不同彈體結(jié)構(gòu)步槍彈致長白豬防彈衣后損傷特點觀察

王凌青，賴西南，張波，蘇正林，黃藝峰，王麗麗

不同彈體結(jié)構(gòu)步槍彈致長白豬防彈衣后損傷特點觀察

王凌青，賴西南，張波，蘇正林，黃藝峰，王麗麗

目的研究彈體結(jié)構(gòu)對防彈衣后損傷的影響。方法健康雄性長白豬10只，按所用槍彈類型的不同隨機分為56式7.62mm步槍彈組(n=5)及SS109 5.56mm步槍彈組(n=5)。通過減裝藥的方式將兩種步槍彈動能調(diào)整至基本一致(約1880J)，射擊NIJ Ⅲ級陶瓷防彈板+軟Ⅱ級警用防彈衣防護下的長白豬左鎖骨中線4～5肋間，射擊距離25m，觀察動物損傷情況。另取2只健康雄性長白豬，于心前區(qū)皮下軟組織內(nèi)及顱內(nèi)放置生物力學(xué)傳感器，測試防彈衣保護下兩種步槍彈命中瞬間各部位壓力變化，分析壓力與損傷的關(guān)系。結(jié)果傷后兩組動物血氧飽和度無明顯變化，呼吸、心率加快，股動脈收縮壓升高，但組間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義。大體解剖可見局部臟器損傷以心、肺鈍性挫傷為主。肺臟出血面積7.62mm組為6.00%±3.18%，明顯高于5.56mm組(3.59%±2.11%，P＜0.05)。鏡下觀察可見肺組織、心肌組織及腦皮質(zhì)神經(jīng)元急性損傷。傷后3h兩組動物血漿肌鈣蛋白T(TnT)含量、肌酸激酶(CK)及肌酸激酶同工酶(CK-MB)活性均上升，且7.62mm組上升幅度高于5.56mm組(P＜0.05)。生物力學(xué)測試顯示命中瞬間心前區(qū)軟組織及顱內(nèi)壓力升高，且7.62mm組高于5.56mm組(P＜0.05)。結(jié)論不同彈體結(jié)構(gòu)步槍彈擊中有防護的長白豬心前區(qū)時生物力學(xué)響應(yīng)及致傷特點不同。研究彈體結(jié)構(gòu)對防彈衣后鈍性傷的影響對戰(zhàn)場針對性救治、武器及防具設(shè)計具有重要意義。

防彈衣；鈍性損傷；彈體結(jié)構(gòu)；生物力學(xué)

在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，防彈衣、防彈頭盔的廣泛應(yīng)用極大地降低了士兵的死亡率。但近年來研究發(fā)現(xiàn)，雖然防彈裝具能有效地阻止彈丸進入體內(nèi)，但由于胸廓與防彈材料的距離有限，防彈材料的變形擠壓與壓力波傳遞仍可能導(dǎo)致彈著點下臟器鈍性損傷及遠達腦損傷，這種損傷被稱為防彈衣后鈍性損傷(behind armor blunt trauma，BABT)[1]。自Shepard等[2]1969年報道了第1例防彈衣后損傷致死的案例以來，防彈衣后鈍性損傷一直是創(chuàng)傷彈道學(xué)研究的熱點。

以往的投射物穿透性損傷效應(yīng)研究證實，彈體結(jié)構(gòu)不同的彈丸在擊中機體時能量釋放的方式不同，所致的損傷特點也不同，子彈的致傷力不僅與能量相關(guān)，也與彈丸的物理特性有關(guān)[3]。但不同彈體結(jié)構(gòu)的彈丸擊中防彈衣后的能量傳遞過程、機體生物力學(xué)響應(yīng)特點目前尚不明確，研究彈體結(jié)構(gòu)不同但能量相似彈丸的防彈衣后鈍性損傷特點及生物力學(xué)改變，對戰(zhàn)場針對性救治、新型武器及防具的開發(fā)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1實驗動物及分組 健康成年雄性長白豬12只，體重50kg左右，由大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所實驗動物中心提供。選取其中2只行生物力學(xué)測試，其余10只隨機分為SS109 5.56mm步槍彈組(5.56mm組，n=5)、56式7.62mm步槍彈組(7.62mm組，n=5)。

