基于人體解剖結構的單兵防護后損傷評估

李子軒， 溫垚珂， 董方棟， 夏海龍， 彭磊， 鄭浩

(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；3.重慶長江電工工業集團有限公司， 重慶 401336)

0 引言

防彈衣在現代戰爭中的使用極大地減小了士兵的傷亡。合格的防彈裝備雖然能夠阻止常規槍彈造成的侵徹傷，但槍彈沖擊單兵防護時產生的沖擊動能及防彈衣變形擠壓仍會作用于人體并產生鈍擊傷，嚴重的可能造成人體內臟損傷、骨折甚至死亡。因此，準確地預測防護后損傷效應并對其所造成的損傷程度做出合理評估，不但有助于醫護人員對患者的傷情做出高效、合理的判斷，極早地進行救治，而且也是對士兵失能情況、武器殺傷效能和防護裝備性能進行評估的基礎。

目前普遍采用的防護后損傷評估方法是在防彈衣后面放一塊膠泥，投射物撞擊防彈衣后會在膠泥中形成一個近似半球形的凹坑，當凹坑深度不超過44 mm(或25 mm)時即認為不會對人體造成顯著損傷。Hanlon等研究認為，44 mm的膠泥凹陷深度對應的人體致死率約為6%。也有研究者通過測量彈道明膠(一種人體肌肉組織模擬物)中的鈍擊凹陷瞬時變化和靶標中的壓力來評估鈍擊損傷。這兩種方法都忽略了人體結構的復雜性，評估指標過于簡單，評估結果無法反映擊中人體不同部位時產生的損傷差異。

Shewchenko等在作戰士兵的易損性模型中將鈍擊損傷標準映射到以損傷定級標準(AIS)評分為基礎的解剖學結構中，并對鈍擊損傷等級取值范圍進行了相應的調整，從而使用解剖學評分方法對鈍擊損傷嚴重程度進行評估。Eisler等在評估穿戴防彈衣人體的鈍擊損傷程度時，使用撞擊部位下方的身體變形量進行損傷嚴重程度的衡量。邵曉鵬等采用由致傷面積和致傷深度得到的損傷體積來表征18.4 mm動能彈對有防護生物靶標的損傷嚴重程度。

20世紀70年代，美國彈道研究所率先開展了基于人體解剖結構的輕武器終點效應評估技術研究，并開發了計算機評估程序Computer Man。該程序以某成年男子身體的108層橫斷面圖像數據為基礎，識別了組成人體的297種主要解剖結構。隨后將每層圖像分為5 mm×5 mm的單元，每個單元代表一塊人體組織，在軟件中重構出了人體易損性模型。接著采用醫學專家打分的方式為每個單元賦予一個損傷等級，作為評估人體在受到槍傷時受傷嚴重程度評估的基礎。同時，還結合不同作戰任務為每個單元賦予一個失能等級，從而可以評估人員在受傷后的失能情況。以Computer Man程序為基礎，美國陸軍研究所開發了基于業務需求的傷亡評估(ORCA)軟件，該軟件的人體易損性模型包含473種人體組織器官，具有4種不同姿態(站、坐、蹲、臥)，可用于多種戰斗場景下的人體易損性評估(見圖1(a))。

德國聯邦政府國防科技辦公室組織開發了VeMo-S軟件。與Computer Man和ORCA中人體易損性模型建模方法不同，VeMo-S中的人體易損性模型數據并非來源于某個特定的人體，而是使用幾何形狀生成接近人體結構的模型(見圖1(b))，各幾何形狀所代表的組織器官位置和尺寸對應于人體解剖結構，VeMo-S大約包含400個人體解剖結構。加拿大國防部也正在研發基于人體解剖結構的人員生存率與致命率評估軟件(SLAMS)。該軟件采用的人體易損性模型數據以美國Zygote公司的高分辨率人體解剖學模型為基礎，采用基于AIS的新的損傷嚴重程度量表(NISS)評估算法來評價人員遭受侵徹傷、鈍擊傷和爆炸沖擊傷時的受傷嚴重程度。

