不同弹体结构步枪弹致防弹衣后钝性伤特点及其生物力学机制

一、研究背景防弹衣，又名避弹衣、避弹服等，其起源于古代士兵的甲胄，最初用于抵挡冷兵器造成的伤害，随着武器的发展，防弹衣也在逐步的进化。现代意义上的防弹衣出现出现于第一次世界大战，其可以防止枪弹、弹片等投射物穿入人体造成的伤害。现代防弹衣按构成材料分类有三种：软体防弹衣、硬体防弹衣及复合式防弹衣。软体防弹衣由一些高性能纺织纤维材料构成，如尼龙、碳化硅、凯夫拉、超高分子聚乙烯等，这些材料有远高于一般材料的弹性模量及能量吸收能力。硬体防弹衣有两类，一是由特种钢板、超强铝合金等材料构成的金属材料防弹衣，二是由氧化铝、碳化硅等硬质非金属材料构成的非金属材料防弹衣。复合防弹衣是以陶瓷防弹板复合一定厚度的超高分子聚乙烯编织物构成。三种类型防弹衣中，复合式防弹衣防护能力最强，被用处防护步枪弹射击。防弹衣的使用极大的降低了士兵的死亡率，调查资料表明，在第一次世界大战中，由于防弹衣的使用使得英军士兵伤亡率降低了58%，其中胸部受伤造成的死亡率从30%降低到了8%。防弹衣的避弹机理从根本上来说有两个：一是通过撞击使投射物破碎、弹开，二是通过防弹材料的变形、破碎消耗投射物的动能，从而将投射物捕获。但近年来的研究发现，无论何种防弹衣，都不能完全吸收投射物的动能，仍有一部分能量可以穿透防弹衣传递给机体，导致机体局部钝性挫伤及远达脑损伤，这种损伤被称为防弹衣后钝性损伤（BABT）。作为近些年来创伤弹道学研究的重点和热点，国内外对于防弹衣后钝性损伤做了大量的研究，提出对于同一种投射物防弹衣后钝性损伤程度与投射物的动能呈正相关，但对于枪弹结构差异与防弹衣以后钝性损伤的关系尚不清楚。以往的创伤弹道学研究已经证实，由于枪弹结构的差异，不同弹体结构枪弹击中机体后能量释放过程是不同的，造成的损伤也是不同的。而对于有防护情况下，枪弹结构差异是否会导致损伤的差异尚不清楚。动能相同但是弹体结构不同的步枪弹击中相同防护水平下的动物胸部，所致损伤是否是会存在不同？如果损伤存在不同，那导致损伤不同的力学机制是什么？弹体结构不同的步枪弹击中防弹衣后能量传递方式有哪些差异？阐明这些问题将有助于为防弹衣后钝性损伤的战场急救、新型武器防具的设计开发以及致伤后作战人员战斗能力评估提供指导意见。二、研究目的本实验研究以动能相同、弹体结构不同的三种步枪弹射击防步枪弹复合防护材料防护下的长白猪胸部，观察击中后：实验猪局部及远达脏器损伤特点；防弹衣后软组织及颅内压力传播规律；结合以往开展的防弹衣后钝性伤实验猪运动和记忆能力改变的研究，应用数理统计方法，建立损伤判别分析模型，探讨基于防弹衣后实验猪钝性伤特点推测人员作战能力改变的方法。三、研究内容1、通过减装药的方式将三种结构不同的步枪弹调整至动能一致（56式7.62mm步枪弹，着靶动能1800J；xxmm步枪弹，着靶动能1802J；SS1095.56mm步枪弹,着靶动能1786J），并设假致伤对照组（无弹头空爆弹）室内靶道25m处射击实验长白猪胸部（左锁骨中线4-5肋间），实验动物右侧卧位，胸部模拟覆盖内层软31层超高分子聚乙烯防弹衣，外层包裹厚度4.2mmAl2O3陶瓷防弹板，并研究以下内容：（1）不同弹体结构步枪弹击中复合防弹材料覆盖下长白猪胸部后生命体征变化。（2）不同弹体结构步枪弹击中复合防弹材料覆盖下长白猪胸部后局部损伤特点（心、肺）及血液心肌损伤标准物表达水平变化（TnT、CK、CK-MB、LDH）。（3）不同弹体结构步枪弹击中复合防弹材料覆盖下长白猪胸部后远达脑损伤特点。