不同彈體結(jié)構(gòu)步槍彈致防彈衣后鈍性傷特點及其生物力學機制.pdf

1、一、研究背景
　　防彈衣，又名避彈衣、避彈服等，其起源于古代士兵的甲胄，最初用于抵擋冷兵器造成的傷害，隨著武器的發(fā)展，防彈衣也在逐步的進化。現(xiàn)代意義上的防彈衣出現(xiàn)出現(xiàn)于第一次世界大戰(zhàn)，其可以防止槍彈、彈片等投射物穿入人體造成的傷害?，F(xiàn)代防彈衣按構(gòu)成材料分類有三種:軟體防彈衣、硬體防彈衣及復(fù)合式防彈衣。軟體防彈衣由一些高性能紡織纖維材料構(gòu)成，如尼龍、碳化硅、凱夫拉、超高分子聚乙烯等，這些材料有遠高于一般材料的彈性模量及能量吸收能力。

2、硬體防彈衣有兩類，一是由特種鋼板、超強鋁合金等材料構(gòu)成的金屬材料防彈衣，二是由氧化鋁、碳化硅等硬質(zhì)非金屬材料構(gòu)成的非金屬材料防彈衣。復(fù)合防彈衣是以陶瓷防彈板復(fù)合一定厚度的超高分子聚乙烯編織物構(gòu)成。三種類型防彈衣中，復(fù)合式防彈衣防護能力最強，被用處防護步槍彈射擊。防彈衣的使用極大的降低了士兵的死亡率，調(diào)查資料表明，在第一次世界大戰(zhàn)中，由于防彈衣的使用使得英軍士兵傷亡率降低了58％，其中胸部受傷造成的死亡率從30％降低到了8％。
　　

3、防彈衣的避彈機理從根本上來說有兩個:一是通過撞擊使投射物破碎、彈開，二是通過防彈材料的變形、破碎消耗投射物的動能，從而將投射物捕獲。但近年來的研究發(fā)現(xiàn)，無論何種防彈衣，都不能完全吸收投射物的動能，仍有一部分能量可以穿透防彈衣傳遞給機體，導致機體局部鈍性挫傷及遠達腦損傷，這種損傷被稱為防彈衣后鈍性損傷(BABT)。作為近些年來創(chuàng)傷彈道學研究的重點和熱點，國內(nèi)外對于防彈衣后鈍性損傷做了大量的研究，提出對于同一種投射物防彈衣后鈍性損傷程度與投

4、射物的動能呈正相關(guān)，但對于槍彈結(jié)構(gòu)差異與防彈衣以后鈍性損傷的關(guān)系尚不清楚。以往的創(chuàng)傷彈道學研究已經(jīng)證實，由于槍彈結(jié)構(gòu)的差異，不同彈體結(jié)構(gòu)槍彈擊中機體后能量釋放過程是不同的，造成的損傷也是不同的。而對于有防護情況下，槍彈結(jié)構(gòu)差異是否會導致?lián)p傷的差異尚不清楚。
　　動能相同但是彈體結(jié)構(gòu)不同的步槍彈擊中相同防護水平下的動物胸部，所致?lián)p傷是否是會存在不同？如果損傷存在不同，那導致?lián)p傷不同的力學機制是什么？彈體結(jié)構(gòu)不同的步槍彈擊中防彈衣后能

5、量傳遞方式有哪些差異？闡明這些問題將有助于為防彈衣后鈍性損傷的戰(zhàn)場急救、新型武器防具的設(shè)計開發(fā)以及致傷后作戰(zhàn)人員戰(zhàn)斗能力評估提供指導意見。
　　二、研究目的
　　本實驗研究以動能相同、彈體結(jié)構(gòu)不同的三種步槍彈射擊防步槍彈復(fù)合防護材料防護下的長白豬胸部，觀察擊中后:實驗豬局部及遠達臟器損傷特點;防彈衣后軟組織及顱內(nèi)壓力傳播規(guī)律;結(jié)合以往開展的防彈衣后鈍性傷實驗豬運動和記憶能力改變的研究，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法，建立損傷判別分析模型，

6、探討基于防彈衣后實驗豬鈍性傷特點推測人員作戰(zhàn)能力改變的方法。
　　三、研究內(nèi)容
　　1、通過減裝藥的方式將三種結(jié)構(gòu)不同的步槍彈調(diào)整至動能一致（56式7.62mm步槍彈，著靶動能1800J;xxmm步槍彈，著靶動能1802J;SS1095.56mm步槍彈，著靶動能1786J)，并設(shè)假致傷對照組（無彈頭空爆彈）室內(nèi)靶道25m處射擊實驗長白豬胸部（左鎖骨中線4-5肋間），實驗動物右側(cè)臥位，胸部模擬覆蓋內(nèi)層軟31層超高分子聚乙烯防彈

