電擊武器作用生物體與含鹽明膠模擬靶的相似性

覃彬， 臧立偉， 高曈， 安碩， 羅湘娜

(中國(guó)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

基層民警及武警人員在執(zhí)行各類安防及反恐防暴行動(dòng)過程中，打擊對(duì)象多是情緒激動(dòng)人員、暴恐人群等，少數(shù)情況下還可能面對(duì)醉酒或精神病患者等。電擊武器被認(rèn)為是一種不會(huì)直接造成人員死亡的“人道性”非致命武器，適用于對(duì)付各種非正常目標(biāo)，因此在反恐安防領(lǐng)域具有較好應(yīng)用前景。

以泰瑟(taser)電擊器為代表，在歐美諸國(guó)已經(jīng)應(yīng)用多年，其效能在大多數(shù)時(shí)候得到較好的驗(yàn)證，數(shù)據(jù)表明配備電擊武器后，軍警遇襲及傷亡率都顯著降低。因此，國(guó)內(nèi)近年來也一直在呼吁放開電擊武器的使用，但受限于國(guó)外大量使用后的少數(shù)死亡案例，說明電擊武器可能存在的安全隱患及，因此一直未能實(shí)施。

在電擊武器安全性研究方面，國(guó)內(nèi)主要以輸出電流評(píng)價(jià)電擊武器安全性，或通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有效及安全。王德文及其團(tuán)隊(duì)較早并一直從事電擊武器生物效應(yīng)研究，主要基于豬、羊等大動(dòng)物開展實(shí)驗(yàn)。在國(guó)內(nèi)首次制定了醫(yī)學(xué)傷情分級(jí)推薦標(biāo)準(zhǔn)及“電量”致傷閾值，提出了動(dòng)物向人體轉(zhuǎn)換的方案。雍香宇則采用比格犬為研究對(duì)象，通過的生理生化指標(biāo)進(jìn)行分析，驗(yàn)證所選用電擊防暴器的安全性。國(guó)外以泰瑟公司的電擊產(chǎn)品為主，通過志愿者實(shí)驗(yàn)及實(shí)戰(zhàn)使用案例對(duì)產(chǎn)品安全性進(jìn)行驗(yàn)證性研究。Baliatsas等綜述性回顧了電擊武器的人體效應(yīng)。Kroll等深入分析了電擊武器的心臟損傷效應(yīng)及內(nèi)在機(jī)制。Ho等分析了傳統(tǒng)電擊武器及新型電擊武器在志愿者人體的傳導(dǎo)電流及可能導(dǎo)致的生理效應(yīng)，并基于任務(wù)設(shè)定分析了電擊對(duì)目標(biāo)的失能效應(yīng)評(píng)估。Comeaux等則對(duì)比了方波脈沖與泰瑟x26電擊器窄脈沖對(duì)肌電信號(hào)的干擾與肌肉控制效應(yīng)。Kunz等通過生物與人體試驗(yàn)對(duì)比，分析了電擊后心臟/骨骼肌的影響與電擊安全性。總的來看，電擊武器輸出電流是普遍采用的安全性評(píng)價(jià)參量，但由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)，不同研究機(jī)構(gòu)、人員采用不同的生物對(duì)象開展研究，其研究結(jié)果缺乏可對(duì)比性。

