基于破片穿深的人員不同損傷嚴(yán)重度發(fā)生概率評(píng)估方法

王建民， 陳魁君， 李彤華， 李冠樺， 樊壯卿， 張潔元， 陳斌， 楊光明，康建毅， 陳菁， 段朝霞， 曹凌宇， 王涵

(1.陸軍特色醫(yī)學(xué)中心 武器殺傷生物效應(yīng)評(píng)估研究室, 重慶 400042；2.63867部隊(duì)， 吉林 白城 137000)

0 引言

人員是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的重要因素，對(duì)人員損傷效應(yīng)的評(píng)估是武器威力和人員防護(hù)的重要內(nèi)容。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)在戰(zhàn)爭(zhēng)理念、戰(zhàn)爭(zhēng)樣式、傷亡發(fā)生率等方面與以往相比都發(fā)生了很大的變化，爆炸傷已經(jīng)成為了現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中戰(zhàn)傷的主要類型。劉理禮等研究發(fā)現(xiàn)，在第一次世界大戰(zhàn)期間，槍彈傷是導(dǎo)致人員傷亡的主要因素，其傷亡比例達(dá)到64.7%。但是，隨著戰(zhàn)爭(zhēng)樣式的轉(zhuǎn)變，爆炸傷已經(jīng)成為了主要的致傷因素，在近代的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，爆炸所致的人員傷亡比例已經(jīng)達(dá)到了81%。

在爆炸性武器的致傷因素中，破片與沖擊波是兩類主要的致傷因素，而其中破片的致傷半徑通常達(dá)到?jīng)_擊波的5倍以上，因此，破片致戰(zhàn)場(chǎng)人員損傷發(fā)生概率的評(píng)估是爆炸性武器殺傷效能評(píng)估的主要內(nèi)容。

單個(gè)破片的殺傷效應(yīng)評(píng)估是爆炸性武器整體殺傷效應(yīng)評(píng)估的基礎(chǔ)。單個(gè)破片的致傷效應(yīng)特點(diǎn)與破片向致傷組織傳遞的能量多少有關(guān)。其能量的傳遞量，除與自身動(dòng)能有關(guān)外，還與投射物撞擊生物組織時(shí)受到的減速阻力大小有關(guān)。決定減速阻力的因素包括：破片的質(zhì)量、速度、形狀、結(jié)構(gòu)成分、穩(wěn)定性；致傷組織的密度(比重)、彈性、堅(jiān)韌度、黏滯性和含氣、含液情況。對(duì)于破片的殺傷效應(yīng)評(píng)估，動(dòng)能依然是主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

目前仍在廣泛使用的破片殺傷動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)是78 J。即任意一個(gè)投射物在撞擊人體時(shí)，如具有78 J的動(dòng)能就認(rèn)為其具有殺傷能力，反之則認(rèn)為其不具有殺傷能力。如榴彈殺傷威力試驗(yàn)中規(guī)定，凡質(zhì)量在1 g以上而動(dòng)能又不低于78 J的破片即為有效殺傷破片。人體只要命中一個(gè)有效殺傷破片就認(rèn)為被殺傷，因此，計(jì)算榴彈的殺傷面積時(shí)將有效殺傷破片對(duì)人體的命中概率看作是破片對(duì)人員的殺傷概率。

基于動(dòng)能殺傷標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外目前常用一種長(zhǎng)寬為1.5 m×0.5 m、厚度為25 mm的松木板評(píng)估模型。這種模型雖然已使用了一個(gè)多世紀(jì)，但僅是一種局部的、靜態(tài)的模型。

關(guān)于單純動(dòng)能殺傷判定標(biāo)準(zhǔn)的局限性，我國(guó)學(xué)者早在1986年就指出了以下3點(diǎn)：1)對(duì)生物體的不同部位而言，傷情差別很大。如命中要害部位、損害主要臟器，雖不足78 J動(dòng)能，也能致極重度的損傷；相反，命中非要害部位，即使上述2倍的動(dòng)能，也不一定造成嚴(yán)重?fù)p傷。2)由于命中部位不同的傷情差異，單一殺傷能力的動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)是不存在的。即不存在一個(gè)明顯的殺傷不殺傷的能量界限，即在這個(gè)界限以上具有殺傷能力，在這個(gè)界限以下就不具有殺傷能力。3)由于投射物的種類很多，形狀各異，質(zhì)量不一，即使動(dòng)能相同，其他影響殺傷的因素也不會(huì)相同，因此其殺傷能力也必然存在差異。