7、衣，外層包裹厚度4.2mmAl2O3陶瓷防彈板，并研究以下內(nèi)容:
　　(1)不同彈體結(jié)構(gòu)步槍彈擊中復(fù)合防彈材料覆蓋下長白豬胸部后生命體征變化。
　　(2)不同彈體結(jié)構(gòu)步槍彈擊中復(fù)合防彈材料覆蓋下長白豬胸部后局部損傷特點（心、肺）及血液心肌損傷標準物表達水平變化(TnT、CK、CK-MB、LDH)。
　　(3)不同彈體結(jié)構(gòu)步槍彈擊中復(fù)合防彈材料覆蓋下長白豬胸部后遠達腦損傷特點。
　　(4)采用AIS2005標準對實

8、驗動物主要臟器損傷行AIS評分，多發(fā)傷評分采用AIS評分最高分，即MAIS評分。
　　2、在上述基礎(chǔ)上于實驗動物復(fù)合防彈材料后胸部軟皮下多個不同位置中、顱內(nèi)放置壓力傳感器，記錄不同子彈命中損傷壓力正壓峰值，探討壓力與損傷的關(guān)系。另外用特制木架剛性固定防彈衣，高速攝影機記錄不同彈體結(jié)構(gòu)步槍彈擊中復(fù)合防彈材料瞬間防彈板動態(tài)變形情況，根據(jù)圖像計算復(fù)合防彈材料最大變形高度Cmax、最大變形速率Vmax及二者的乘積(VC)max，探討復(fù)合防

9、彈材料變形擠壓與損傷的關(guān)系。
　　3、結(jié)合以往開展的防彈衣后鈍性傷實驗豬運動和記憶能力改變的研究，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法，建立損傷判別分析模型，探討基于防彈衣后實驗豬鈍性傷特點推測人員作戰(zhàn)能力改變的方法。
　　四、實驗結(jié)果
　　三種步槍彈射擊后，防彈衣均未被擊穿，但出現(xiàn)不同程度的后凸變形。后凸高度7.62mm組為5.00mm±2.29mm，xxmm步槍彈組為4.62mm±2.33mm，SS1095.56mm組為4.13mm±

10、0.98mm，7.62mm組與其他兩組比較P＜0.05。
　　1、實驗動物損傷情況
　　(1)局部皮損:致傷后彈著點局部形成圓形蒼白缺血區(qū)及環(huán)狀紅暈區(qū)，但皮膚連續(xù)性存在。皮損面積以7.62mm步槍彈組為最，xxmm步槍彈組次之，SS1095.56mm步槍彈組最小，7.62mm步槍彈組射擊所致皮膚蒼白區(qū)面積與其他兩組比較P＜0.05。
　　(2)生命體征變化:致傷后即刻起三組實驗動物出現(xiàn)不同程度的呼吸、心率加速，至30m

11、in左右恢復(fù)至傷前水平;7.62mm步槍彈組致傷后即刻開始股動脈收縮壓升高，2min時到達峰值，后逐漸恢復(fù);某型步槍彈組致傷即刻股動脈收縮壓顯著降低，后逐漸恢復(fù)10min左右到達傷前水平;SS1095.56mm組致傷后股動脈收縮壓輕度升高，并呈進行性升高，致30min尚未恢復(fù);致傷前后三組動物血氧飽和度較傷前無明顯變化;假致傷組各項生命體征與傷前無明顯變化。
　　(3)局部臟器損傷:三組動物局部臟器損傷均以心、肺鈍性挫傷為主。心肌

12、大體損傷特點為左、右心室內(nèi)膜點、片狀出血及二尖瓣、三尖瓣點狀出血。病理結(jié)構(gòu)損傷特點為肉眼觀出血以外心肌仍可見心肌纖維紋理紊亂、肌間隙增大、心肌出血;肺臟大體損傷特點為肺臟點、片狀出血，出血位置主要見于防彈衣后凸撞擊部位，肺臟出血面積7.62mm組＞xxmm步槍彈組＞SS1095.56mm步槍彈組。肺臟病理結(jié)構(gòu)損傷特點為肉眼觀出血以外肺臟組織顯微結(jié)構(gòu)仍可肺臟出血，肺間隔破裂等顯微結(jié)構(gòu)改變。顯微病理半定量分析提示心、肺肉眼可見血主要見于防彈

13、衣后凸撞擊部位，但在距離肉眼可見出血5cm處仍可見顯微病理損傷，且損傷發(fā)生率及嚴重度7.62mm步槍彈xmm步槍彈組＞SS1095.56mm步槍彈組。
　　(4)血液心肌損傷標志物變化:在傷后各時間點，血清心肌損傷標志物(TnT、CK、CK-MB、LDH)水平均不同程度的升高，且以3h為最明顯。3h時，不同彈種組之間血清TnT、CK、CK-MB表達水平增幅7.62mm步槍彈xmm步槍彈組＞SS1095.56mm步槍彈組(P＜0.0

14、5)。
　　(5)遠達腦損傷特點:防彈衣后遠達腦損傷表現(xiàn)為腦充血、蛛網(wǎng)膜下腔出血、腦實質(zhì)出血。
　　(6)腦電變化:三個彈種組致傷后1min后均出現(xiàn)腦電低頻Delta、Theta波抑制，5min后逐漸恢復(fù)，腦電抑制幅度組間比較無顯著差異。高頻AIpha、Bata波波幅較傷前無顯著下降。
　　(7)MAIS(Maximumabbreviatedinjuryscale)評分:7.62mm步槍彈組MAIS評分3.17±0.9