圖1 外軍使用的基于解剖結構的人體易損性評估模型Fig.1 Anatomical structure-based human vulnerability assessment model used by foreign troops

國內在該領域的研究起步較晚，張金洋、張金洋等基于可視化中國人體切片數據集中的877層人體切片數據構建了包含123種人體解剖學結構的數字化人體模型。以該模型為基礎，開發了一套人體易損性評估程序，采用基于AIS的NISS算法來評估槍彈和破片對人體造成的直接侵徹傷嚴重度。隨后，劉蘇蘇、Liu等對該軟件中的評估算法進行了改進，使軟件能夠分別計算永久空腔和瞬時空腔造成的損傷，并引入了失血量對器官損傷的影響。

本文首先建立了穿戴單兵防彈裝備的數字化人體模型，隨后通過高速攝影機獲得了某槍彈鈍擊和侵徹帶防彈插板明膠靶標的瞬時空腔演化過程，并建立了簡化空腔模型。接著分別采用基于AIS損傷定級標準的最大簡明損傷評分(MAIS)和NISS損傷評估算法，獲得了某槍彈以不同速度射擊有防護人體時對人體造成的損傷嚴重度。

1 穿戴防護的數字化人體模型構建

1.1 數字化人體模型構建

為了使評估結果更加精確，對本團隊原先建立數字化人體模型時的877張人體切片進行細化，使識別的組織器官數量從原先的123種增加到405種。原始切片圖大小3 072像素×2 048像素，每個像素的長度與物體實際尺寸的比例為=0.176，并通過改變分辨率得到了尺寸為2 709像素×1 806像素的圖像，此時每個像素的實際尺寸為0.2 mm。由于本文對圖片中的組織進行了細化，每個組織的區域將減小，為捕捉小區域內的有效數據信息，需要建立更小的基本單元。同時為建立數字化人體與真實人體尺寸的1∶1對應關系，將每個像素的尺寸確定為1 mm。應用數字圖像處理技術在醫學專家幫助下對原始圖像(見圖2(a))進行預處理(增加對比度、邊緣檢測和提取、圖像分割等)，完成組織器官的標識配色(見圖2(b))。然后對圖像每個5像素×5像素的區域內像素進行計算，獲取這個區域內顏色通道(RGB)值出現次數最多的值作為該區域的顏色值，得到一個大小為541×361的圖像矩陣，通過自編程序將圖像的RGB值替換為人體組織代碼表(見圖2(c))，矩陣中的元素即為構成人體組織器官的代碼，空白處的元素為圖像背景，不包含任何組織器官。表1為部分代碼與組織對應關系。

表1 組織代碼與組織對應關系Table 1 Tissue code and corresponding tissue

圖2 典型人體胸部切片處理過程Fig.2 Typical human chest slicing process

頭盔在結構上是一個整體，因此頭盔只給定一種RGB值和代碼；防彈衣主要由陶瓷片和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維背板組成，因此需要對UHMWPE纖維背板和每一塊陶瓷片均分配一個特定的RGB值和代碼。然后使用Photoshop對切割下來的頭盔和防彈衣斷面圖像輪廓進行著色，再利用自編程序提取圖像中的RGB值并賦予相應的組織代碼，從而建立頭盔和防彈衣的數字化模型(見圖3)。

圖3 頭盔和防彈衣的斷面圖像、著色圖像和數字圖像Fig.3 Sectional, colored, and digital images of helmet and body armor

1.2 數字化單兵防護裝備模型構建

由于頭盔表面由復雜的曲面組成，直接建模比較困難，采用逆向工程建模技術得到3種常見防彈頭盔(FAST頭盔、MICH頭盔、PASGT頭盔)的三維幾何模型。防彈衣的幾何結構較為簡單，故可在三維建模軟件中直接建立幾何模型。

將建立的防彈裝備模型放置在人體模型的相應位置時，需要通過坐標的旋轉和平移對其位置進一步調整，坐標轉換的公式如下：

(,,)=(,,)·(,,)+(,,)