在電擊武器研發(fā)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)受限于生物實(shí)驗(yàn)難以開展的實(shí)際條件，更多參照國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)采用等效電阻代替人體開展研究，其中提及了電流是影響電擊效應(yīng)的主要因素，人體接觸電阻、擊穿作用電壓也與電擊效應(yīng)密切相關(guān)。劉鑫等采用60 MΩ：36 kΩ的分壓電路代替人體開展電擊器輸出特性測(cè)試；熊遠(yuǎn)波參考IEC 60479分析了人體電擊阻抗特性，提出了以人體內(nèi)阻抗取值為500～700 Ω表征電擊武器負(fù)載較為適宜，并探討了考慮電流及安全性的武器設(shè)計(jì)原則。楊啟祥、崔斌洲、英克強(qiáng)則從高壓脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)與損傷因素的角度，分析了以500～800 Ω作為人體模擬電阻的合理性及設(shè)計(jì)所需要的考慮的電流因素。國(guó)外由于具有較多生物試驗(yàn)結(jié)果，因此模擬靶標(biāo)研究不多，例如Chiles等采用隔空電弧測(cè)試的方法檢測(cè)電擊武器輸出阻抗，仍采用電阻替代法分析電擊輸出；Dawes等則是采用豬心臟安全模型代替人體開展電擊武器測(cè)試。考慮電擊武器與工業(yè)觸電事故的電流路徑差異，且人體電阻受電壓、電頻率影響較大，因此簡(jiǎn)單的以電阻代替生物體并不科學(xué)，而采用隔空電弧、生物組織替代等方式又缺乏一致性與可信度。

綜上，從定量化對(duì)比不同電擊武器性能，科學(xué)評(píng)估電擊武器生物損傷效應(yīng)并指導(dǎo)武器研發(fā)的角度來看，建立科學(xué)合理、性能穩(wěn)定的非生物靶標(biāo)非常有必要。電擊武器的主要靶器官是人體的神經(jīng)及肌肉組織，在輕武器殺傷研究過程中，曾提出了以明膠靶標(biāo)等效肌肉組織的模擬實(shí)驗(yàn)與評(píng)估方法。明膠介質(zhì)在化學(xué)組成上與肌肉非常接近，都是由10%～20%的蛋白質(zhì)與80%～90%水組成。國(guó)內(nèi)在電擊防暴裝備研制過程中，也提出采用活體組織或阻抗相似替代物開展電擊效應(yīng)研究的設(shè)想，其中明膠蛋白水解物是備選介質(zhì)之一。

本文將基于某警用電擊防暴棍的電擊升壓模塊開展研究，分析升壓模塊對(duì)活體生物的輸出特性，另一方面通過優(yōu)選、調(diào)整模擬靶標(biāo)組成含量并開展電擊實(shí)驗(yàn)，通過輸出電流、靶標(biāo)等效負(fù)載及作用電壓等參數(shù)驗(yàn)證相似性，探索以明膠介質(zhì)模擬靶標(biāo)替代生物靶標(biāo)的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c方法

1.1 電擊器高壓模塊與實(shí)驗(yàn)布置

市面上存在的電擊類武器較多，針對(duì)其安全性所列舉的輸出參數(shù)各不相同，本文選用某型防暴叉電擊器中的高壓模塊開展研究。圖1所示高壓模塊采用2節(jié)18 650電池串聯(lián)，低壓端供電電壓8.0～8.3 V，高壓端輸出10 kV量級(jí)的高壓脈沖，可擊穿空氣實(shí)現(xiàn)放電。

圖1 防暴叉電擊器高壓模塊Fig.1 Booster of anti-riot electric shock fork

高壓模塊的原理如圖2所示，低壓供電端輸入通過RC振蕩電路形成低壓交流脈沖，通過增壓線圈實(shí)現(xiàn)升壓放大并輸出至負(fù)載。高壓模塊對(duì)電壓的增幅作用與負(fù)載特性相關(guān)，輸入功率10～20 W，輸出峰值功率不超過1 W，很大一部分輸入電能以高壓模塊熱能損耗的形式耗散。

圖2 高壓模塊原理及測(cè)試組成Fig.2 Booster model and testing system

1.2 生物靶標(biāo)及模擬靶標(biāo)

生物實(shí)驗(yàn)中，豬、羊、犬都曾被選作受試對(duì)象。考慮體重及人體組織相似性，本文采用某醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)后麻醉未醒的長(zhǎng)白豬作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，體重約70 kg，分別對(duì)心前區(qū)(心臟位置至右側(cè)胸肋間)、右側(cè)胸腹(胸肋間至腹部)、背部(心臟后側(cè)至腰側(cè))、左側(cè)臀部進(jìn)行電擊測(cè)試；參考近距離有線電擊槍使用情況，采用直徑1.5 mm電針作為刺入電極，電針距離設(shè)置為20 cm，刺入深度2 cm。

