爆炸沖擊波作用下人體肺部的損傷*

王 波，楊劍波，姚李剛，何洋揚(yáng)，呂華溢，唐吉思，許述財(cái)，張金換

（1. 清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2. 中國(guó)人民解放軍32184 部隊(duì)，北京 100093）

隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形式的改變，爆炸傷已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的典型創(chuàng)傷，美軍在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中78%的傷亡與爆炸相關(guān)[1]。肺部是爆炸沖擊波的主要靶器官，肺部損傷也是爆炸傷致死的關(guān)鍵因素[2-3]。黃建釗等[4]和Boutillier 等[5]已開(kāi)展了關(guān)于肺部爆炸傷的研究，但相關(guān)研究主要基于生物效應(yīng)試驗(yàn)，由于動(dòng)物生理構(gòu)造與人類差異巨大，通過(guò)該類研究較難獲得人體胸部各器官的真實(shí)響應(yīng)。周杰等[6-7]建立了胸部模型，基于有限元方法研究了肺部爆炸損傷，但模型過(guò)于簡(jiǎn)化，得到的損傷響應(yīng)有限。

肺部爆炸損傷評(píng)價(jià)方法主要有Bowen 損傷曲線[8]、Axelsson 模型[9]及Stuhmiller 模型[10]，3 種方法均需測(cè)量作用于胸部的沖擊波壓力值，再通過(guò)與損傷曲線比較或計(jì)算損傷指標(biāo)得到損傷等級(jí)。但當(dāng)穿著個(gè)人防護(hù)裝備時(shí)，由于胸部與防護(hù)裝備直接接觸，安裝于胸部表面的壓力傳感器會(huì)受到擠壓，很難準(zhǔn)確測(cè)量經(jīng)防護(hù)裝備衰減后的沖擊波壓力，因此無(wú)法使用上述方法進(jìn)行損傷評(píng)估。美國(guó)NIJ 0117《公共安全排爆服標(biāo)準(zhǔn)》[11]在評(píng)價(jià)排爆服防護(hù)性能時(shí)對(duì)人體損傷不做考核，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)認(rèn)為目前尚無(wú)成熟、可靠的評(píng)價(jià)方法。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文中基于人體有限元模型，建立人體-爆炸流場(chǎng)數(shù)值模型，獲得胸部整體的沖擊響應(yīng)，闡明肺部爆炸傷的主要致傷機(jī)制；通過(guò)改變爆炸當(dāng)量和距離，得到不同肺部損傷等級(jí)，驗(yàn)證常見(jiàn)的胸部損傷指標(biāo)能否評(píng)價(jià)爆炸傷，提出不依賴沖擊波壓力的肺部爆炸損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 模型建立

利用LS-DYNA 求解器進(jìn)行計(jì)算，軟件版本為R8.1.0 單精度并行版。為獲得胸部的完整響應(yīng)過(guò)程，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為50 ms。單元及節(jié)點(diǎn)信息輸出頻率為50 kHz。

1.1 人體有限元模型

選用GHBMC 人體有限元模型，版本號(hào)為M50-P-v1.6，人體質(zhì)量為78 kg，身高為174.9 cm，保持站立姿勢(shì)。該模型具有詳細(xì)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，胸部結(jié)構(gòu)包括胸骨、肋（軟）骨、胸椎、肺臟、心臟等器官?？奢敵錾鲜銎鞴俚膽?yīng)力及運(yùn)動(dòng)信息，用于肺部損傷評(píng)價(jià)。胸部上方通過(guò)頸椎及肌肉等與頭部連接，胸部下方通過(guò)橫膈膜與腹腔臟器接觸。圖1(a)為整個(gè)人體有限元模型，圖1(b)為胸部模型，圖1(c)為胸部S-S橫截面切面。本文中使用整個(gè)人體有限元模型進(jìn)行分析，數(shù)值模擬結(jié)果已包含頭頸部及腹部對(duì)胸部損傷的影響，可獲得較真實(shí)的胸部響應(yīng)。

