的应力(72.27 MPa)和压力(27.87 MPa)要大于肋软骨(0.33 MPa、0.49 MPa)和肋骨(25.43 MPa、6.50 MPa)。同时,肋软骨材质较软,受到的压力和应力又小于肋骨。根据文献[3]提出的胸骨骨折应力阈值为75～137 MPa,则手枪弹钝性冲击不会造成胸骨骨折。

在手枪弹的冲击作用下,肺泡内的空气会受到周围组织器官强烈的压缩作用而导致肺泡内压力的迅速增大,从而出现肺泡破裂和呼吸困难等现象。由于肺脏紧挨着骨骼系统,且距弹着点最近,则肺脏受到的应力和压力最大。相对于肺脏,心脏位于两叶肺之间且距离弹着点较远,在骨骼和肺脏的保护下,其应力及压力较小,则损伤程度也较小。当心脏受到的冲击能量过大时,心脏也会产生钝性破裂,从而造成严重损伤甚至死亡,并且心脏内血压也会受到冲击作用的影响而迅速增大,从而出现心脏出血等现象。由于肝脏距离弹着点最远,故受到的应力和压力最小,其应力峰值为6.62 kPa,根据文献[3]提到肝脏破裂的应力阈值为127～192 kPa,则手枪弹钝性冲击作用下,肝脏不会出现破裂。

Axelsson认为爆炸冲击波对人体躯干的损伤是由于人体躯干受到冲击波的作用时,胸壁会产生一定的向内运动速度,并压缩肺脏,从而造成严重的肺损伤,因此提出了爆炸冲击波损伤模型,以胸壁最大向内运动速度为评价标准。防弹结构后钝性损伤的实质正是由于防弹结构受到手枪弹的射击后而对人体躯干产生一定的钝性冲击作用,致使胸壁产生向内运动速度,并压缩肺脏、心脏等胸部组织器官,从而造成一定程度的损伤,因此,可以将Axelsson损伤模型作为防弹结构后钝性损伤的主要评价指标。选取弹着点处的胸骨作为胸壁运动速度点,得到胸骨最大向内运动速度为6.42 m/s,则防弹结构会对人体躯干造成轻伤-中伤。另外,肋骨、肋软骨、心脏、肺脏和肝脏最大速度的不同,分别为2.38 m/s、14.56 m/s、3.68 m/s、6.44 m/s、1.96 m/s,也会造成组织器官接触面上的损伤。

根据GA 141—2010《警用防弹衣》和NIJ 0101.06《Ballistic Resistance of Body Armor》标准,皮肤的最大凹陷深度远小于标准规定的凹陷深度,故手枪弹不会对人体躯干造成损伤,但基于Axelsson损伤模型评价得到的人体损伤等级为轻伤-中伤。两种评价结论是明显不同的,主要是因为《警用防弹衣》和《Ballistic Resistance of Body Armor》标准只考虑了皮肤的凹陷深度,而没有考虑人体组织器官的力学响应。因此,现有防弹衣性能评价标准并不能准确评价防弹衣对人体的防护效果。

防弹结构后钝性损伤的产生机制,一方面与手枪弹冲击作用下防弹结构的瞬时变形对人体强烈的压缩作用而产生的压力波以及剪切力有关,另一方面与手枪弹和防弹结构传递给人体的能量有关。压力波能够对弹着点附近的组织器官形成冲击伤,并且可以通过血液、椎骨和皮下组织等途径传递到颅脑,造成远达脑损伤,而剪切力可以导致组织器官的挫裂伤。

除了压力波和剪切力外,防弹衣后瞬时形变产生的加速度也是导致防弹衣后钝性损伤的重要原因。根据牛顿第二定律,当组织器官质量一定时,加速度峰值越大,则组织器官受到的作用力越大,人体躯干损伤程度也就越大,故骨骼系统中软骨的损伤程度最大,内脏器官中肺脏的损伤程度最大。当人体组织器官受到的加速度超过人体损伤的加速度阈值时,就可能造成内脏、血液产生位移,从而导致组织器官接触面上产生拉伤、撕裂。随着手枪弹侵彻过程的结束,组织器官加速度逐渐趋于零并保持稳定。

将本书的数值模拟结果与Roberts的研究数据进行对比分析后,可以看出本书结果与Roberts的研究数据存在较大的差异性。如本书得到的心脏和肝脏距弹着点最近位置的压力峰值分别为8.02 MPa、3.39 MPa,而Roberts得到的心脏和肝脏前部中心点的压力峰值分别为0.743 MPa和0.130 MPa,故本书得到的结果要大于Roberts的结果,从而能够发现防弹衣后钝性损伤是受多种因素影响的,主要包括:①手枪弹类型和初速度的影响:Roberts的研究表明组织器官的压力峰值随手枪弹速度的增大而增大;②防弹衣的结构特征、材料和厚度的影响:Roberts采用的Kevlar软质防弹衣本身就能起到一定的缓冲作用,从而降低了组织器官的压力峰值;③测量点位置的影响:Roberts选取组织器官前部中心点进行测量,但该点可能并不是距弹着点最近的点,如肝脏距弹着点最近的部位位于下腔静脉附近,而肝脏前部中心点距下腔静脉4 cm左右,从而导致组织器官压力偏小;④人体模型结构特征的影响:对于体重较大的人体躯干模型,皮肤和肌肉较厚,可以起到较好的缓冲作用,从而减小手枪弹对人体组织器官的损伤。