式中：(,,)為目標函數；(,,)為坐標旋轉函數；(,,)為坐標平移函數；(,,)表示坐標轉換后的函數。

將頭盔和防彈衣的空間圖像信息轉換到人體模型的相應位置，就可以得到圖4所示的穿戴防護裝備數字化人體模型。

圖4 穿戴防護裝備的數字化人體模型Fig.4 Digital human model wearing protective equipment

2 槍彈侵徹有防護明膠靶標的瞬時空腔模型構建

2.1 試驗方案

測試系統組成如圖5所示。有防護明膠靶標放置在靶架上，彈道槍距離靶標15 m。一臺高速攝影機放在靶標一側，拍攝有防護明膠靶標的瞬態變形過程。高速攝影機分辨率1 280像素×800像素、采樣頻率20 000 幀/s、曝光時間50 μs。紅外觸發器放置在槍口附近，通過膛口火焰給高速攝影機發送紅外同步觸發信號。兩個直流LED光源射向有防護明膠靶標，以保證充足的照明。

圖5 測試系統的組成Fig.5 Test setup

2.2 槍彈鈍擊有防護明膠靶標

當某槍彈以638 m/s入靶速度侵徹帶NIJ Ⅳ級防彈插板的明膠靶標時，雖然彈丸并沒有穿透防彈衣，但由于鈍擊效應，彈著點后面的明膠出現了明顯的瞬時凹陷。1 360 μs時，明膠內開始出現瞬時凹陷。約3 680 μs時，瞬時凹陷深度達到最大值約46 mm，此時凹陷寬度為121 mm，到8 600 μs時鈍擊凹陷基本消失。觀察試驗后的明膠發現，在彈著點部位沒有明顯損傷，可以認為試驗中明膠只發生了完全彈性變形。某槍彈鈍擊有防護明膠靶標過程如圖6所示，鈍擊凹陷深度變化曲線和鈍擊凹陷寬度變化曲線如圖7所示。

圖6 某槍彈鈍擊有防護明膠靶標過程Fig.6 Blunt strike of a small-caliber bullet on a protected gelatin target

圖7 鈍擊凹陷尺寸變化曲線Fig.7 Dimensional change curves of damage caused by blunt strike

通過對明膠內鈍擊凹陷形成及其變化過程的分析，并結合多組試驗數據的對比，本文提出以下假設：明膠內鈍擊凹陷近似為球體的一部分，其鈍擊球體直徑、鈍擊凹陷寬度、鈍擊凹陷深度和槍彈初速大致呈線性關系。其空腔相關尺寸數學表達式為=019+43，=08×,=04×-4。

半徑為的球面方程為

(-)+(-)+(-)≤

式中：點(，，)為球體球心。

槍彈鈍擊有防護明膠靶標所形成的最大瞬時空腔簡化形狀及相關尺寸示意圖如圖8所示。

圖8 槍彈鈍擊靶標所形成的空腔及相關尺寸Fig.8 Cavity formed by the blunt strike and its dimensions

槍彈鈍擊有防護明膠靶標所形成的最大瞬時空腔相關尺寸的試驗值與預測值比較如圖9所示。由圖9中可以看出，試驗值基本在預測線附近分布，表明該曲線能夠反映最大瞬時空腔各尺寸隨速度的變化關系。

圖9 鈍擊空腔相關尺寸與入靶速度的關系曲線Fig.9 Relationship between the relative size of the blunt cavity and the target speed