由于動(dòng)能殺傷標(biāo)準(zhǔn)與客觀實(shí)際情況的不相符性，繼續(xù)使用它作為殺傷效應(yīng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是不合適的。為此，我國(guó)學(xué)者也提出了單個(gè)破片殺傷效應(yīng)的概率評(píng)估方法，提出建立破片參數(shù)(如質(zhì)量、速度等)與命中人體條件下殺傷概率的關(guān)系來表征單個(gè)破片殺傷威力的方式。即在戰(zhàn)場(chǎng)上破片命中人體的具體部位具有隨機(jī)性，部位不同傷情差別很大，有可能殺傷，有可能不殺傷，所以單個(gè)破片命中人體并造成殺傷問題是一個(gè)隨機(jī)事件，應(yīng)以殺傷概率來表征彈藥的殺傷威力。

我國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJBz 20450—97小質(zhì)量鋼質(zhì)破片對(duì)人員的殺傷判據(jù)，提出了質(zhì)量為0.05～0.45 g、撞擊速度不大于2 000 m/s的鋼質(zhì)球形與平行六面體破片對(duì)人員的殺傷效應(yīng)評(píng)估方法；國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 1160—91鋼質(zhì)球形破片對(duì)人員的殺傷判據(jù)，提出了質(zhì)量為0.4～5 g、撞擊速度不大于1 800 m/s的鋼質(zhì)球形破片對(duì)人員的殺傷效應(yīng)評(píng)估方法；國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 2936—97鋼質(zhì)自然破片對(duì)人員的殺傷判據(jù)，提出了質(zhì)量為0.4～5.0 g、撞擊速度不大于1 800 m/s的單個(gè)鋼質(zhì)自然破片對(duì)人員的殺傷效應(yīng)評(píng)估方法。上述評(píng)估方法主要依據(jù)破片的形狀、質(zhì)量、速度及打擊部位而確定，其本質(zhì)依然是以破片的動(dòng)能為基礎(chǔ)，且在實(shí)際使用中，每個(gè)破片的飛行速度等參數(shù)也難以測(cè)量，不同部位傷的發(fā)生概率也無法驗(yàn)證，因此上述標(biāo)準(zhǔn)沒有得到很好的推廣應(yīng)用。

破片殺傷的本質(zhì)雖然是破片的動(dòng)能，但其對(duì)機(jī)體的打擊部位及在體內(nèi)的穿深才是破片殺傷效應(yīng)評(píng)估的根本依據(jù)。破片打擊部位的發(fā)生概率，與不同組織器官的迎彈面積密切相關(guān)，而其穿深不僅與動(dòng)能有關(guān)，更與組織的阻力系數(shù)密切相關(guān)，該性能決定了破片動(dòng)能在目標(biāo)組織內(nèi)的傳遞比例。

為獲得破片對(duì)不同部位殺傷的發(fā)生概率，最初在25 mm松木板的基礎(chǔ)上發(fā)展了盒形靶。盒形靶雖然在平面松木板的基礎(chǔ)上進(jìn)了一步，但依然是一個(gè)很粗略的評(píng)價(jià)方法。隨著人體數(shù)字化模型的發(fā)展，基于人體數(shù)字化模型的破片致人體損傷嚴(yán)重度發(fā)生概率預(yù)測(cè)評(píng)估方法得到了廣泛應(yīng)用。Eisler等首先提出了基于人體數(shù)字化模型，并以破片質(zhì)量、速度及打擊部位為輸入?yún)?shù)的破片穿透性損傷所致失能概率的計(jì)算模型。Morris等進(jìn)一步在計(jì)算機(jī)仿真人的基礎(chǔ)上，建立了人員目標(biāo)損傷與失能評(píng)估的易損性模型。國(guó)內(nèi)朱一輝等首先建立了面向傷道沖擊損傷評(píng)估的人體有限元模型。