15、8（較重度到重度損傷）;xxmm步槍彈組MAIS評分2.33±0.52（中度到較重度損傷）;SS1095.56mm步槍彈組MAIS評分2.00±0.00（中度損傷）;對照組MAIS評分為0.00±0.00（無損傷）。
　　2、防彈衣后壓力變化
　　(1)心前區(qū)皮下軟組織壓力:步槍彈擊中復(fù)合防彈材料瞬間，在距離彈著點10cm處7.62mm步槍彈組壓力為1454kPa±500kPa，xxmm步槍彈組壓力為1014kPa±410k

16、Pa，SS1095.56mm步槍彈組壓力為812kPa±240kPa，不同彈種組間比較P＜0.05?；貧w分析顯示10cm處壓力與肺臟出血面積、MAIS評分正相關(guān)(P＜0.05)。
　　(2)顱內(nèi)壓（左頂葉）:步槍彈擊中復(fù)合防彈材料瞬間，左頂葉壓力7.62mm組為303.33kPa±20.81kPa，xxmm步槍彈組為280.33kPa±32.15kPa，SS1095.56mm步槍彈組為180.67kPa±37.86kPa，不同彈種

17、組間比較P＜0.05?；貧w分析顯示顱內(nèi)壓力與局部壓力(10cm)呈相關(guān)(P＜0.05)。
　　3、防彈衣動態(tài)變形高速攝影
　　三種步槍彈擊中防彈板瞬間，復(fù)合防彈材料均出現(xiàn)不同程度的后凸變形。約0.5ms～1ms內(nèi)達到最大變形，到達最大變形后逐漸縮小至最終變形。整個過程持續(xù)10ms左右。防彈板最大變形程度以7.62mm組為最大，xxmm組次之，SS1095.56mm組最小。7.62mm組與其他兩組比較具有顯著差異(P＜0.05

18、);到達最大變形的時間7.62mm組最快，xxmm組次之，5.56mm組最慢，7.62mm組與其他兩組比較具有顯著差異(P＜0.05);三個不同步槍彈組防彈板最大變形量均顯著高于最終殘余變形量(P＜0.05)。(VC)max(C:最大變形高度、Vmax:最大變形速度)7.62mm組＞xxmm步槍彈組＞SS1095.56mm步槍彈組。
　　4、防彈衣后失能評估
　　依據(jù)以往防彈衣后鈍性傷試驗豬運動和記憶、認知能力改變實驗數(shù)據(jù)，

19、以及與其采用同實驗動物、相同致傷武器、相同防護、相同致傷方式的防彈衣后鈍性傷解剖損傷、生化指標數(shù)據(jù)，在假設(shè)二者損傷與失能情況分布完全相同且損傷與失能呈正相關(guān)的前提下，建立了使用解剖損傷、生化指標評估防彈農(nóng)后鈍性傷失能水平判別分析模型，探討了基于防彈衣后實驗豬鈍性傷特點推測人員作戰(zhàn)能力改變的方法。
　　五、結(jié)論
　　1.三種彈體結(jié)構(gòu)不同的步槍彈均可致復(fù)合防彈材料后心、肺鈍性傷。損傷特點肉眼觀主要為表現(xiàn)復(fù)合防彈材料后凸撞擊部位點

20、、片狀出血。顯微病理觀察示在遠離撞擊點出血位置仍可見心、肺顯微結(jié)構(gòu)損傷。不同彈種組間損傷程度具有梯度差異，損傷程度7.62mm步槍彈組＞xxmm步槍彈組＞SS1095.56mm步槍彈組。
　　2.三種步槍彈均可致復(fù)合防彈材料后遠達腦損傷，損傷表現(xiàn)為腦腫脹、蛛網(wǎng)膜下腔出血及腦實質(zhì)出血。
　　3.動能相同但彈體結(jié)構(gòu)不同的步槍彈擊中復(fù)合防彈材料時能量釋放方式（復(fù)合防彈材料后軟組織壓力、復(fù)合防彈材料動態(tài)變形）是不一致的，能量釋放方式

21、的不同可導致?lián)p傷程度的差異。槍彈與防彈衣碰撞后產(chǎn)生的壓力波與防彈材料的快速變形擠壓是導致臟器損傷的主要原因。
　　4.結(jié)合以往開展的防彈衣后鈍性傷實驗豬運動和記憶能力改變的研究，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法，建立了基于防彈衣后實驗豬鈍性傷特點推測人員作戰(zhàn)能力改變判別分析模型。，依據(jù)該模型推測xxmm步槍彈以1802J動能致傷胸部后，可導致作戰(zhàn)人員在進攻作戰(zhàn)5min內(nèi)戰(zhàn)斗失能，失能可能性最高為80％，重度失能可能性最高為40％。在相同動能水平下