1.2致傷彈種及防護材料 ①致傷彈種：通過減裝藥的方式將兩種不同彈體結(jié)構(gòu)的步槍彈調(diào)整為動能基本一致，其中56式7.62mm步槍彈彈頭質(zhì)量7.9g，射速690m/s，動能1880J，SS109 5.56mm步槍彈彈頭質(zhì)量4.0g，射速890m/s，動能1802J。②防護材料：陶瓷防彈插板硬質(zhì)防彈衣和警用Ⅱ級46層高分子聚乙烯材料。防彈插板的防護等級為NIJⅢ級，其構(gòu)成為氧化鋁陶瓷(4.2mm)加高分子聚乙烯板(16mm)，厚度為20.2mm，編號DC3-4。軟式防彈衣為高分子聚乙烯材料，防護等級為GA141-2001Ⅱ級，材料為UDPE-SB21，厚度為16mm，編號FDC-090004q。

1.3損傷效應(yīng)觀察 5.56mm組及7.62mm組動物采用3%戊巴比妥鈉經(jīng)耳緣靜脈注射麻醉，右側(cè)股動脈插管，接三通管用于實驗中追加麻醉藥、采血和進行有創(chuàng)動脈血壓監(jiān)測。動物胸前模擬覆蓋警用軟式防彈衣(內(nèi)層)及硬質(zhì)防彈插板(外層)，妥善固定使之與胸廓緊密貼合，在室內(nèi)靶道距離25m處分別用兩種步槍彈進行射擊，瞄準點為左鎖骨中線4～5肋間隙(心前區(qū))。持續(xù)監(jiān)測致傷前后心電圖、股動脈壓、血氧飽和度、心率及呼吸變化。取傷前及傷后0.5、1、2、3h動脈血，離心取上清，檢測心肌損傷標志物肌鈣蛋白T(TnT，酶聯(lián)免疫吸附法)、肌酸激酶(CK，酶偶聯(lián)法)及肌酸激酶同工酶(CKMB，免疫抑制法)水平，所需試劑盒均購自南京建成生物技術(shù)公司。傷后3h放血處死動物，觀察心、肺、腦的大體形態(tài)改變，分離肺臟行腹側(cè)、背側(cè)拍照，采用PhotoShop CS3軟件圈選肺臟出血部位，計算出血部位像素值占全肺像素值的比例(即肺臟出血面積占肺臟表面積比例)。動物解剖后取距離防彈衣后凸撞擊部位＞5cm處心、肺組織塊，多聚甲醛固定，石蠟包埋、切片，HE染色，光鏡下觀察病理組織學(xué)變化。

1.4生物力學(xué)測試 動物采用3%戊巴比妥鈉經(jīng)耳緣靜脈注射麻醉，右側(cè)股動脈插管，接三通管用于試驗中追加麻醉藥，并放置生物力學(xué)傳感器。①體表壓力傳感器(113B24，PCB Piezotronics Inc.，美國)：在左腋中線5～6肋間皮下(距瞄點10cm)、左腋后線7～8肋間皮下(距瞄點15cm)、左腋后線9～10肋間皮下(距瞄點20cm)放置壓力傳感器，感受面均面向預(yù)定瞄點；②顱內(nèi)壓力傳感器[EZM-093-500(sg)，安徽賽英科技公司]：置于左頂葉腦實質(zhì)內(nèi)0.5cm，感受面面向枕部(距瞄點34cm)。傳感器放置完畢后，在與1.3相同條件下對動物進行射擊，記錄不同彈種撞擊瞬間各傳感器壓力峰值。同一部位重復(fù)射擊，每個彈種至少取得有效數(shù)據(jù)5發(fā)，所獲壓力數(shù)據(jù)采用Flexpro 6.0軟件進行處理。

1.5統(tǒng)計學(xué)處理 采用SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)結(jié)果以±s表示，兩組間比較采用Student'st檢驗；重復(fù)測量數(shù)據(jù)采用一般線性模型(General Linear M odel)的重復(fù)測量方差分析(Repeated Measures ANOVA)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