2.3 槍彈穿透有防護明膠靶標

當某槍彈以714 m/s入靶速度侵徹帶NIJ Ⅳ級防彈插板的明膠標靶時，槍彈穿透防彈插板進入了明膠靶標，侵徹過程如圖10所示。在2 800 μs時彈丸穿透防彈插板進入明膠，此時速度為234 m/s；彈丸進入明膠后破碎并翻滾，在3 600 μs時可觀察到彈丸破碎成兩個部分，其中彈芯逆時針翻滾了90°；到5 000 μs時可以清楚地觀察到明膠內瞬時空腔由兩部分組成：一是與防彈衣接觸區域明膠在防彈衣背面瞬態變形作用下形成類似鈍擊凹陷的空腔；二是由彈芯侵徹導致的圓錐狀瞬時空腔。此時彈芯侵徹導致的空腔直徑達到最大約57 mm，隨后該圓錐狀空腔開始收縮，而鈍擊凹陷導致的空腔繼續膨脹；到6 200 μs時鈍擊凹陷達到最大，其深度約83 mm。這一凹陷深度超過了美國防彈衣測試標準中規定的膠泥凹陷深度小于44 mm的指標要求，因此大概率會對人體造成嚴重損傷；到12 520 μs時，鈍擊凹陷基本消失，但由于彈丸穿透防彈插板時，帶著大量的SiC粉末一同進入到明膠中，在空腔消失后，明膠內部損傷區域殘存了大量陶瓷粉末。明膠中部空腔直徑、鈍擊凹陷區直徑以及彈丸速度、侵徹深度隨時間的變化如圖11所示。

圖10 某槍彈侵徹有防護明膠靶標過程Fig.10 The process of a small-caliber bullet invades the protective gelatin target

圖11 空間尺寸隨時間變化曲線Fig.11 Curves of cavity size over time

通過對明膠靶標內空腔形成及其變化過程的分析，并結合多組試驗數據的對比，本文提出以下假設：槍彈穿透防護后在靶標內的瞬時空腔可分為兩部分，其中由防彈衣鈍擊明膠形成凹陷的部分近似為半球體空腔，隨后侵徹明膠體的部分近似為圓錐體空腔。

1)鈍擊球體直徑、鈍擊凹陷寬度、鈍擊凹陷深度和槍彈初速呈線性關系。該部分空腔相關尺寸的數學表達式為=023+33,=08,=03×+10。

2)圓錐體底面直徑、錐體高度和槍彈進入明膠時的初速呈線性關系。該部分空腔相關尺寸的數學表達式如下：

式中：為圓錐半頂角；為圓錐體底圓半徑。

器官損傷體積可以根據擠壓區域計算得到，計算模型為

式中：點(，，)為圓錐體頂點坐標，以圓錐底部中心坐標為原點。

槍彈穿透有防護明膠靶標所形成的最大瞬時空腔簡化形狀及相關尺寸示意圖如圖12所示。

圖12 槍彈侵徹靶標所形成的空腔及相關尺寸Fig.12 Cavity formed by the bullet invading the target and its dimensions

槍彈穿透有防護明膠靶標所形成的最大瞬時空腔相關尺寸的試驗值與預測值比較如圖13所示。由圖13可以看出，試驗值基本在預測線附近分布，表明該曲線能夠反映最大瞬時空腔各尺寸隨速度的變化關系。

圖13 侵徹空腔相關尺寸隨入靶速度的關系曲線Fig.13 Relaticonship between the relative size of the penetrating cavity and the target speed

3 損傷評估模型

本文使用受損傷的組織器官損傷體積與該器官總體積的百分比表征人體損傷的嚴重程度。總的損傷體積根據試驗中的最大瞬時空腔尺寸計算獲得。

目前，基于人體解剖學結構的人體損傷評估方法大都以AIS為基礎。AIS是以解剖學為基礎的損傷嚴重度評分，決定損傷嚴重度的因素包括對生命威脅程度、死亡率、吸收能量、治療復雜性、是否需重癥監護、機體功能是否喪失等。AIS對頭、面、頸、胸、腹及盆腔臟器、脊柱、上肢、下肢和體表9個解剖學部位的損傷進行6個損傷嚴重度等級序列的劃分(見表2)，該嚴重度與死亡率之間有顯著相關性，分值3以內的損傷不會危及生命。由于在確定嚴重度分值時死亡率不是唯一因素，AIS分值為6時不等于死亡，而只是表明損傷器官處于極度危重。損傷嚴重度被評為AIS 2～3分的人員多需住院治療，喪失了作業能力。AIS分值如表2所示。

表2 各AIS分值對應的損傷嚴重程度[19]Table 2 Damage severity corresponding to each AIS score[19]

