沖擊波作用有/無防護(hù)顱腦靶標(biāo)動態(tài)響應(yīng)規(guī)律

熊漫漫， 覃彬， 徐誠， 安碩， 伍楊,

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094；2.中國兵器工業(yè)第208研究所 瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102202)

0 引言

沖擊波致創(chuàng)傷性腦損傷(bTBI)，又稱沖擊波腦損傷，是指由爆炸性武器、武器發(fā)射產(chǎn)生的沖擊波直接導(dǎo)致的腦損傷。顱腦作為人體重要的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和生存維持敏感器官，其損傷直接影響士兵作戰(zhàn)能力。爆炸和膛口沖擊波引起的顱腦損傷已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)場單兵的主要致傷形式，但相關(guān)的致傷機(jī)理和防護(hù)理論尚不明確。開展沖擊波作用下顱腦響應(yīng)研究，明確沖擊波致腦損傷機(jī)制，對于單兵防護(hù)裝備研發(fā)、士兵作戰(zhàn)能力提升意義重大。

國內(nèi)外學(xué)者針對沖擊波致顱腦損傷已經(jīng)開展了大量研究，并提出了幾種致傷機(jī)制。有人認(rèn)為沖擊波會通過顱骨腔隙或眼窩、篩骨、枕大孔等空洞直接進(jìn)入腦組織，或者通過顱骨透射進(jìn)入腦組織，引起腦組織位移和形變而產(chǎn)生損傷；另外，沖擊波進(jìn)入顱骨和腦組織，壓縮波在顱骨處反彈，在腦脊液和組織內(nèi)形成拉伸波，顱腦組織材料的非對稱性形成剪切波，由壓縮波、剪切波協(xié)同作用造成腦組織損傷，以及沖擊波引起聲阻抗失諧，導(dǎo)致腦組織中沖擊泡沫效應(yīng)。很多人還認(rèn)為沖擊波在低阻抗的邊界反射產(chǎn)生負(fù)的拉伸波，隨著腦脊液產(chǎn)生空化與湮滅，形成局部高壓點(diǎn)，造成腦組織損傷。栗志杰等在開展爆炸沖擊波作用顱腦損傷機(jī)理數(shù)值分析時建立爆炸沖擊波作用頭部流- 固耦合模型，分析了頭部在正面沖擊工況下流場壓力分布、腦組織壓力、顱骨變形與加速度等動態(tài)響應(yīng)過程，構(gòu)建了顱骨局部彎曲變形與腦組織壓力之間的內(nèi)在聯(lián)系。Neveen等開展沖擊波作用模擬顱骨靶標(biāo)動態(tài)響應(yīng)測試研究，通過在顱腦靶標(biāo)上布排不同類型的傳感器獲得了沖擊載荷下加速度、顱內(nèi)壓分布、頸部彎曲角度等動態(tài)響應(yīng)參數(shù)。Ganpule等開展沖擊波作用顱腦動態(tài)響應(yīng)的數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究，試驗(yàn)使用RED仿真假人作為顱腦靶標(biāo)，以激波管發(fā)射沖擊波，對顱骨變形和顱內(nèi)壓力進(jìn)行分析，認(rèn)為顱骨彎曲和組織空化是可能的損傷機(jī)制。以往主要通過數(shù)值仿真和激波管試驗(yàn)?zāi)M沖擊波作用顱腦，獲得一維沖擊波作用下的顱腦響應(yīng)?？紤]到實(shí)際作戰(zhàn)中沖擊波復(fù)雜工況，這兩種方法并不能完全反映真實(shí)工況下顱腦響應(yīng)特性。

為探究真實(shí)工況下顱腦動態(tài)響應(yīng)特性，本文開展單兵火箭彈膛口沖擊波作用有/無防護(hù)情況下顱腦靶標(biāo)試驗(yàn)研究，分析顱內(nèi)不同位置的壓力特性和演化歷程，以及防護(hù)對顱內(nèi)壓力特性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 顱腦模擬靶標(biāo)

顱腦模擬靶標(biāo)主要包括顱骨模型、模擬腦組織、防彈頭盔。其中顱骨模型為可拆卸醫(yī)學(xué)模型，由PVC材料制成，結(jié)構(gòu)尺寸1∶1模擬真實(shí)人顱骨，頭蓋骨可拆卸安裝，以便于提前布排傳感器及后期澆注模擬腦組織，如圖1所示。模擬腦組織為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的彈道明膠，明膠制作方法參考文獻(xiàn)[18]，以澆注形式與顱骨模型復(fù)合。澆注完成后，對顱骨模型拆卸縫隙處作熱熔膠封處理。頭盔為03式頭盔，無頭盔顱腦靶標(biāo)編號為AU，帶頭盔顱腦靶標(biāo)編號為AC。表1所示為顱腦靶標(biāo)不同測點(diǎn)編號。