然而，上述國(guó)內(nèi)外的評(píng)估技術(shù)方法均是基于破片(投射物)的質(zhì)量與速度進(jìn)行計(jì)算，這在爆炸性武器毀傷場(chǎng)的效應(yīng)評(píng)估中依然難以應(yīng)用。并且，國(guó)外模型的評(píng)估計(jì)算中提出的破片在人體內(nèi)減速模型系數(shù)所需的條件并不清楚，而國(guó)內(nèi)的計(jì)算模型則主要以明膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，因此，提出自己的破片致人體損傷嚴(yán)重度發(fā)生概率預(yù)測(cè)評(píng)估方法十分必要。

本文在損傷判據(jù)分析、數(shù)字化人體模型數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，提出了基于破片穿深的人員不同損傷嚴(yán)重度發(fā)生概率評(píng)估方法。該方法的建立擴(kuò)展了以破片動(dòng)能為基礎(chǔ)的人體損傷效應(yīng)評(píng)估范圍，細(xì)化了數(shù)字化人體模型在破片所致不同部位與不同組織器官損傷發(fā)生概率預(yù)測(cè)評(píng)估中的應(yīng)用，也為爆炸性武器所致人員損傷效應(yīng)評(píng)估的未來戰(zhàn)場(chǎng)靶標(biāo)建設(shè)提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 影響人體損傷嚴(yán)重度的主要組織器官的確定

人體損傷嚴(yán)重度主要取決于人體主要組織器官的損傷程度，人體組織器官按照功能可分為消化、呼吸、循環(huán)、內(nèi)分泌、神經(jīng)、運(yùn)動(dòng)、泌尿以及生殖八大系統(tǒng)。各個(gè)系統(tǒng)相互融洽、相互配合，使人體內(nèi)各種各樣繁雜的生命活動(dòng)得以一切正常開展。

戰(zhàn)場(chǎng)人員損傷嚴(yán)重度與軍事作業(yè)能力密切相關(guān)，由于有些組織器官損傷后對(duì)人體損傷嚴(yán)重度及軍事作業(yè)能力影響不大，因此選擇與戰(zhàn)場(chǎng)人員的軍事作業(yè)能力相關(guān)性較大的組織器官來進(jìn)行損傷判定。參考簡(jiǎn)明損傷定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(AIS)及美軍戰(zhàn)傷評(píng)分(MCIS)的分類，篩選出了武器致傷定級(jí)用組織器官(共137條)，如表1所示。

表1 人體主要組織器官篩選結(jié)果Table 1 Results of primary tissue and organs selected

2 損傷嚴(yán)重度的評(píng)分準(zhǔn)則

參考AIS及MCIS評(píng)分，依據(jù)組織器官受損深度(cm)與直徑(cm)，由低到高將損傷嚴(yán)重度分為輕度傷、中度傷、較重傷、嚴(yán)重傷和危重傷五級(jí)(AIS6級(jí)并入5級(jí)，見表2)，并且為每個(gè)組織器官的不同損傷深度與直徑進(jìn)行專家評(píng)分(見附表1)。

附表1 不同組織器官受損深度時(shí)的損傷嚴(yán)重度評(píng)分Schedule 1 Injury severity score at different injury depths of tissues and organs

續(xù)附表1

續(xù)附表1

續(xù)附表1

表2 損傷嚴(yán)重度評(píng)分原則Table 2 Injury severity scoring principles

4) 基于上述研究結(jié)果提出的破片致人員目標(biāo)損傷嚴(yán)重度概率評(píng)估模型，可為爆炸型武器破片致人員目標(biāo)殺傷威力評(píng)估提供數(shù)學(xué)模型。

3 重要組織器官的解剖參數(shù)測(cè)量

3.1 重要器官厚度及到體表距離的測(cè)量方法

在進(jìn)行損傷評(píng)估時(shí)，重要器官迎彈方向的組織厚度以及該解剖部位到體表的距離決定了破片致傷該組織器官時(shí)所需要的最少穿深，據(jù)此計(jì)算并分析破片打擊不同部位時(shí)不同穿深與機(jī)體損傷嚴(yán)重度的關(guān)聯(lián)性。

用于測(cè)量上述數(shù)據(jù)的人體幾何模型為中國(guó)人民解放軍陸軍軍醫(yī)大學(xué)可視化人體數(shù)據(jù)集CVH(標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)人人體切片數(shù)據(jù)集)。該數(shù)據(jù)集為身高170 cm、體重65 kg的35歲中國(guó)男性尸體切片，共計(jì)2 110張人體解剖橫截面圖片，圖像大小3 072像素×2 048像素，像素大小0.176 mm(見圖1)。