圖1 有限元模型Fig. 1 Finite element model

GHBMC 人體有限元模型的肺臟采用實(shí)體單元網(wǎng)格，使用Vawter[12]提出的肺組織本構(gòu)模型，其應(yīng)變能密度函數(shù)如下：

式中：I1和I2為應(yīng)變不變量，Δ=0.1 mm，C0/Δ=11.15 kPa，C1/Δ=10.02 kPa，α=0.213，β=-0.343，C2=2.04。肺組織的密度為288 kg/m3，體積模量為2.66 MPa。

1.2 爆炸流場(chǎng)模型

爆炸流場(chǎng)包括炸藥和空氣，采用歐拉網(wǎng)格，歐拉域尺寸為3 m×3 m×2.5 m，將人體模型全部包含在歐拉域內(nèi)。炸藥為梯恩梯（TNT）球形裝藥，炸藥距地面高度為1.35 m，與人體胸骨處于同一高度位置，如圖1(a)所示。

對(duì)TNT 炸藥采用Jones-Wilkins-Lee (JWL)狀態(tài)方程[13]：

使用剛性面模擬地面，位于人體足部下方，與鞋跟接觸。將整個(gè)人體模型與爆炸流場(chǎng)之間定義耦合作用，選擇罰函數(shù)耦合算法。在歐拉域外表面設(shè)置無(wú)反射邊界條件。將胸骨對(duì)應(yīng)的胸部表皮受到的爆炸載荷輸出，用于肺部損傷評(píng)價(jià)。

2 模型驗(yàn)證

基于本文中構(gòu)建的有限元模型，以爆炸事故為邊界條件開(kāi)展數(shù)值模擬。輸出人體胸部受到的爆炸載荷，結(jié)合Axelsson 損傷模型[9]判定肺部損傷情況，并與事故實(shí)際情況比對(duì)，以驗(yàn)證模型的有效性。

2.1 爆炸事故案例

Hamit 等[14]報(bào)道了一起發(fā)生在韓國(guó)的爆炸事故，炸藥質(zhì)量為1.6 kg，現(xiàn)場(chǎng)共有3 人：1 號(hào)人員正在炸藥附近作業(yè)，當(dāng)場(chǎng)死亡；2 號(hào)人員距離炸藥3.05 m，當(dāng)場(chǎng)昏迷；3 號(hào)人員距離炸藥更遠(yuǎn)，無(wú)明顯外傷。2 號(hào)人員在送醫(yī)途中恢復(fù)意識(shí)，其眼部和耳部受傷嚴(yán)重，頂骨及手部骨折，胸部X 光片顯示肺門(mén)附近及雙肺中下葉有彌漫性浸潤(rùn)影。該患者到醫(yī)院后，主要處理了外傷，接受了輸血，但并未針對(duì)肺部進(jìn)行治療。事故發(fā)生24 h 后該患者停止咳血，13 d 后肺部浸潤(rùn)影消失，肺部損傷自愈。

1 號(hào)人員當(dāng)場(chǎng)死亡，說(shuō)明其面臨較高的致死風(fēng)險(xiǎn)。胸部主要器官包括心臟、肺臟及骨骼（胸骨、肋骨及胸椎等）。對(duì)于2 號(hào)人員，其心臟及骨骼未見(jiàn)損傷，僅肺部發(fā)生損傷。羅偉等[15]認(rèn)為肺部重傷應(yīng)滿足“肺臟破裂口深入肺實(shí)質(zhì)且必須經(jīng)手術(shù)治療”條件。2 號(hào)人員肺部損傷在13 d 后康復(fù)，且未接受肺部治療，不滿足肺部重度損傷的要求，推斷其肺部損傷應(yīng)介于輕傷到中度損傷之間。

2.2 Axelsson 損傷模型

為評(píng)估爆炸沖擊對(duì)人體胸腹部造成的損傷，Axelsson 等[9]建立了由質(zhì)量塊、彈簧及阻尼器構(gòu)成的胸腔模型（見(jiàn)圖2），其數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

圖2 Axelsson 胸部模型[9]Fig. 2 The Axelsson model of the thorax[9]

