沖擊波作用有/無防護顱腦靶標動態響應規律

熊漫漫， 覃彬， 徐誠， 安碩， 伍楊,

(1.南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094；2.中國兵器工業第208研究所 瞬態沖擊技術重點實驗室， 北京 102202)

0 引言

沖擊波致創傷性腦損傷(bTBI)，又稱沖擊波腦損傷，是指由爆炸性武器、武器發射產生的沖擊波直接導致的腦損傷。顱腦作為人體重要的中樞神經系統和生存維持敏感器官，其損傷直接影響士兵作戰能力。爆炸和膛口沖擊波引起的顱腦損傷已經成為現代戰場單兵的主要致傷形式，但相關的致傷機理和防護理論尚不明確。開展沖擊波作用下顱腦響應研究，明確沖擊波致腦損傷機制，對于單兵防護裝備研發、士兵作戰能力提升意義重大。

國內外學者針對沖擊波致顱腦損傷已經開展了大量研究，并提出了幾種致傷機制。有人認為沖擊波會通過顱骨腔隙或眼窩、篩骨、枕大孔等空洞直接進入腦組織，或者通過顱骨透射進入腦組織，引起腦組織位移和形變而產生損傷；另外，沖擊波進入顱骨和腦組織，壓縮波在顱骨處反彈，在腦脊液和組織內形成拉伸波，顱腦組織材料的非對稱性形成剪切波，由壓縮波、剪切波協同作用造成腦組織損傷，以及沖擊波引起聲阻抗失諧，導致腦組織中沖擊泡沫效應。很多人還認為沖擊波在低阻抗的邊界反射產生負的拉伸波，隨著腦脊液產生空化與湮滅，形成局部高壓點，造成腦組織損傷。栗志杰等在開展爆炸沖擊波作用顱腦損傷機理數值分析時建立爆炸沖擊波作用頭部流- 固耦合模型，分析了頭部在正面沖擊工況下流場壓力分布、腦組織壓力、顱骨變形與加速度等動態響應過程，構建了顱骨局部彎曲變形與腦組織壓力之間的內在聯系。Neveen等開展沖擊波作用模擬顱骨靶標動態響應測試研究，通過在顱腦靶標上布排不同類型的傳感器獲得了沖擊載荷下加速度、顱內壓分布、頸部彎曲角度等動態響應參數。Ganpule等開展沖擊波作用顱腦動態響應的數值仿真和試驗研究，試驗使用RED仿真假人作為顱腦靶標，以激波管發射沖擊波，對顱骨變形和顱內壓力進行分析，認為顱骨彎曲和組織空化是可能的損傷機制。以往主要通過數值仿真和激波管試驗模擬沖擊波作用顱腦，獲得一維沖擊波作用下的顱腦響應。考慮到實際作戰中沖擊波復雜工況，這兩種方法并不能完全反映真實工況下顱腦響應特性。

為探究真實工況下顱腦動態響應特性，本文開展單兵火箭彈膛口沖擊波作用有/無防護情況下顱腦靶標試驗研究，分析顱內不同位置的壓力特性和演化歷程，以及防護對顱內壓力特性的影響規律。

1 試驗方法

1.1 顱腦模擬靶標

顱腦模擬靶標主要包括顱骨模型、模擬腦組織、防彈頭盔。其中顱骨模型為可拆卸醫學模型，由PVC材料制成，結構尺寸1∶1模擬真實人顱骨，頭蓋骨可拆卸安裝，以便于提前布排傳感器及后期澆注模擬腦組織，如圖1所示。模擬腦組織為質量分數10%的彈道明膠，明膠制作方法參考文獻[18]，以澆注形式與顱骨模型復合。澆注完成后，對顱骨模型拆卸縫隙處作熱熔膠封處理。頭盔為03式頭盔，無頭盔顱腦靶標編號為AU，帶頭盔顱腦靶標編號為AC。表1所示為顱腦靶標不同測點編號。