表1 顱腦內(nèi)壓力測點(diǎn)編號Table 1 Measurement points for intracranial pressure

圖1 顱腦模擬靶標(biāo)Fig.1 Head surrogate

1.2 傳感器及其安裝固定方法

根據(jù)顱內(nèi)壓力的典型分布特征以及腦組織不同區(qū)域?qū)_擊的敏感特性,顱腦模擬靶標(biāo)內(nèi)安裝4個KISTLER IEPE型壁面壓力傳感器，分別位于大腦前額、大腦后枕、小腦、腦干位置，如圖2所示。其中前額處傳感器敏感面朝向額骨，距離額骨距離 1 cm 左右；后枕處傳感器敏感面朝向枕骨，距離枕骨 1 cm 左右；小腦處傳感器敏感面朝向頂骨側(cè)面，距離頂骨側(cè)面4 cm左右，兩個顱腦模擬靶標(biāo)的小腦處傳感器關(guān)于中線對稱放置；腦干處傳感器朝向腦組織內(nèi)部。傳感器提前使用金屬鋁支架固定在顱腦內(nèi)部，然后將固定好傳感器的顱骨與頭蓋骨裝配好，使用保鮮膜纏緊密封，并僅保留進(jìn)膠口。然后將制備好的彈道明膠溶液冷卻一段時間后，澆灌于顱骨模型中，并將靶標(biāo)置于4 ℃保溫箱中保溫，至試驗(yàn)前將顱腦模擬靶標(biāo)從保溫箱中取出。

圖2 傳感器安裝Fig.2 Sensor layout

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)系統(tǒng)包括沖擊源、顱腦模擬靶標(biāo)、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、三角支撐架。其中沖擊源為單兵火箭彈發(fā)射器，構(gòu)建圖3所示模擬火箭彈發(fā)射工況下沖擊波入射火箭手顱內(nèi)壓力測試系統(tǒng)，圖4為試驗(yàn)現(xiàn)場圖。兩個顱腦模擬靶標(biāo)用三角支撐架固定，三角支撐架高度可調(diào)節(jié)。其中一個靶標(biāo)佩戴防彈頭盔，另一個不佩戴頭盔，分別置于單兵火箭筒兩側(cè)，并與單兵火箭筒高度齊平，模擬火箭彈發(fā)射時的沖擊波入射方向。沖擊源與顱腦模擬靶標(biāo)距離通過移動三角支撐架調(diào)節(jié)。

圖3 試驗(yàn)布置圖Fig.3 Test setup

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.4 Test site

2 結(jié)果與討論

2.1 顱腦內(nèi)壓力分布特性

圖5～圖9所示為膛口沖擊無防護(hù)顱腦內(nèi)不同位置壓力時程曲線。從圖5～圖9中可以看出：顱腦內(nèi)超壓上升速度較慢，持續(xù)時間較長，時程曲線表現(xiàn)出非典型沖擊波特征；沖擊波正壓先到達(dá)P2-AU，然后到達(dá)P3-AU、P4-AU，其次到達(dá)P1-AU，主要是由顱腦靶標(biāo)位置在膛口沖擊波發(fā)射場相對位置和沖擊波場特性決定；P1-AU、P2-AU、P4-AU壓力曲線表現(xiàn)出正負(fù)壓交替振蕩效應(yīng)，且隨時間振幅逐漸降低，振蕩周期為1 ms左右；后枕處的顱骨在沖擊波作用下發(fā)生變形并引起局部振動，該處的局部變形振動會沿著顱骨傳播，從而使沖擊波源由后枕處的“單一波源”逐步發(fā)展為整個顱骨的“多處波源”，這些波源共同決定腦組織壓力的演化歷程；顱骨變形引起的不斷內(nèi)凹和外凸致使腦組織沿著顱骨內(nèi)表面出現(xiàn)拉伸、壓縮交替狀態(tài)，即正負(fù)壓交替。另外研究表明，爆炸沖擊波致使顱骨發(fā)生的局部高頻振動，其頻率與該處腦組織壓力的波動頻率相一致，即壓力振蕩與沖擊波在顱內(nèi)復(fù)雜傳播反射路徑以及顱骨自身振動頻率有關(guān)。

圖5 膛口沖擊無防護(hù)顱腦壓力曲線Fig.5 Intracranial pressure with armour uncovered

圖6 膛口沖擊無防護(hù)顱腦壓力曲線(P1-AU)Fig.6 Intracranial pressure with armour uncovered (P1-AU)

圖7 膛口沖擊無防護(hù)顱腦壓力曲線(P2-AU)Fig.7 Intracranial pressure with armour uncovered (P2-AU)