圖1 不同截面的相關(guān)組織器官分布Fig.1 Distribution of tissues and organs in different cross sections

采用Digimizer軟件直接測(cè)量不同解剖部位的組織厚度和到體表的距離(見附表2)，以像素點(diǎn)為單位，測(cè)量后換算為cm。

附表2 不同解剖部位解剖參數(shù)測(cè)量結(jié)果Schedule 2 Measurement results of anatomical parameters at different anatomical sites

續(xù)附表2

續(xù)附表2

續(xù)附表2

3.2 不同組織器官投影面積的測(cè)量方法

在采用蒙特卡洛算法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，模擬了破片隨機(jī)命中不同組織器官的概率。但是不同組織器官在迎彈面上的投影面積不同，破片隨機(jī)命中不同組織器官的概率也不同。通過測(cè)量不同組織器官的投影面積，來計(jì)算組織器官被破片命中的概率。分為以下3個(gè)步驟：

根據(jù)3.1節(jié)所述解剖部位建立不同人體系統(tǒng)的立體模型(見圖2)。

圖2 人體系統(tǒng)的立體模型Fig.2 Stereoscopic model of human body systems

將不同的解剖部位在立體模型中識(shí)別出來。

采用Digimizer軟件劃分和測(cè)量出不同解剖部位的投影面積(見附表2)。

4 破片穿深的計(jì)算模型

4.1 破片穿深數(shù)學(xué)模型

破片打擊后對(duì)機(jī)體的損傷嚴(yán)重度與打擊的部位及破片的穿深密切相關(guān)。

依據(jù)破片在不同組織中的減速模型及與破片質(zhì)量、速度、形狀等因素的相關(guān)性，建立了破片穿深的數(shù)學(xué)模型。

破片飛行過程中隨時(shí)間的變化，其瞬時(shí)速度衰減的基本形式如下：

(1)

式中：為彈丸質(zhì)量；為彈丸速度(隨時(shí)間變化)；為時(shí)間；為組織密度；為彈丸即迎風(fēng)面積；=，為貼近彈丸的液體層黏度，為貼近彈丸的液體層厚度；為組織強(qiáng)度；、、為無量綱系數(shù)。

考慮到彈丸或破片對(duì)機(jī)體打擊時(shí)的高速撞擊特性，貼近彈丸的液體層黏度相對(duì)作用應(yīng)很小，項(xiàng)可以不考慮。同時(shí)，考慮到生物組織的強(qiáng)度通常都與組織的密度密切相關(guān)，因此，考慮了組織密度以后，對(duì)組織強(qiáng)度項(xiàng)就可以不予考慮。此外，彈丸迎風(fēng)面積用替代(為彈丸或破片質(zhì)量除以密度的23次方()23)。需要補(bǔ)充的是，彈丸或破片的密度與彈丸或破片的穿透效應(yīng)密切相關(guān)，不能省略?；谏鲜隹紤]，(1)式可改寫為

(2)

設(shè)為彈丸或破片在軟組織中的穿深，依據(jù)=，可以得到彈丸或破片在不同的瞬時(shí)穿深上速度衰減：

(3)

將(3)式代入(2)式，變換后，(2)式可寫為

(4)

設(shè)為常數(shù)，則(4)式可表示為

(5)

(6)

(7)

令

(8)

++(ln+)=

(9)

則

(10)

(11)

當(dāng)=1 m/s時(shí)，ln=0，穿深≈0 m，故

(12)

4.2 系數(shù)B的確定

依據(jù)(12)式變換后可得：

(13)

采用037 g鋼球以不同速度打擊模擬軟組織肥皂，獲得不同撞擊速度時(shí)的穿透深度，并根據(jù)(13)式計(jì)算出不同打擊速度下系數(shù)的值，結(jié)果見表3和圖3。

表3 不同速度鋼球打擊肥皂時(shí)的穿深和系數(shù)B的值Table 3 Values of depth of penetration and coefficient B when the steel ball strikes the soap at different speeds

圖3 不同速度鋼球打擊肥皂時(shí)系數(shù)B的變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of the coefficient B when the steel ball strikes the soap at different speeds