表1 顱腦內壓力測點編號Table 1 Measurement points for intracranial pressure

圖1 顱腦模擬靶標Fig.1 Head surrogate

1.2 傳感器及其安裝固定方法

根據顱內壓力的典型分布特征以及腦組織不同區域對沖擊的敏感特性,顱腦模擬靶標內安裝4個KISTLER IEPE型壁面壓力傳感器，分別位于大腦前額、大腦后枕、小腦、腦干位置，如圖2所示。其中前額處傳感器敏感面朝向額骨，距離額骨距離 1 cm 左右；后枕處傳感器敏感面朝向枕骨，距離枕骨 1 cm 左右；小腦處傳感器敏感面朝向頂骨側面，距離頂骨側面4 cm左右，兩個顱腦模擬靶標的小腦處傳感器關于中線對稱放置；腦干處傳感器朝向腦組織內部。傳感器提前使用金屬鋁支架固定在顱腦內部，然后將固定好傳感器的顱骨與頭蓋骨裝配好，使用保鮮膜纏緊密封，并僅保留進膠口。然后將制備好的彈道明膠溶液冷卻一段時間后，澆灌于顱骨模型中，并將靶標置于4 ℃保溫箱中保溫，至試驗前將顱腦模擬靶標從保溫箱中取出。

圖2 傳感器安裝Fig.2 Sensor layout

1.3 試驗方法

試驗系統包括沖擊源、顱腦模擬靶標、傳感器、數據采集系統、三角支撐架。其中沖擊源為單兵火箭彈發射器，構建圖3所示模擬火箭彈發射工況下沖擊波入射火箭手顱內壓力測試系統，圖4為試驗現場圖。兩個顱腦模擬靶標用三角支撐架固定，三角支撐架高度可調節。其中一個靶標佩戴防彈頭盔，另一個不佩戴頭盔，分別置于單兵火箭筒兩側，并與單兵火箭筒高度齊平，模擬火箭彈發射時的沖擊波入射方向。沖擊源與顱腦模擬靶標距離通過移動三角支撐架調節。

圖3 試驗布置圖Fig.3 Test setup

圖4 試驗現場Fig.4 Test site

2 結果與討論

2.1 顱腦內壓力分布特性

圖5～圖9所示為膛口沖擊無防護顱腦內不同位置壓力時程曲線。從圖5～圖9中可以看出：顱腦內超壓上升速度較慢，持續時間較長，時程曲線表現出非典型沖擊波特征；沖擊波正壓先到達P2-AU，然后到達P3-AU、P4-AU，其次到達P1-AU，主要是由顱腦靶標位置在膛口沖擊波發射場相對位置和沖擊波場特性決定；P1-AU、P2-AU、P4-AU壓力曲線表現出正負壓交替振蕩效應，且隨時間振幅逐漸降低，振蕩周期為1 ms左右；后枕處的顱骨在沖擊波作用下發生變形并引起局部振動，該處的局部變形振動會沿著顱骨傳播，從而使沖擊波源由后枕處的“單一波源”逐步發展為整個顱骨的“多處波源”，這些波源共同決定腦組織壓力的演化歷程；顱骨變形引起的不斷內凹和外凸致使腦組織沿著顱骨內表面出現拉伸、壓縮交替狀態，即正負壓交替。另外研究表明，爆炸沖擊波致使顱骨發生的局部高頻振動，其頻率與該處腦組織壓力的波動頻率相一致，即壓力振蕩與沖擊波在顱內復雜傳播反射路徑以及顱骨自身振動頻率有關。

圖5 膛口沖擊無防護顱腦壓力曲線Fig.5 Intracranial pressure with armour uncovered

圖6 膛口沖擊無防護顱腦壓力曲線(P1-AU)Fig.6 Intracranial pressure with armour uncovered (P1-AU)

圖7 膛口沖擊無防護顱腦壓力曲線(P2-AU)Fig.7 Intracranial pressure with armour uncovered (P2-AU)