所有動物致傷后均存活，防彈板未被擊穿，但迎彈面陶瓷破碎，背彈面局部后凸變形，其中7.62mm組后凸高度為5.00±2.29mm，明顯大于5.56mm組(4.13±0.98mm，P＜0.05)。彈頭與防彈板碰撞后外殼破碎，彈芯鐓粗變形。彈著點下局部皮膚形成圓形蒼白區(qū)及環(huán)形紅暈區(qū)，但皮膚連續(xù)性存在；蒼白區(qū)面積與防彈板后凸高度有關(guān)。

2.1一般生命體征變化 7.62mm組動物傷后即刻呼吸、心率加快，股動脈收縮壓升高，至傷后3h尚未恢復(fù)至傷前水平，血氧飽和度較傷前無明顯變化。5.56mm組動物傷后即刻呼吸頻率減慢，5m in后逐漸加快直至傷后3h，而從傷后即刻開始心率加快、股動脈收縮壓升高，至傷后3h尚未恢復(fù)至傷前水平，血氧飽和度較傷前無明顯變化。

2.2大體解剖觀察 局部臟器損傷主要表現(xiàn)為心肌挫傷、肺挫傷(圖1)。其中7.62mm組肺臟可見點狀出血(1/5)、片狀出血(4/5)、出血伴肝樣實變(2/5)，而5.56mm組表現(xiàn)為點狀出血(1/5)和片狀出血(4/5)；7.62mm組心臟損傷表現(xiàn)為心內(nèi)膜點狀出血(2/5)、二尖瓣出血(2/5)、三尖瓣出血(1/5)、心外膜出血(1/5)，5.56mm組表現(xiàn)為心內(nèi)膜點狀出血(2/5)及二尖瓣出血(3/5)；兩組各有1只動物出現(xiàn)蛛網(wǎng)膜下隙出血。肺臟出血面積百分比7.62mm組為6.00%±3.18%，5.56mm組為3.95%±2.11%，組間比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。

2.3病理組織學(xué)改變 病理標本取材均遠離防彈衣后凸撞擊部位(＞5cm)，但仍可見較明顯的心肌纖維斷裂、心肌出血、肺泡破裂、肺間質(zhì)出血及滲出，其中肺組織病理改變較為明顯(圖2)。

2.4心肌損傷標志物 兩組傷后6h血漿TnT表達及CK、CK-MB活性均較傷前顯著上升，其中7.62mm組上升幅度明顯高于5.56mm組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(圖3)。

2.5心前區(qū)軟組織及顱內(nèi)壓力測試 同一彈種擊中時心前區(qū)軟組織壓力隨距彈著點距離增加而下降，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。在距彈著點距離相同時，7.62mm組心前區(qū)軟組織壓力明顯高于5.56mm組(P＜0.05，圖4)。步槍彈擊中心前區(qū)瞬間顱內(nèi)壓力升高，其中7.62mm組左頂葉壓力為303.33±20.81kPa，明顯高于5.56mm組(180.67±37.86kPa)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。

圖1 不同致傷組傷后臟器損傷情況Fig. 1 Organs injury in different groups

圖2 不同致傷組傷后臟器顯微病理損傷情況Fig. 2 Microscopic pathological injury after organ injury in different groups

圖3 傷后3h心肌損傷標志物變化Fig. 3 Difference of myocardial injury markers 3h after injured

圖4 心前區(qū)軟組織壓力比較Fig. 4 Comparison of precordial pressure on soft tissue

3 討 論

現(xiàn)有研究表明，高速投射物擊中有效防護的動物胸部，可導(dǎo)致彈著點下局部臟器鈍性損傷及遠達腦損傷[4-6]。本實驗觀察到了明確的防彈衣后局部臟器損傷，主要表現(xiàn)為肺臟、心臟的鈍性挫傷。肺臟出血以點、片狀出血為主，損傷率100%，出血面積7.62mm組大于5.56mm組。肉眼觀察出血主要累及防彈衣后凸撞擊部位，顯微鏡下觀察在距離肉眼可見損傷區(qū)較遠的位置仍存在肺間質(zhì)出血及滲出，這可能與彈道壓力波對含氣臟器的沖擊有關(guān)[7]。心臟損傷肉眼觀察可見累及心內(nèi)膜、二尖瓣膜、三尖瓣膜，以點狀出血為主，偶見心外膜出血及心包積血。致傷3h后，心肌損傷標志物CK、CK-MB、TnT表達特異性升高，且7.62mm組升高幅度大于5.56mm組，提示存在心肌損傷且損傷程度7.62mm組高于5.56mm組[7]。防彈衣后遠達腦損傷主要表現(xiàn)為蛛網(wǎng)膜下隙出血，總體損傷率20%。