圖8 膛口沖擊無防護(hù)顱腦壓力曲線(P3-AU)Fig.8 Intracranial pressure with armour uncovered (P3-AU)

圖9 膛口沖擊無防護(hù)顱腦壓力曲線(P4-AU)Fig.9 Intracranial pressure with armour uncovered (P4-AU)

對比不同位置的壓力特征，P1-AU位于沖擊對側(cè)，壓力曲線以負(fù)壓開始，主要是因?yàn)闆_擊波引起顱骨和腦組織沿著沖擊方向位移，由于顱骨與腦組織的慣性力差異，顱骨加速度明顯大于腦組織加速度，前額顱骨的運(yùn)動位移大于腦組織運(yùn)動位移，使得腦組織產(chǎn)生相對拉伸位移，腦組織處于拉伸狀態(tài)，形成負(fù)壓。隨后正壓到達(dá)，形成正負(fù)壓交替振蕩，即負(fù)壓- 正壓- 負(fù)壓，且振幅逐漸降低。而P2-AU和P4-AU位于沖擊側(cè)，壓力曲線均以正壓開始，初始正壓之后出現(xiàn)壓力振蕩，即正壓- 負(fù)壓- 正壓，且振幅逐漸降低。而P3-AU以持續(xù)正壓為主，且振幅較低，主要由于腦干位于顱腦靠近中心位置，與顱骨不接觸，負(fù)壓拉伸效應(yīng)較低。

表2為3次試驗(yàn)P1-AU兩個振蕩周期內(nèi)的壓力峰值與沖量對比。由表2可知：第1個振蕩周期內(nèi)負(fù)峰值壓力平均值為-38.007 kPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差17.512%，而沖量平均值為-8.031 Pa·s，標(biāo)準(zhǔn)偏差5.849%；第1個振蕩周期內(nèi)正峰值壓力平均值為53.681 kPa，偏差15.381%，而沖量平均值為15.304 Pa·s，標(biāo)準(zhǔn)偏差2.974%。對比壓力峰值和沖量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，沖量值相對穩(wěn)定，更能反映顱腦內(nèi)壓力動態(tài)響應(yīng)特性。表3為3次試驗(yàn)顱腦不同位置的超壓峰值，可見超壓峰值前額>腦干>后枕>小腦；腦組織不同位置，壓力峰值差異顯著，但沖量大小比較接近。結(jié)果表明，沖擊對側(cè)除了表現(xiàn)出顯著的負(fù)壓特征，其正壓力峰值也超過沖擊側(cè)近1倍。因此若以壓力響應(yīng)來評估顱腦損傷程度，則沖擊對側(cè)的損傷程度可能超出沖擊側(cè)，與已有研究中對沖傷致傷機(jī)制是一致的。

表2 P1-AU大腦前額壓力特性Table 2 Pressure characteristics of P1-AU brain (forehead)

表3 無防護(hù)顱腦不同位置壓力特性Table 3 Intracranial pressure of different points with armour uncovered

2.2 防護(hù)具對顱腦壓力特性影響規(guī)律

2.2.1 有防護(hù)顱腦內(nèi)壓力分布特性

圖10～圖14所示為膛口沖擊下有防護(hù)顱腦內(nèi)不同位置壓力時程曲線。由圖10～圖14可見：顱腦內(nèi)超壓上升速度較慢，持續(xù)時間較長，時程曲線表現(xiàn)出非典型沖擊波特征；沖擊波正壓幾乎同時到達(dá)P2-AU、P3-AU和P4-AU，其次到達(dá)P1-AU，正壓起始時間比其他位置延遲0.5 ms左右，主要由于P1-AU位于沖擊對側(cè)；對比不同位置的壓力特征，P2-AU、P3-AU、P4-AU在初始正壓之后出現(xiàn)壓力振蕩，即正壓- 負(fù)壓- 正壓，振蕩周期1 ms左右；P1-AU壓力波動曲線區(qū)別于其他位置，出現(xiàn)正壓高位振蕩，起始一段時間內(nèi)未表現(xiàn)出明顯的負(fù)壓特性。

圖10 膛口沖擊有防護(hù)顱腦壓力曲線Fig.10 Intracranial pressure with armour covered

圖11 膛口沖擊有防護(hù)顱腦壓力曲線(P1-AC)Fig.11 Intracranial pressure with armour covered (P1-AC)

圖12 膛口沖擊有防護(hù)顱腦壓力曲線(P2-AC)Fig.12 Intracranial pressure with armour covered (P2-AC)

圖13 膛口沖擊有防護(hù)顱腦壓力曲線(P3-AC)Fig.13 Intracranial pressure with armour covered (P3-AC)

圖14 膛口沖擊有防護(hù)顱腦壓力曲線(P4-AC)Fig.14 Intracranial pressure with armour covered (P4-AC)