圖8 膛口沖擊無防護顱腦壓力曲線(P3-AU)Fig.8 Intracranial pressure with armour uncovered (P3-AU)

圖9 膛口沖擊無防護顱腦壓力曲線(P4-AU)Fig.9 Intracranial pressure with armour uncovered (P4-AU)

對比不同位置的壓力特征，P1-AU位于沖擊對側，壓力曲線以負壓開始，主要是因為沖擊波引起顱骨和腦組織沿著沖擊方向位移，由于顱骨與腦組織的慣性力差異，顱骨加速度明顯大于腦組織加速度，前額顱骨的運動位移大于腦組織運動位移，使得腦組織產生相對拉伸位移，腦組織處于拉伸狀態，形成負壓。隨后正壓到達，形成正負壓交替振蕩，即負壓- 正壓- 負壓，且振幅逐漸降低。而P2-AU和P4-AU位于沖擊側，壓力曲線均以正壓開始，初始正壓之后出現壓力振蕩，即正壓- 負壓- 正壓，且振幅逐漸降低。而P3-AU以持續正壓為主，且振幅較低，主要由于腦干位于顱腦靠近中心位置，與顱骨不接觸，負壓拉伸效應較低。

表2為3次試驗P1-AU兩個振蕩周期內的壓力峰值與沖量對比。由表2可知：第1個振蕩周期內負峰值壓力平均值為-38.007 kPa，標準偏差17.512%，而沖量平均值為-8.031 Pa·s，標準偏差5.849%；第1個振蕩周期內正峰值壓力平均值為53.681 kPa，偏差15.381%，而沖量平均值為15.304 Pa·s，標準偏差2.974%。對比壓力峰值和沖量的標準偏差，沖量值相對穩定，更能反映顱腦內壓力動態響應特性。表3為3次試驗顱腦不同位置的超壓峰值，可見超壓峰值前額>腦干>后枕>小腦；腦組織不同位置，壓力峰值差異顯著，但沖量大小比較接近。結果表明，沖擊對側除了表現出顯著的負壓特征，其正壓力峰值也超過沖擊側近1倍。因此若以壓力響應來評估顱腦損傷程度，則沖擊對側的損傷程度可能超出沖擊側，與已有研究中對沖傷致傷機制是一致的。

表2 P1-AU大腦前額壓力特性Table 2 Pressure characteristics of P1-AU brain (forehead)

表3 無防護顱腦不同位置壓力特性Table 3 Intracranial pressure of different points with armour uncovered

2.2 防護具對顱腦壓力特性影響規律

2.2.1 有防護顱腦內壓力分布特性

圖10～圖14所示為膛口沖擊下有防護顱腦內不同位置壓力時程曲線。由圖10～圖14可見：顱腦內超壓上升速度較慢，持續時間較長，時程曲線表現出非典型沖擊波特征；沖擊波正壓幾乎同時到達P2-AU、P3-AU和P4-AU，其次到達P1-AU，正壓起始時間比其他位置延遲0.5 ms左右，主要由于P1-AU位于沖擊對側；對比不同位置的壓力特征，P2-AU、P3-AU、P4-AU在初始正壓之后出現壓力振蕩，即正壓- 負壓- 正壓，振蕩周期1 ms左右；P1-AU壓力波動曲線區別于其他位置，出現正壓高位振蕩，起始一段時間內未表現出明顯的負壓特性。

圖10 膛口沖擊有防護顱腦壓力曲線Fig.10 Intracranial pressure with armour covered

圖11 膛口沖擊有防護顱腦壓力曲線(P1-AC)Fig.11 Intracranial pressure with armour covered (P1-AC)

圖12 膛口沖擊有防護顱腦壓力曲線(P2-AC)Fig.12 Intracranial pressure with armour covered (P2-AC)

圖13 膛口沖擊有防護顱腦壓力曲線(P3-AC)Fig.13 Intracranial pressure with armour covered (P3-AC)