Shen等[8]認為防彈衣的變形擠壓與壓力波是導(dǎo)致防彈衣后損傷的主要因素。本實驗中，局部壓力最大的點應(yīng)為彈著點下方，但因傳感器因素，此處壓力實際上無法準確測量。根據(jù)在距離彈著點較遠位置(10、15、20cm)測得的壓力數(shù)據(jù)進行回歸分析，可以推測彈著點局部壓力峰值在4000～5600kPa。高頻震動的壓力波可引起臟器局部的結(jié)構(gòu)破壞[1,4-5]，且這種壓力可通過血管傳遞、骨性傳遞等到達顱內(nèi)，引發(fā)創(chuàng)傷性腦損傷[6]，本實驗測得顱內(nèi)壓力升高在160～320kPa。

本實驗通過減裝藥的方式將兩種不同彈體結(jié)構(gòu)的步槍彈初始動能調(diào)整至基本一致，但因彈體結(jié)構(gòu)不同，彈頭飛行姿態(tài)不同，與防彈材料高速碰撞時的能量釋放方式也不同，導(dǎo)致動物局部軟組織壓力及顱內(nèi)壓上升程度不同，從而形成不同的損傷特點。在動能一致的情況下，彈體結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的能量傳遞差異是損傷特點不同的根本原因。SS109 5.56mm步槍彈采用鉛芯、背甲式結(jié)構(gòu)，彈頭質(zhì)量較小，初速度較高。在侵徹損傷中因鉛芯易破碎及彈頭易翻滾等可造成較大的瞬時空腔及永久傷道。但在非侵徹損傷中，因鉛芯質(zhì)地較軟在擊中防彈板后彈丸頭易鈍粗變形，消耗能量較多，用于穿透防彈材料的能量較少，所以致傷較輕。56式7.62mm步槍彈采用鋼芯、鉛套、背甲式結(jié)構(gòu)，鋼芯質(zhì)地較硬，在擊中防彈板后不易鐓粗變形，消耗能量較少，用于穿透防彈材料的能量較多，這可能是導(dǎo)致能量傳遞差異的原因。

Viano等[9]通過胸部鈍性損傷黏性效應(yīng)模型研究發(fā)現(xiàn)，當胸廓壓縮發(fā)生在一個很短的時間里，胸腔內(nèi)器官不能及時地通過變形來抵消外力，此時小的胸廓變形就能引起胸腔組織和器官產(chǎn)生嚴重損傷。在防彈衣后損傷中防彈板后凸變形擠壓所致的胸廓變形較小(4～5cm)，但作用時間很短，胸廓變形速率較高，故防彈板擠壓胸廓快速變形也是引發(fā)損傷的重要機制。本實驗側(cè)重于壓力波傳遞對損傷的影響，對于防彈板變形擠壓胸廓的機制尚需進一步研究。

總之，在動能一定的前提下，不同彈體結(jié)構(gòu)的彈丸射擊防彈板時能量釋放方式是不同的，所致?lián)p傷也存在差異。研究不同彈體結(jié)構(gòu)子彈所致防彈衣后損傷特點及其機制對戰(zhàn)場的針對性救治及武器防具的開發(fā)設(shè)計均具有一定指導(dǎo)意義。

[1] Cannon L. Behind arm ou r b lun t traum a--an em erging problem[J]. J R Army Med Corps, 2001, 147(1): 87-96.

[2] Shepard GH, Ferguson JL, Foster JH. Pulmonary contusion[J]. Ann Thorac Surg, 1969, 7(2): 110-119.

[3] Liu YQ, Wang ZG, Ma YY,etal. Wound ballistics[M]. Beijing: People's military Medical Press, 1991. 107-112. [劉蔭秋, 王正國, 馬玉媛, 等. 創(chuàng)傷彈道學(xué)[M]. 北京: 人民軍醫(yī)出版社, 1991. 107-112.]

[4] Drobin D, Gryth D, Persson JK,etal. Electroencephalogram, circulation, and lung function after high-velocity behind armor blunt trauma[J]. Trauma, 2007, 64(6): 405-413.