（4）采用AIS2005标准对实验动物主要脏器损伤行AIS评分，多发伤评分采用AIS评分最高分，即MAIS评分。2、在上述基础上于实验动物复合防弹材料后胸部软皮下多个不同位置中、颅内放置压力传感器，记录不同子弹命中损伤压力正压峰值，探讨压力与损伤的关系。另外用特制木架刚性固定防弹衣，高速摄影机记录不同弹体结构步枪弹击中复合防弹材料瞬间防弹板动态变形情况，根据图像计算复合防弹材料最大变形高度Cmax、最大变形速率Vmax及二者的乘积（VC）max，探讨复合防弹材料变形挤压与损伤的关系。3、结合以往开展的防弹衣后钝性伤实验猪运动和记忆能力改变的研究，应用数理统计方法，建立损伤判别分析模型，探讨基于防弹衣后实验猪钝性伤特点推测人员作战能力改变的方法。四、实验结果三种步枪弹射击后，防弹衣均未被击穿，但出现不同程度的后凸变形。后凸高度7.62mm组为5.00mm±2.29mm，xxmm步枪弹组为4.62mm±2.33mm，SS1095.56mm组为4.13mm±0.98mm，7.62mm组与其他两组比较P＜0.05。1、实验动物损伤情况（1）局部皮损：致伤后弹着点局部形成圆形苍白缺血区及环状红晕区，但皮肤连续性存在。皮损面积以7.62mm步枪弹组为最，xxmm步枪弹组次之，SS1095.56mm步枪弹组最小，7.62mm步枪弹组射击所致皮肤苍白区面积与其他两组比较P＜0.05。（2）生命体征变化：致伤后即刻起三组实验动物出现不同程度的呼吸、心率加速，至30min左右恢复至伤前水平；7.62mm步枪弹组致伤后即刻开始股动脉收缩压升高，2min时到达峰值，后逐渐恢复；某型步枪弹组致伤即刻股动脉收缩压显著降低，后逐渐恢复10min左右到达伤前水平；SS1095.56mm组致伤后股动脉收缩压轻度升高，并呈进行性升高，致30min尚未恢复；致伤前后三组动物血氧饱和度较伤前无明显变化；假致伤组各项生命体征与伤前无明显变化。（3）局部脏器损伤：三组动物局部脏器损伤均以心、肺钝性挫伤为主。心肌大体损伤特点为左、右心室内膜点、片状出血及二尖瓣、三尖瓣点状出血。病理结构损伤特点为肉眼观出血以外心肌仍可见心肌纤维纹理紊乱、肌间隙增大、心肌出血；肺脏大体损伤特点为肺脏点、片状出血，出血位置主要见于防弹衣后凸撞击部位，肺脏出血面积7.62mm组＞xxmm步枪弹组＞SS1095.56mm步枪弹组。肺脏病理结构损伤特点为肉眼观出血以外肺脏组织显微结构仍可肺脏出血，肺间隔破裂等显微结构改变。显微病理半定量分析提示心、肺肉眼可见血主要见于防弹衣后凸撞击部位，但在距离肉眼可见出血5cm处仍可见显微病理损伤，且损伤发生率及严重度7.62mm步枪弹xmm步枪弹组＞SS1095.56mm步枪弹组。（4）血液心肌损伤标志物变化：在伤后各时间点，血清心肌损伤标志物（TnT、CK、CK-MB、LDH）水平均不同程度的升高，且以3h为最明显。3h时，不同弹种组之间血清TnT、CK、CK-MB表达水平增幅7.62mm步枪弹xmm步枪弹组＞SS1095.56mm步枪弹组（P＜0.05）。（5）远达脑损伤特点：防弹衣后远达脑损伤表现为脑充血、蛛网膜下腔出血、脑实质出血。（6）脑电变化：三个弹种组致伤后1min后均出现脑电低频Delta、Theta波抑制，5min后逐渐恢复，脑电抑制幅度组间比较无显著差异。高频Alpha、Bata波波幅较伤前无显著下降。（7）MAIS （Maximum abbreviated injury scale）评分：7.62mm步枪弹组MAIS评分3.17±0.98（较重度到重度损伤）；xxmm步枪弹组MAIS评分2.33±0.52（中度到较重度损伤）；SS1095.56mm步枪弹组MAIS评分2.00±0.00（中度损伤）；对照组MAIS评分为0.00±0.00（无损伤）。