模擬靶標(biāo)選用明膠，采用骨膠顆粒與淡鹽水按照1∶9的比例預(yù)混加熱形成溶液，試制的3種靶標(biāo)液含NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.2%及0.4%，溶解成膠液后注入28 cm×18 cm×18 cm的7 L容器內(nèi)，4 ℃冷凝保溫24 h后可開展測(cè)試。

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理圖如圖2所示，高壓模塊輸出端選用=10 Ω精密電阻與圖3、圖4所示靶標(biāo)串聯(lián)形成負(fù)載。同時(shí)為減少接觸電阻影響，采用表面打磨光滑的銅針分別刺入圖3、圖4所示的豬肉靶標(biāo)及明膠模擬靶，參考某型防暴叉設(shè)計(jì)說明及泰瑟系列電擊器常見案例，銅針間隔20 cm進(jìn)行電擊測(cè)試。

圖3 電擊實(shí)驗(yàn)用活體豬靶標(biāo)Fig.3 Living pig target for electric shock test

圖4 實(shí)驗(yàn)用明膠模擬靶標(biāo)Fig.4 Gelatin simulation target for test

測(cè)試輸出參數(shù)包括總輸出電壓()及測(cè)流電阻端電壓()。通過測(cè)流電阻端電壓可換算出負(fù)載電流()，并可通過(1)式的串聯(lián)分壓關(guān)系換算出不同負(fù)載的實(shí)際等效電阻：

(1)

2 電擊模塊對(duì)生物靶輸出特性

2.1 電擊生物體的典型輸出特征曲線

如圖5所示，是電擊作用于動(dòng)物后臀肌肉豐滿區(qū)域的輸出電壓及輸出電流；輸出高壓脈沖的頻率約16 kHz，負(fù)載電壓()峰值可達(dá)約13.5 V；測(cè)流電阻端電壓約0.56 V，計(jì)算得到負(fù)載電流()峰值約56 mA。

圖5 動(dòng)物左后臀區(qū)電擊的輸出電壓U(t)及輸出電流I(t)Fig.5 Electrical shock output Voltage U(t) and output Current I(t) for Living Target left Buttock

從時(shí)間軸上看，負(fù)載電流與電壓波形近乎同步，但電流仍略微超前，其原因主要是生物體不是純電阻，而是具有一定的“電容特性”，在建立負(fù)載電壓之前要先通過形成大電流快速注入電荷，因此電流略先于電壓。

如圖6所示是根據(jù)(1)式計(jì)算出的靶標(biāo)等效電阻曲線，表現(xiàn)為與輸出電壓反相，即在電擊脈沖電壓上升波峰期間等效電阻呈現(xiàn)出波谷，等效電阻()可低至30～50 Ω，遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[11-13]提及的500～800 Ω人體模擬電阻值。圖6中為脈沖周期。等效電阻的波谷源于生物體的“電容特性”阻抗，呈現(xiàn)出3個(gè)階段：

圖6 動(dòng)物左后臀區(qū)電擊的等效電阻RT(t)Fig.6 Electrical shock output equivalent resistance RT(t) for living target’s left buttock

1) 充電加載段：建立負(fù)載電壓期間負(fù)載電流()的上升快于輸出電壓()-()，“低電壓高電流”導(dǎo)致等效電阻()也處于波谷；

2) 壓降段：負(fù)載電壓()到達(dá)峰值后的下降段，負(fù)載電流()的下降也快于輸出電壓()，“高電壓低電流”導(dǎo)致等效電阻()也不斷上升；