[5] Gryth D, Rocksen D, Arborelius UP,etal. Bilateral vagotomy inhibits apnea and attenuates other physiological responses after blunt chest trauma[J]. Trauma, 2008, 64(6): 1420-1426.

[6] Su ZL, Lai XN, Zhang B,etal. Characteristics and mechanism of behind armour blunt trauma in Landrace brain[J]. J Third M il Med Univ, 2011, 33(19): 1995-1999. [蘇正林, 賴西南, 張波,等. 槍彈射擊防彈衣后長白豬遠達腦組織損傷特點及其機制[J]. 第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報, 2011, 33(19): 1995-1999.]

[7] Tang WH, Francis GS, Morrow DA,etal. National Academy of Clinical Biochem istry Laboratory Medicine Practice Guidelines: clinical utilization of cardiac biom arker testing in heart failure[J]. Clin Biochem, 2008, 41(4-5): 210-221.

[8] Shen W, Niu Y, Bykanova L,etal. Characterizing the interaction among bullet, body armor, and human and surrogate targets[J]. Biomech Eng, 2010, 132(12): 121-132.

[9] Viano DC, Lau IV. A viscous tolerance criterion for soft tissue injury assessment[J]. J Biomechanics, 1998, 21(5): 387-399.

Characteristics of behind armor blun t trauma produced by bullets with different structural materials: an experimental study

WANG Ling-qing, LAI Xi-nan*, ZHANG Bo, SU Zheng-lin, HUANG Yi-feng, WANG Li-li
Research Institute of Surgery, Daping Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400042, China
*

, E-mail: laixinan@163.com
This work was supported by the “Twelfth Five-Year Plan” Medical Science Development Foundation of PLA (AWS12J002)

ObjectiveTo investigate the effect of structural materials of bullets on behind armor blunt trauma (BABT). MethodsTen healthy male Landraces were random ly divided into two groups (5 each): 56 type 7.62-mm rifle bullet group and SS109 5.56-mm rifle bullet group. The kinetic energy of two types of bullets was adjusted to the same level (about 1880J) by the way of grow downwards gunpowder. Then the animals as protected with both grade NIJ Ⅲ ceram ic hard armor and grade Ⅱ police soft body armor, were shot at the left midclavicular line of fourth intercostal space (shooting distance was 25m). The damage to the animals was observed. Other 2 healthy male Landraces were selected, and biomechanical sensor was subcutaneously implanted into the soft tissue in precordium and intracalvarium to detect the pressure at the time point of bullet contact under the protection of armor, and the relationship between pressure and damage was analyzed.ResultsRespiration, heart rate and systolic arterial pressure of animals in two groups were all elevated after injury, but there was no significant difference between the two groups. No obvious change was found on blood oxygen saturation of both groups. Gross anatomy showed the predominant local injury was cardiac and pulmonary contusions. The area of pulmonary hemorrhage of 7.62mm group was 6.00%±3.18%, significantly higher than that of 5.56mm group (3.59%±2.11%,P＜0.05). Histopathological examination revealed acute injuries of lung tissues, myocardial tissue and cerebral cortical neurons. The contents of cardiac troponin T (TnT), creatine kinase (CK) and creatine kinase-MB (CK-MB) isoenzyme were all increased 3 hours after injury, and the rise was higher in 7.62mm group than in 5.56mm group (P＜0.05). Biomechanical testing showed the pressure of precordium and intracalvarium was elevated at the moment of bullet contact, and the rise was higher in 7.62mm group than in 5.56mm group (P＜0.05).ConclusionsThe biomechanical response and injury characteristics are different of rifle bullets with different structural materials shooting at protected precordium in Landrace. Research of the effect of bullet structural materials on BABT may make a significant contribution to the treatment in battlefield and design of weapon and armor.

armor vest; blunt trauma; bullet body structure; biomechanics

R826.51

A

0577-7402(2013)07-0601-04

2013-01-16；

2013-06-08)

(責(zé)任編輯：胡全兵)

全軍“十二五”醫(yī)學(xué)科研重點項目(AWS12J002)

王凌青，碩士研究生。主要從事創(chuàng)傷彈道學(xué)方面的研究

400042 重慶 第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所(王凌青、賴西南、張波、蘇正林、黃藝峰、王麗麗)

賴西南，E-mail：laixinan@163.com