式中：M為等效質(zhì)量，N為阻尼系數(shù)，K為剛度系數(shù)，Ae為等效面積，p0為環(huán)境壓力，V0為初始時(shí)刻肺部體積，γ 為肺部氣體的多方指數(shù)，x為胸壁位移，p(t)為胸部受到的爆炸載荷。

測(cè)量爆炸過(guò)程中作用于胸部的爆炸載荷p(t)，代入式(4)可計(jì)算得到胸壁移動(dòng)速度，選取胸壁移動(dòng)速度峰值作為胸腹部損傷的評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于Axelsson 等[9]并未驗(yàn)證該模型與人體胸腔真實(shí)響應(yīng)的關(guān)系，因此基于式(4)計(jì)算得到的胸壁速度峰值通常被稱為胸壁速度預(yù)測(cè)值（chest wall velocity predictor,vcwp）。Axelsson 等[9]基于動(dòng)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了vcwp與胸腹部爆炸傷之間的關(guān)系，如表1 所示。北約AEP 55 試驗(yàn)規(guī)程[16]正是使用vcwp進(jìn)行人體沖擊波損傷的評(píng)價(jià)。

表1 胸壁速度預(yù)測(cè)值與損傷等級(jí)的關(guān)系[9]Table 1 Injury level as a function of chest wall velocity predictor[9]

2.3 模型驗(yàn)證

由于文獻(xiàn)[14] 未給出3 號(hào)患者的具體位置，因此以1 號(hào)和2 號(hào)人員的損傷情況驗(yàn)證模型。1 號(hào)人員在炸藥附近作業(yè)，假定他與炸藥的距離L為1.00 m；2 號(hào)人員與炸藥的距離為3.05 m。假定炸藥距地面高度為0.50 m，依據(jù)事故的爆炸當(dāng)量，分別進(jìn)行爆炸距離為1.00 和3.05 m 工況的數(shù)值模擬。由于炸藥距離人體較遠(yuǎn)，將歐拉域尺寸擴(kuò)大為3 m×3 m×5 m。在求解過(guò)程中，輸出人體胸部受到的爆炸載荷（見(jiàn)圖3），將該爆炸載荷代入式(4)，即可求出胸壁速度的預(yù)測(cè)值vcwp。

圖3 不同爆炸距離工況下胸部爆炸載荷的演化Fig. 3 Evolution of blast load on the thorax at different explosion distances

1 號(hào)人員的vcwp為13.6 m/s，由表1 可知其致死率大于50%，面臨較高死亡風(fēng)險(xiǎn)。2 號(hào)人員的vcwp為7.3 m/s，由表1 可知其損傷介于輕傷到中度損傷之間。由上述分析可知，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果評(píng)估得到的1 號(hào)及2 號(hào)人員的肺部損傷等級(jí)與事故中人員損傷一致（2.1 節(jié)），說(shuō)明本文中建立的有限元模型可用于人體肺部爆炸傷的評(píng)估。

3 結(jié)果及討論

本文中共進(jìn)行了39 個(gè)爆炸工況的數(shù)值模擬。炸藥距離地面1.35 m，與胸骨中部處于同一高度。通過(guò)改變炸藥質(zhì)量和爆炸距離，使得胸部受到不同量級(jí)的爆炸載荷作用，并且確保每個(gè)爆炸距離下胸壁速度預(yù)測(cè)值vcwp的最大值均大于12.8 m/s。選定炸藥與胸部水平距離為0.25、0.50、0.75 和1.00 m，對(duì)應(yīng)的TNT 炸藥質(zhì)量范圍分別為50～150、50～600、50～1 000 和50～1 000 g。在所有計(jì)算工況中，vcwp最小值為1.7 m/s，對(duì)應(yīng)肺部無(wú)損傷；vcwp最大值為18.3 m/s，對(duì)應(yīng)致死率高于50%。

