不同彈體結構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?，F(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。現(xiàn)代防彈衣按構成材料分類有三種:軟體防彈衣、硬體防彈衣及復合式防彈衣。軟體防彈衣由一些高性能紡織纖維材料構成，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成的金屬材料防彈衣，二是由氧化鋁、碳化硅等硬質非金屬材料構成的非金屬材料防彈衣。復合防彈衣是以陶瓷防彈板復合一定厚度的超高分子聚乙烯編織物構成。三種類型防彈衣中，復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，但對于槍彈結構差異與防彈衣以后鈍性損傷的關系尚不清楚。以往的創(chuàng)傷彈道學研究已經(jīng)證實，由于槍彈結構的差異，不同彈體結構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，槍彈結構差異是否會導致?lián)p傷的差異尚不清楚。
　　動能相同但是彈體結構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？彈體結構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、彈體結構不同的三種步槍彈射擊防步槍彈復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壓力傳播規(guī)律;結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、研究內容
　　1、通過減裝藥的方式將三種結構不同的步槍彈調整至動能一致（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)，并設假致傷對照組（無彈頭空爆彈）室內靶道25m處射擊實驗長白豬胸部（左鎖骨中線4-5肋間），實驗動物右側臥位，胸部模擬覆蓋內層軟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，并研究以下內容:
　　(1)不同彈體結構步槍彈擊中復合防彈材料覆蓋下長白豬胸部后生命體征變化。
　　(2)不同彈體結構步槍彈擊中復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)不同彈體結構步槍彈擊中復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、在上述基礎上于實驗動物復合防彈材料后胸部軟皮下多個不同位置中、顱內放置壓力傳感器，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構步槍彈擊中復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，探討復合防

9、彈材料變形擠壓與損傷的關系。
　　3、結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;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;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、右心室內膜點、片狀出血及二尖瓣、三尖瓣點狀出血。病理結構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。肺臟病理結構損傷特點為肉眼觀出血以外肺臟組織顯微結構仍可肺臟出血，肺間隔破裂等顯微結構改變。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，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。回歸分析顯示10cm處壓力與肺臟出血面積、MAIS評分正相關(P＜0.05)。
　　(2)顱內壓（左頂葉）:步槍彈擊中復合防彈材料瞬間，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分析顯示顱內壓力與局部壓力(10cm)呈相關(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，復合防彈材料均出現(xiàn)不同程度的后凸變形。約0.5ms～1ms內達到最大變形，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、結論
　　1.三種彈體結構不同的步槍彈均可致復合防彈材料后心、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、肺顯微結構損傷。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出血。
　　3.動能相同但彈體結構不同的步槍彈擊中復合防彈材料時能量釋放方式（復合防彈材料后軟組織壓力、復合防彈材料動態(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