圖14 膛口沖擊有防護顱腦壓力曲線(P4-AC)Fig.14 Intracranial pressure with armour covered (P4-AC)

表4所示為3次試驗有防護顱腦不同位置的超壓峰值。由表4可見：大腦后枕、小腦、腦干3處的超壓峰值比較接近，均為30 kPa左右，均大于沖擊對側P1-AC大腦前額處的壓力峰值，但沖量大小略有差異，大腦前額>大腦后枕>小腦>腦干，即有防護后顱腦沖擊側的壓力峰值大于沖擊對側，但沖量小于沖擊對側。

表4 有防護顱腦不同位置壓力特性Table 4 Intracranial pressure of different points with armour covered

2.2.2 頭盔防護對顱腦壓力特性影響規律

圖15～圖18所示為有/無防護顱腦不同位置壓力時程曲線對比，可見二者有顯著差異，一是表現在曲線趨勢差異較大，帶頭盔后前額的負壓區消失，正壓峰值和沖量顯著降低，同時“負壓- 正壓- 負壓”振蕩趨勢消失。表5所示為頭盔對顱腦不同位置壓力衰減特征對比。由表5可見：帶頭盔后大腦后枕的壓力時程曲線趨勢幾乎不變，正壓幅值沒有顯著降低；帶頭盔后小腦出現顯著的正壓峰值增強；帶頭盔后腦干處壓力時程曲線趨勢沒有明顯變化，同時壓力峰值也沒有顯著降低。總體看來，頭盔對于腦組織內不同位置的壓力衰減幅度并不相同，甚至有可能有增強效果。帶頭盔后沖擊對側顱腦區域壓力峰值和沖量衰減較明顯，并且會削弱或抑制負壓效應，而對沖擊側顱腦區域衰減不明顯，甚至有個別區域顱腦壓力峰值有一定增強。考慮頭盔的設計結構可能會對沖擊波具有匯聚增強的效果，因此在防護頭盔設計時除了要滿足抗彈需求還應考慮防沖擊波。

圖15 膛口沖擊下有/無防護壓力對比(大腦前額)Fig.15 Intracranial pressure curves with armour covered/uncovered (cerebrum forehead)

圖16 膛口沖擊下有/無防護壓力對比(大腦后枕)Fig.16 Intracranial pressure curves with armour covered/uncovered (cerebrum occiput)

圖17 膛口沖擊下有/無防護壓力對比(腦干)Fig.17 Intracranial pressure comparison curves with armour covered/uncovered (brainstem)

圖18 膛口沖擊下有/無防護壓力對比(小腦)Fig.18 Intracranial pressure comparison curves with armour covered/uncovered (cerebellum)

表5 防護后不同部位壓力衰減特征對比Table 5 Pressure attenuation at different points with armor covered %

3 結論

本文通過開展單兵火箭彈膛口沖擊波作用有/無防護下顱腦靶標試驗，分析了顱內不同位置的壓力特性和演化歷程，并對比了有/無防護下顱腦內壓力變化，給出了防護對顱腦內壓力特性影響規律。得出以下主要結論：

1)膛口沖擊無防護顱腦內超壓上升速度較慢，持續時間較長，時程曲線表現出非典型沖擊波特征，并表現出正負壓交替振蕩效應，振蕩周期為1 ms左右，壓力振蕩與沖擊波在顱內復雜傳播反射路徑以及顱骨自身振動頻率有關。

2)膛口沖擊無防護顱腦內不同位置，壓力峰值差異顯著，沖擊對側表現出顯著的負壓特征，其正壓峰值超過沖擊側近1倍，但不同位置的沖量大小比較接近。

3)帶頭盔后沖擊對側顱腦區域壓力峰值和沖量衰減較明顯，并且會削弱或抑制沖擊對側的負壓效應，而沖擊側顱腦區域衰減不明顯，甚至有部分區域顱腦壓力峰值有一定增強，即頭盔防護后顱腦內不同位置的壓力衰減率差異顯著，在頭盔防護設計時應綜合考慮。