3) 截止段：?jiǎn)蝹€(gè)放電周期結(jié)束，負(fù)載電壓()和負(fù)載電流()的都接近于零，阻抗曲線表現(xiàn)為高阻截止。

2.2 電擊生物體不同部位的輸出差異

實(shí)驗(yàn)中獲得電擊作用于生物體心前區(qū)、腹部、背部、臀部的輸出電壓()和等效電阻()曲線特征波形相似，但在幅值上稍有不同。將等效電阻()曲線進(jìn)行處理，選取如圖6所示的從單個(gè)脈沖起始點(diǎn)計(jì)0.7個(gè)脈沖周期時(shí)長(zhǎng)區(qū)域進(jìn)行均值計(jì)算，作為等效電阻的特征值，測(cè)試結(jié)果如表1數(shù)據(jù)所示。由表1可知：

表1 電擊生物體不同部位輸出參數(shù)Table 1 Electrical shock output parameters for different parts of living Target

1) 輸出電壓介于12.82～15.6 V之間，輸出電流介于53.6～57.2 mA之間，對(duì)不同部位輸出變化不大；

2) 生物體腹部位置的均值等效電阻最低，腹部、后臀居中，心前區(qū)等效電阻最高，平均值介于400 Ω左右；等效電阻差異說明生物體皮膚較薄或肌肉豐滿區(qū)域組織導(dǎo)電性或更好——生物體腹部和心前區(qū)皮膚較薄，后臀的肌肉組織較為厚實(shí)，而背部則皮膚及皮下脂肪較厚，刺入肌肉相對(duì)較薄，因此等效電阻值偏高。

3 電擊模塊對(duì)明膠模擬靶輸出特性

3.1 電擊模擬靶標(biāo)輸出特征

如圖7所示，電擊作用于7 kg 0.1%含鹽量明膠靶標(biāo)的輸出電壓脈沖峰值約17～18 V，都較生物體略高；輸出電流峰值介于57～62 mA之間，與生物體差異不大。

圖7 電擊7 kg 0.1%含鹽量明膠靶標(biāo)的輸出電壓U(t)及輸出電流I(t)Fig.7 Electrical shock output voltage U(t) and output current I(t) for 7 kg gelatin target containing 0.1% salt

如圖8所示，含鹽明膠靶標(biāo)表現(xiàn)出的阻抗特性曲線與生物體也非常相似，即都表現(xiàn)出與輸出電壓反相、“電容特性”阻抗特征等。其等效電阻曲線()在高頻加載導(dǎo)通期間阻抗值可低至100 Ω以下，在放電過程至低頻段阻抗逐步上升。

圖8 電擊7 kg 0.1%明膠靶標(biāo)的等效電阻RT(t)Fig.8 Electrical shock output equivalent resistance RT(t) for 7 kg gelatin target containing 0.1% salt

3.2 明膠模擬靶的分段阻抗特性

與生物體阻抗曲線到達(dá)谷值后緩慢上升不同，明膠靶標(biāo)表現(xiàn)顯著的“升壓加載段”和“平臺(tái)段”，兩端之間有顯著的阻抗曲線拐點(diǎn)。

將單個(gè)電擊脈沖的輸出電壓、電流與等效負(fù)載電阻曲線放大對(duì)比，如圖9所示。由圖9可見：

圖9 電擊明膠靶標(biāo)的輸出電壓U(t)與等效電阻RT(t)對(duì)比Fig.9 Electrical shock output voltage U(t) vs equivalent resistance RT(t) from electrical shock on gelatin target

1) 升壓加載段的持續(xù)時(shí)間約5～6 μs，升壓加載期間負(fù)載等效阻抗快速降低；阻抗降的原因是“電容特性”使得加載初期呈現(xiàn)出低電壓和大電流，在電荷釋放達(dá)到輸出電壓最高值后，阻抗曲線到達(dá)拐點(diǎn)；

2) 等效負(fù)載曲線拐點(diǎn)后是較為顯著的平臺(tái)段，持續(xù)時(shí)間約100 μs，平臺(tái)段阻抗值變化不大，是表征明膠靶標(biāo)負(fù)載特性的重要參數(shù)；