表4所示為3次試驗(yàn)有防護(hù)顱腦不同位置的超壓峰值。由表4可見：大腦后枕、小腦、腦干3處的超壓峰值比較接近，均為30 kPa左右，均大于沖擊對側(cè)P1-AC大腦前額處的壓力峰值，但沖量大小略有差異，大腦前額>大腦后枕>小腦>腦干，即有防護(hù)后顱腦沖擊側(cè)的壓力峰值大于沖擊對側(cè)，但沖量小于沖擊對側(cè)。

表4 有防護(hù)顱腦不同位置壓力特性Table 4 Intracranial pressure of different points with armour covered

2.2.2 頭盔防護(hù)對顱腦壓力特性影響規(guī)律

圖15～圖18所示為有/無防護(hù)顱腦不同位置壓力時程曲線對比，可見二者有顯著差異，一是表現(xiàn)在曲線趨勢差異較大，帶頭盔后前額的負(fù)壓區(qū)消失，正壓峰值和沖量顯著降低，同時“負(fù)壓- 正壓- 負(fù)壓”振蕩趨勢消失。表5所示為頭盔對顱腦不同位置壓力衰減特征對比。由表5可見：帶頭盔后大腦后枕的壓力時程曲線趨勢幾乎不變，正壓幅值沒有顯著降低；帶頭盔后小腦出現(xiàn)顯著的正壓峰值增強(qiáng)；帶頭盔后腦干處壓力時程曲線趨勢沒有明顯變化，同時壓力峰值也沒有顯著降低?？傮w看來，頭盔對于腦組織內(nèi)不同位置的壓力衰減幅度并不相同，甚至有可能有增強(qiáng)效果。帶頭盔后沖擊對側(cè)顱腦區(qū)域壓力峰值和沖量衰減較明顯，并且會削弱或抑制負(fù)壓效應(yīng)，而對沖擊側(cè)顱腦區(qū)域衰減不明顯，甚至有個別區(qū)域顱腦壓力峰值有一定增強(qiáng)?？紤]頭盔的設(shè)計結(jié)構(gòu)可能會對沖擊波具有匯聚增強(qiáng)的效果，因此在防護(hù)頭盔設(shè)計時除了要滿足抗彈需求還應(yīng)考慮防沖擊波。

圖15 膛口沖擊下有/無防護(hù)壓力對比(大腦前額)Fig.15 Intracranial pressure curves with armour covered/uncovered (cerebrum forehead)

圖16 膛口沖擊下有/無防護(hù)壓力對比(大腦后枕)Fig.16 Intracranial pressure curves with armour covered/uncovered (cerebrum occiput)

圖17 膛口沖擊下有/無防護(hù)壓力對比(腦干)Fig.17 Intracranial pressure comparison curves with armour covered/uncovered (brainstem)

圖18 膛口沖擊下有/無防護(hù)壓力對比(小腦)Fig.18 Intracranial pressure comparison curves with armour covered/uncovered (cerebellum)

表5 防護(hù)后不同部位壓力衰減特征對比Table 5 Pressure attenuation at different points with armor covered %

3 結(jié)論

本文通過開展單兵火箭彈膛口沖擊波作用有/無防護(hù)下顱腦靶標(biāo)試驗(yàn)，分析了顱內(nèi)不同位置的壓力特性和演化歷程，并對比了有/無防護(hù)下顱腦內(nèi)壓力變化，給出了防護(hù)對顱腦內(nèi)壓力特性影響規(guī)律。得出以下主要結(jié)論：

1)膛口沖擊無防護(hù)顱腦內(nèi)超壓上升速度較慢，持續(xù)時間較長，時程曲線表現(xiàn)出非典型沖擊波特征，并表現(xiàn)出正負(fù)壓交替振蕩效應(yīng)，振蕩周期為1 ms左右，壓力振蕩與沖擊波在顱內(nèi)復(fù)雜傳播反射路徑以及顱骨自身振動頻率有關(guān)。

2)膛口沖擊無防護(hù)顱腦內(nèi)不同位置，壓力峰值差異顯著，沖擊對側(cè)表現(xiàn)出顯著的負(fù)壓特征，其正壓峰值超過沖擊側(cè)近1倍，但不同位置的沖量大小比較接近。

3)帶頭盔后沖擊對側(cè)顱腦區(qū)域壓力峰值和沖量衰減較明顯，并且會削弱或抑制沖擊對側(cè)的負(fù)壓效應(yīng)，而沖擊側(cè)顱腦區(qū)域衰減不明顯，甚至有部分區(qū)域顱腦壓力峰值有一定增強(qiáng)，即頭盔防護(hù)后顱腦內(nèi)不同位置的壓力衰減率差異顯著，在頭盔防護(hù)設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。