3.1 爆炸流場(chǎng)分布

以500 g TNT 距離胸部0.50 m 爆炸為典型工況。圖4 為爆炸流場(chǎng)壓力云圖，可知爆炸沖擊波首先在人體胸壁反射，造成胸壁附近流場(chǎng)壓力升高，隨后繞射至人體背部，即人體胸部和背部均受到爆炸沖擊波作用，但背部受到的爆炸載荷遠(yuǎn)低于胸部的。胸部爆炸載荷的波形與圖3 中的曲線類似，壓力峰值為3.9 MPa，按式(4)求得vcwp為16.2 m/s。

圖4 爆炸流場(chǎng)壓力云圖Fig. 4 Pressure contours in blast field at different times

3.2 胸腔動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

以500 g TNT 距離胸部0.50 m 爆炸為典型工況。為分析爆炸過(guò)程中胸腔的變形和運(yùn)動(dòng)情況，選取胸骨代表胸前壁（胸骨、肋軟骨、肋骨前段等）的運(yùn)動(dòng)速度，選取第8 節(jié)胸椎（T8）代表背部的運(yùn)動(dòng)速度，兩者的位置關(guān)系和速度曲線分別如圖1(c)和圖5 所示。

在OA 階段，爆炸沖擊波作用于胸部，胸前壁在極短時(shí)間內(nèi)獲得動(dòng)量，胸骨速度迅速增加。在AB 階段，胸前壁高速向后運(yùn)動(dòng)擠壓胸腔臟器，胸骨速度迅速下降。由于繞射沖擊波作用于背部，在此階段背部（T8）向前運(yùn)動(dòng)。在BC 階段，由于胸骨的速度高于胸椎T8 的速度，胸前壁持續(xù)擠壓胸腔臟器，致使胸腔臟器推動(dòng)胸椎及肋骨后段向后運(yùn)動(dòng)，胸椎T8 的后向速度逐漸升高，背部向后運(yùn)動(dòng)。在C 時(shí)刻胸骨與胸椎T8 速度首次相同，此時(shí)胸廓壓縮量達(dá)到最大42 mm，隨后胸廓進(jìn)入擴(kuò)張階段（CD 階段）。在D 和E 時(shí)刻胸骨與胸椎T8 的速度相同，表示胸廓分別進(jìn)入壓縮和擴(kuò)張過(guò)程。可使用胸骨與胸椎T8 的相對(duì)位移表征胸腔壓縮量，當(dāng)兩者相對(duì)位移為零時(shí)胸腔壓縮量為零，胸腔處于平衡位置。胸骨和胸椎T8 的位移曲線如圖6 所示，可知胸廓在O1時(shí)刻第1 次恢復(fù)平衡位置。由圖5 可知，此時(shí)胸骨和胸椎T8 的速度差為1.6 m/s。而胸廓在O2時(shí)刻第2 次恢復(fù)平衡位置時(shí)，兩者速度已接近一致。這表明：胸廓在幾次壓縮和擴(kuò)張后，胸部器官的速度逐漸穩(wěn)定，整個(gè)胸部作為整體向后運(yùn)動(dòng)。

圖5 胸骨及胸椎T8 速度曲線Fig. 5 Velocity-time histories of sternum and thoracic vertebra T8

圖6 胸骨及胸椎T8 位移曲線Fig. 6 Displacement-time histories of sternum and thoracic vertebra T8

3.3 肺部損傷機(jī)制

以500 g TNT 距離胸部0.50 m 爆炸為典型工況。圖7 為肺部壓力云圖，其中圖7(b)～(c)為胸部S-S橫截面的壓力云圖?？芍厍氨谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中，肋軟骨及肋骨前段的區(qū)域最先擠壓肺部，在肺部產(chǎn)生應(yīng)力波。由于肺部被多根肋骨擠壓，每一處擠壓點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力波，因此肺部的實(shí)際應(yīng)力是多個(gè)應(yīng)力波疊加的效果。應(yīng)力波在肺組織中的傳播速度為30～70 m/s[17]，而在心臟（?。┲械膫鞑ニ俣葹? 540～1 580 m/s[18]，且心臟（?。┑拿芏纫泊笥诜谓M織的，使得兩者的沖擊阻抗相差很大。應(yīng)力波在肺部傳播過(guò)程中，會(huì)在肺臟與心臟的界面發(fā)生反射，造成該區(qū)域壓力升高，如圖7(c)所示。通過(guò)上述分析可知，肺部壓力峰值區(qū)域主要集中在胸前壁及心臟附近。