由圖3可以看出，在大約320～3 000 m/s的破片速度范圍內(nèi)，系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，因此，取該速度范圍內(nèi)系數(shù)的平均值069，將其代入(12)式，即得到破片在軟組織中穿透深度的簡(jiǎn)化計(jì)算公式(14)式，該公式的適用于320～3 000 m/s速度范圍內(nèi)的破片。

(14)

5 破片不同穿深時(shí)不同損傷嚴(yán)重度發(fā)生概率的計(jì)算

采用蒙特卡洛法計(jì)算破片在不同穿深時(shí)損傷嚴(yán)重度發(fā)生概率的分布情況。

5.1 蒙特卡洛模擬實(shí)驗(yàn)計(jì)算原則

依據(jù)附表1中不同部位不同穿深時(shí)損傷嚴(yán)重度評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，采用蒙特卡洛計(jì)算方法，獲得不同穿深時(shí)不同損傷嚴(yán)重度的發(fā)生概率。蒙特卡洛方法計(jì)算原則如下：

1) 組織器官編碼參照附表1，定義數(shù)據(jù)類型為離散均勻分布數(shù)集，隨機(jī)取值范圍為1～12 508。

2) 不同組織器官的賦值概率依據(jù)該組織器官的迎彈面積大小確定。

3) 穿深定義為連續(xù)均勻分布數(shù)集，1以內(nèi)，步長(zhǎng)為05；1以后，步長(zhǎng)設(shè)為1。

4) 不同部位、不同穿深所致的損傷嚴(yán)重度判據(jù)參照附表1，決策范圍設(shè)為1～5級(jí)。

5) 模擬打擊破片所致?lián)p傷，依據(jù)打擊部位與穿深到達(dá)的組織器官確定損傷嚴(yán)重度賦值。

6) 不同穿深的重復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)次數(shù)為10萬次。

5.2 蒙特卡洛模擬實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

采用蒙特卡洛方法，按照不同組織器官不同迎彈面給予不同組織器官的部位取值概率，得到破片在不同穿深時(shí)的不同損傷嚴(yán)重度發(fā)生概率(見表4)。

表4 不同穿深時(shí)的不同損傷嚴(yán)重度發(fā)生概率Table 4 Probability of occurrence of different damage severities at different penetration depths

6 破片不同穿深時(shí)不同損傷嚴(yán)重度發(fā)生概率的回歸分析

依據(jù)表4結(jié)果，采用Logistic回歸分析法，獲得不同穿深時(shí)不同損傷嚴(yán)重度發(fā)生概率的經(jīng)驗(yàn)公式(見表5、圖4)。對(duì)于某一特定的破片穿深，對(duì)機(jī)體不同部位致傷時(shí)不同程度的損傷均有可能發(fā)生，但是能引起中度損傷的破片，必定能引起輕度損傷。因此，輕度損傷的發(fā)生概率就包含了較重一級(jí)損傷的發(fā)生概率。故計(jì)算危重度以下?lián)p傷的發(fā)生概率，均需減去較重一級(jí)損傷的發(fā)生概率(見表6)。

圖4 破片不同穿深所致五種不同程度損傷發(fā)生概率Fig.4 Probability of five different degrees of damage causedby fragments at different penetration depths

表5 Logistic回歸模型摘要和參數(shù)估算值Table 5 Logistic regression model summary and parameter estimates

表6 不同損傷嚴(yán)重度的累計(jì)發(fā)生概率和發(fā)生概率計(jì)算Table 6 Calculation of cumulative occurrence probability of different damage severities and occurrence probability of different damage severities

7 結(jié)論

本文提出了基于穿深計(jì)算人體不同損傷嚴(yán)重度發(fā)生概率的計(jì)算模型，該模型綜合考慮了破片軟組織穿深、組織器官命中概率、組織器官嚴(yán)重度賦值。得出主要結(jié)論如下：

1) 軟組織穿深與投射物的速度密切相關(guān)。根據(jù)本文建立的簡(jiǎn)化計(jì)算公式(13)式，可通過投射物的速度推算出人體軟組織穿深。

2) 組織器官命中的概率取決于破片密度及組織器官的投影面積。

3) 組織器官嚴(yán)重度賦值與組織器官特性、破片穿深兩者密切相關(guān)。本文建立了人體不同部位不同穿深時(shí)的損傷嚴(yán)重度賦值，詳見附表1。