3) “升壓加載段”和“平臺(tái)段”以外的區(qū)段，由于輸出電壓和電流都較小，測(cè)試誤差導(dǎo)致形成等效負(fù)載曲線的“紊亂區(qū)”，在理論上分析，紊亂區(qū)對(duì)應(yīng)的是高阻截止?fàn)顟B(tài)。

4 含鹽量對(duì)明膠模擬靶影響極其生物等效性

采用同一型電擊模塊對(duì)不同含鹽量的明膠靶標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，并將獲得的等效負(fù)載電阻曲線在同一坐標(biāo)下進(jìn)行對(duì)比。如圖10所示，3種不同含鹽量的明膠靶標(biāo)，表現(xiàn)為含鹽量越高，等效電阻越低。

圖10 不同含鹽量明膠靶與生物體等效電阻RT(t)對(duì)比Fig.10 Comparison of equivalent resistance RT(t) between living target and gelatin target with different salt contents

生物靶標(biāo)的負(fù)載平臺(tái)段不太明顯，但總體對(duì)比發(fā)現(xiàn)，0.1%含鹽量的明膠靶標(biāo)等效負(fù)載曲線與生物體最為接近，與生物體均值的誤差為14.19%。

綜合電擊器對(duì)生物體與不同含鹽量明膠靶標(biāo)的輸出參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)最重要的對(duì)比參數(shù)“輸出電流峰值”的最大誤差是7.72%，“等效電阻”及“輸出負(fù)載電壓”的誤差分別為-14.20%及25.63%。不管是輸出負(fù)載電壓、輸出電流及均值等效電阻，明膠靶標(biāo)與生物體的偏差都已經(jīng)小于30%。考慮到生物體本身具強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性，因生物體個(gè)體差異及年齡、生理狀況、體表濕潤(rùn)度等差別，生物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果偏差可能達(dá)到倍數(shù)級(jí)別。而能將模擬靶與生物體均值的差異控制在30%以內(nèi)，在工學(xué)與生物醫(yī)學(xué)交叉領(lǐng)域已屬非常不易。從輸出電流最大誤差7.72%及等效電阻最大誤差14.2%來看，可以說兩類靶標(biāo)具有較好的相似性，含鹽明膠靶的穩(wěn)定性與一致性更好，具有代替生物體進(jìn)行電擊武器評(píng)估的可行性。

表2 電擊7 kg 0.1%明膠靶標(biāo)的輸出參數(shù)Table 2 Electrical shock output parameters for 7 kg gelatin target containing 0.1% salt

5 結(jié)論

本文針對(duì)某防暴電擊器高壓模塊對(duì)生物靶及不同含鹽量明膠靶的輸出特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了不同靶標(biāo)輸出阻抗特性的差異。得出主要結(jié)論如下：

1) 電擊武器性能評(píng)估過程中，生物體與含鹽明膠靶標(biāo)都表現(xiàn)為“阻容耦合”的高通阻抗特性。

2) 不同含鹽量明膠靶標(biāo)對(duì)比結(jié)果表明，含鹽量越高，等效負(fù)載越低，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。

3) 0.1%含鹽量明膠靶標(biāo)與生物體對(duì)比，在輸出電流方面的誤差不超過7.72%，在輸出電壓與等效負(fù)載電阻方面的誤差都不超過25.63%，驗(yàn)證了兩類靶標(biāo)的相似性，含鹽明膠靶具有代替生物體進(jìn)行電擊武器評(píng)估的可行性。

6 討論

本文研究發(fā)現(xiàn)0.1%的明膠靶導(dǎo)電能力與生物體更為接近，該值比醫(yī)學(xué)上采用的生理鹽水濃度0.9%(與人體體液電解質(zhì)濃度相當(dāng))低很多。

明膠靶是均質(zhì)導(dǎo)體，而生物組織差異、細(xì)胞膜對(duì)細(xì)胞內(nèi)液/外液的阻隔，可能是導(dǎo)致生物體與明膠靶在不同含鹽量是呈現(xiàn)相近特性的主要原因。但該解釋或還需更多的分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。