Greer[19]通過(guò)研究肺部爆炸傷，發(fā)現(xiàn)壓力峰值高于240 kPa 的肺組織會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷。由圖7 可知，肺部最高壓力已達(dá)到400 kPa，說(shuō)明肺部面臨極高損傷風(fēng)險(xiǎn)，這與通過(guò)vcwp（=16.2 m/s）判斷的肺部損傷等級(jí)一致。為了解損傷發(fā)生的時(shí)間，以0.1 ms 為間隔，統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間段中肺部重度損傷單元（壓力高于240 kPa）達(dá)到壓力峰值的數(shù)量，再除以重度損傷單元總數(shù)，得到對(duì)應(yīng)時(shí)間段重度損傷單元所占的百分點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8 所示?？芍?，肺部損傷主要是發(fā)生在AB 階段，且80%的重度損傷單元是在1.6 ms 之前達(dá)到壓力峰值，此時(shí)尚未達(dá)到胸部最大壓縮量（圖5中C 時(shí)刻），這說(shuō)明肺部的損傷不是由胸腔整體變形擠壓臟器造成的，而是由胸前壁高速撞擊肺部產(chǎn)生的應(yīng)力波造成的。在AB 階段，沖擊波的能量轉(zhuǎn)換為肺部的應(yīng)力波，這可能是AB 段胸骨速度下降較快的原因。

圖7 不同時(shí)刻肺部壓力云圖Fig. 7 Pressure contours of the lung at different times

圖8 重度損傷單元壓力峰值時(shí)間統(tǒng)計(jì)Fig. 8 Statistics of pressure peak times of severe damaged elements

3.4 肺部損傷指標(biāo)

Axelsson 已經(jīng)建立了胸壁速度預(yù)測(cè)值vcwp與肺部損傷等級(jí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[9]，本節(jié)中以vcwp為參考基準(zhǔn)建立肺部爆炸損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.4.1 胸部壓縮量和黏性響應(yīng)系數(shù)

在汽車碰撞領(lǐng)域，常用胸部壓縮量Dc和黏性響應(yīng)系數(shù)Vc（viscous criterion）來(lái)評(píng)價(jià)胸部器官的損傷。Dc是指胸腔在前后方向的變形量。Vc定義為胸腔變形速率與壓縮率乘積的最大值，壓縮率是指胸部壓縮量與胸腔初始厚度的比值。由圖9～10 可知，隨著vcwp的增大，Dc和Vc均呈增大趨勢(shì)。這是因?yàn)関cwp增大代表胸部受到更大的爆炸載荷，胸部的整體響應(yīng)也會(huì)相應(yīng)增大。 GB 11551—2014 《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》[20]中規(guī)定的Dc和Vc損傷限值分別為75 mm 和1 m/s。在所計(jì)算的爆炸工況中，vcwp的最大值為18.3 m/s，對(duì)應(yīng)的Dc和Vc分別為41 mm 和0.86 m/s，均低于法規(guī)限值。若由上述2 個(gè)指標(biāo)判定，則肺部損傷風(fēng)險(xiǎn)較低。而由表1 可知，此時(shí)肺部已經(jīng)發(fā)生重度損傷，且死亡風(fēng)險(xiǎn)大于50%。這說(shuō)明由Dc和Vc判定的胸部爆炸損傷等級(jí)遠(yuǎn)低于實(shí)際情況。

圖9 胸部壓縮量與胸壁速度預(yù)測(cè)值的關(guān)系曲線Fig. 9 Relationship between thoracic deflection and chest wall velocity predictor