2、防弹衣后压力变化（1）心前区皮下软组织压力：步枪弹击中复合防弹材料瞬间，在距离弹着点10cm处7.62mm步枪弹组压力为1454kPa±500kPa，xxmm步枪弹组压力为1014kPa±410kPa，SS1095.56mm步枪弹组压力为812kPa±240kPa，不同弹种组间比较P＜0.05。回归分析显示10cm处压力与肺脏出血面积、MAIS评分正相关（P＜0.05）。（2）颅内压（左顶叶）：步枪弹击中复合防弹材料瞬间，左顶叶压力7.62mm组为303.33kPa±20.81kPa，xxmm步枪弹组为280.33kPa±32.15kPa，SS1095.56mm步枪弹组为180.67kPa±37.86kPa，不同弹种组间比较P＜0.05。回归分析显示颅内压力与局部压力（10cm）呈相关（P＜0.05）。3、防弹衣动态变形高速摄影三种步枪弹击中防弹板瞬间，复合防弹材料均出现不同程度的后凸变形。约0.5ms1ms内达到最大变形，到达最大变形后逐渐缩小至最终变形。整个过程持续10ms左右。防弹板最大变形程度以7.62mm组为最大，xxmm组次之，SS1095.56mm组最小。7.62mm组与其他两组比较具有显著差异（P＜0.05）；到达最大变形的时间7.62mm组最快，xxmm组次之，5.56mm组最慢，7.62mm组与其他两组比较具有显著差异（P＜0.05）；三个不同步枪弹组防弹板最大变形量均显著高于最终残余变形量（P＜0.05）。（VC）max（C：最大变形高度、Vmax：最大变形速度）7.62mm组＞xxmm步枪弹组＞SS1095.56mm步枪弹组。4、防弹衣后失能评估依据以往防弹衣后钝性伤试验猪运动和记忆、认知能力改变实验数据，以及与其采用同实验动物、相同致伤武器、相同防护、相同致伤方式的防弹衣后钝性伤解剖损伤、生化指标数据，在假设二者损伤与失能情况分布完全相同且损伤与失能呈正相关的前提下，建立了使用解剖损伤、生化指标评估防弹衣后钝性伤失能水平判别分析模型，探讨了基于防弹衣后实验猪钝性伤特点推测人员作战能力改变的方法。五、结论1.三种弹体结构不同的步枪弹均可致复合防弹材料后心、肺钝性伤。损伤特点肉眼观主要为表现复合防弹材料后凸撞击部位点、片状出血。显微病理观察示在远离撞击点出血位置仍可见心、肺显微结构损伤。不同弹种组间损伤程度具有梯度差异，损伤程度7.62mm步枪弹组＞xxmm步枪弹组＞SS1095.56mm步枪弹组。2．三种步枪弹均可致复合防弹材料后远达脑损伤，损伤表现为脑肿胀、蛛网膜下腔出血及脑实质出血。3.动能相同但弹体结构不同的步枪弹击中复合防弹材料时能量释放方式（复合防弹材料后软组织压力、复合防弹材料动态变形）是不一致的，能量释放方式的不同可导致损伤程度的差异。枪弹与防弹衣碰撞后产生的压力波与防弹材料的快速变形挤压是导致脏器损伤的主要原因。4.结合以往开展的防弹衣后钝性伤实验猪运动和记忆能力改变的研究，应用数理统计方法，建立了基于防弹衣后实验猪钝性伤特点推测人员作战能力改变判别分析模型。，依据该模型推测xxmm步枪弹以1802J动能致伤胸部后，可导致作战人员在进攻作战5min内战斗失能，失能可能性最高为80%，重度失能可能性最高为40%。在相同动能水平下，7.62mm步枪弹致伤后失能可能性及失能程度大于xxmm步枪弹，SS1095.56mm步枪弹致伤后失能可能性及失能程度小于xxmm步枪弹。