在汽車碰撞過(guò)程中，撞擊物（方向盤(pán)）是持續(xù)擠壓胸部。對(duì)于爆炸工況，由于爆炸載荷作用時(shí)間極短，胸前壁是在慣性作用下擠壓胸腔臟器。胸部碰撞響應(yīng)的特點(diǎn)是胸腔變形大、變形速率相對(duì)較低。而胸部爆炸響應(yīng)的特點(diǎn)是胸腔變形小、變形速率高，但變形速率下降極快。Dc主要是評(píng)估肋骨受到撞擊發(fā)生變形及骨折的風(fēng)險(xiǎn)，不能反映胸部變形速率的大小，因此Dc不適合用于評(píng)價(jià)胸部爆炸傷。Vc兼顧胸部變形及變形速率對(duì)損傷的影響，常用于評(píng)估人體胸部軟組織損傷風(fēng)險(xiǎn)。由圖5 可知，在爆炸載荷作用下，胸前壁瞬間獲得速度（OA 階段）并撞擊胸腔臟器，將能量轉(zhuǎn)化為臟器的應(yīng)力波后，胸前壁速度快速下降（AB 階段）。在OA 和AB 階段，雖然胸前壁速度很高，但由于該階段時(shí)間很短，對(duì)應(yīng)的胸部壓縮率較小，致使Vc偏小，因此Vc也不適合用于評(píng)價(jià)胸部爆炸傷。

圖10 黏性響應(yīng)系數(shù)與胸壁速度預(yù)測(cè)值的關(guān)系曲線Fig. 10 Relationship between viscous criterion and chest wall velocity predictor

3.4.2 胸骨速度與胸骨加速度

由3.3 節(jié)分析可知，在OA 階段，爆炸沖擊轉(zhuǎn)變?yōu)樾厍氨趧?dòng)能。在AB 階段，胸前壁高速撞擊胸腔臟器，部分動(dòng)能以應(yīng)力波的方式傳遞給胸腔臟器。由圖5 可知，A 時(shí)刻胸骨速度為9.82 m/s，B 時(shí)刻胸骨速度為4.72 m/s。若以胸骨速度代表胸前壁速度，則在AB 階段胸前壁動(dòng)能下降了77 %，該部分能量主要轉(zhuǎn)變?yōu)樾厍慌K器的應(yīng)力波。在BC 階段，胸前壁在慣性作用下持續(xù)擠壓胸腔及胸腔臟器，C 時(shí)刻胸骨速度為3.16 m/s，則該階段胸前壁動(dòng)能下降了13 %，這部分能量主要轉(zhuǎn)變?yōu)樾厍坏淖冃文芎托夭康膭?dòng)能。僅少量的胸前壁動(dòng)能轉(zhuǎn)化為胸腔變形能，因而胸腔變形較小，這也是爆炸傷患者胸部壓縮量較小的原因。AB 和BC 階段對(duì)應(yīng)不同的肺部損傷機(jī)制，前者是應(yīng)力波致傷，后者是胸腔變形擠壓肺臟致傷。胸部壓縮量Dc和黏性響應(yīng)系數(shù)Vc可反映BC 階段胸腔變形擠壓造成胸部損傷的風(fēng)險(xiǎn)。肺部爆炸傷主要是由AB 階段的應(yīng)力波造成的，應(yīng)選取可反映應(yīng)力波大小的指標(biāo)表征相關(guān)損傷。胸骨速度峰值vsp反映了胸前壁與胸腔臟器的撞擊速度，胸骨加速度峰值asp反映了爆炸載荷對(duì)胸前壁的沖擊強(qiáng)度，兩者均與肺部應(yīng)力波存在直接關(guān)聯(lián)，因而選取胸骨速度峰值和胸骨加速度峰值評(píng)價(jià)肺部爆炸損傷。

由圖11～12 可知，胸骨速度峰值與胸壁速度預(yù)測(cè)值呈線性關(guān)系vsp=0.618 48vcwp，胸骨加速度峰值與胸壁速度預(yù)測(cè)值的關(guān)系為asp=12.85v2cwp+47.47vcwp，擬合決定系數(shù)（R2）均大于0.99，擬合程度較好。結(jié)合表1 可知，胸骨速度峰值及胸骨加速度峰值對(duì)應(yīng)輕度損傷（vcwp=4.3 m/s）的閾值為2.7 m/s 和442g，對(duì)應(yīng)中度損傷（vcwp=7.5 m/s）的閾值為4.6 m/s 和1 079g，對(duì)應(yīng)重度損傷（vcwp=9.8 m/s）的閾值為6.1 m/s 和1 700g，對(duì)應(yīng)致死率大于50%（vcwp=12.8 m/s）的閾值為7.9 m/s 和2 713g。

圖11 胸骨速度峰值與胸壁速度預(yù)測(cè)值的關(guān)系曲線Fig. 11 Relationship between sternum velocity and chest wall velocity predictor

圖12 胸骨加速度峰值與胸壁速度預(yù)測(cè)值的關(guān)系曲線Fig. 12 Relationship between sternum acceleration and chest wall velocity predictor

3.4.3 胸骨速度峰值與胸壁速度預(yù)測(cè)值的關(guān)系

Axelsson 模型將胸部簡(jiǎn)化為類似矩形氣缸的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），活塞等效胸（前）壁。活塞外側(cè)受到爆炸載荷作用，內(nèi)側(cè)受到彈簧、阻尼及氣缸內(nèi)壓力的作用?；钊趦?nèi)外力差作用下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，胸壁速度預(yù)測(cè)值vcwp是活塞運(yùn)動(dòng)的最大速度。由于爆炸載荷加載速度極快，活塞瞬間達(dá)到最大速度，此時(shí)對(duì)應(yīng)的活塞位移很小，則式(4)中的彈簧力及氣缸壓力變化可以忽略，因此vcwp的主要影響因素是等效質(zhì)量M。人體胸部的情況類似，胸骨速度峰值vsp的主要影響因素是胸前壁（包括骨骼、皮膚、肌肉、脂肪等）的質(zhì)量。vsp與vcwp之間的系數(shù)則主要反映了2 個(gè)模型中胸前壁等效質(zhì)量的差異。

3.5 局限性

本文中的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論均基于正面爆炸。對(duì)于側(cè)面爆炸、背部爆炸，由于爆炸載荷加載方向和作用于人體的部位不同，其肺部損傷響應(yīng)和評(píng)價(jià)指標(biāo)仍需進(jìn)一步研究。另外，當(dāng)人體佩戴胸部防護(hù)裝備時(shí)，胸部除了受到透射、繞射過(guò)裝備的沖擊波作用，防護(hù)裝備在爆炸載荷作用下也會(huì)撞擊胸部，可能產(chǎn)生其他致傷機(jī)制，尚不確定本文中提出的肺部爆炸傷評(píng)價(jià)指標(biāo)能否適用于該工況。

4 結(jié) 論

(1)正面爆炸工況中，爆炸沖擊波首先在胸部反射，隨后繞射至背部，胸部和背部均受到爆炸載荷作用。在爆炸載荷作用下，胸前壁高速撞擊胸腔臟器，同時(shí)速度迅速下降。隨后在慣性作用下，胸前壁持續(xù)擠壓胸腔臟器，并造成胸腔變形。胸腔在經(jīng)歷幾次壓縮-擴(kuò)張往復(fù)后，胸部器官速度穩(wěn)定，胸部整體向后運(yùn)動(dòng)。

(2)胸前壁高速撞擊胸腔臟器時(shí)，將在肺臟內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力波。應(yīng)力波是造成肺部損傷的主要原因，胸腔變形擠壓肺部造成的損傷風(fēng)險(xiǎn)較低。肺部損傷集中在靠近胸前壁及心臟的區(qū)域。

(3)胸部壓縮量和黏性響應(yīng)系數(shù)可以反映胸腔變形擠壓臟器造成的損傷，但不能反映應(yīng)力波對(duì)肺部造成的損傷，不適合用于評(píng)價(jià)肺部爆炸損傷。

(4)胸骨速度峰值和胸骨加速度峰值與肺部應(yīng)力波存在直接關(guān)聯(lián)，且與胸壁速度預(yù)測(cè)值有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可用于評(píng)價(jià)肺部爆炸損傷。