AIS主要反映單個組織器官的損傷嚴重度，而實際中人體損傷經常包含多個組織器官。對于這種情況，最簡單的方法是使用所有損傷組織器官中AIS分值最大的作為該人員此次受傷的最終評定結果。該方法稱之為MAIS評估法。1997年Osler等建立了NISS評分法。該方法通過直接計算傷員最為嚴重的3個AIS分值平方和得到，計算公式為

(1)

分值范圍從1～75，<16時為輕傷，16≤≤30時為重傷，>30時為嚴重傷。

對于基于解剖學結構的損傷模型，需根據AIS損傷評分等級，由醫學專家對各種與器官損傷等級對應的損傷體積率進行評定，從而建立損傷器官的新鈍擊損傷評估(NSBI)分值與器官損傷體積率間的量效關系：

=()+()(()-())

(2)

式中：

(3)

()為器官的損傷體積，()為器官的整體體積，為器官的臨界體積系數，為器官的類別；()為器官的最小AIS評分；()為器官的最大AIS評分。

當人體受到防護裝備變形的擠壓時，在擠壓范圍內一般造成多種器官的損傷。但是NSBI無法反映發生多發傷時人體的損傷程度，不適用于多發傷患者的傷情評定，故本文采用MAIS評分和NISS評分兩種方法分別表征人員的損傷嚴重程度。在不改變MAIS(NISS)與AIS對應關系的前提下，用NSBI替換AIS，以下分別給出相應的評分表達式。

基于NSBI的MAIS評分表達式：

=max{()}

(4)

基于NSBI的NISS評分表達式：

(5)

式中：、和分別為3個最大的NSBI評分。

依據NISS評分可以進行生存概率預測，生存概率與NISS評分之間的函數關系式為

(6)

死亡概率=1-；

NISS評分轉換為死亡概率如圖14所示。

圖14 NISS評分與死亡概率關系曲線Fig.14 Relationship between NISS score and mortality probability

4 人體易損性評估軟件開發

4.1 軟件開發

利用跨平臺軟件開發平臺QT對人體易損性評估軟件開發時，用C++語言編寫相關評估算法和GUI顯示算法，該軟件可對槍彈和破片對有防護和無防護人體的易損性進行評估。人體易損性評估軟件界面如圖15所示。

圖15 人體易損性評估模塊工作界面Fig.15 Interface of the human vulnerability assessment module

4.2 算例

在評估軟件中設定該槍彈以638 m/s的速度，從人體正面垂直射擊防彈衣中部區域。由評估結果可知，該彈丸并未擊穿防彈衣，僅對人體造成鈍擊損傷。在侵徹速度為638 m/s時，通過數學公式預測的鈍擊最大瞬時空腔凹陷寬度為131 mm，深度為49 mm，與試驗中的鈍擊凹陷寬度121 mm，深度46 mm基本一致。進一步了解各器官的損傷情況，對部分器官的損傷體積和評分等級等參數進行了統計。如表3所示，各器官中最大AIS評分為3分。評估軟件得出的評估結果為=3(較重)，=27(嚴重傷)，該人員的死亡概率預測值為=12.88%。結果表明，該子彈雖然沒有穿透防彈衣，但由于其較大的沖擊動能仍會導致該人員遭受較嚴重的鈍擊損傷。

表3 鈍擊效應造成的部分胸部器官損傷情況Table 3 Abdomen damage caused by blunt strike

在評估軟件中設定該槍彈以714 m/s的速度，從人體正面垂直射擊防彈衣中部區域。由評估結果可知，該彈丸在該速度下將擊穿防彈衣，形成鈍擊和侵徹的混合傷。在侵徹速度為714 m/s時，通過數學公式預測的鈍擊凹陷部分空腔寬度為157 mm、深度為57 mm，圓錐體部分的底圓直徑為61 mm。由數學公式計算所得的鈍擊凹陷深度略小于試驗中的鈍擊凹陷深度83 mm。預測的其他尺寸均與試驗值較為一致。為進一步了解各器官的損傷情況，對部分器官的損傷體積和評分等級等參數進行統計。如表4所示，各器官中最大AIS評分為5分。根據兩種損傷評估方法分別對整個人體損傷進行評分：=5(危重)，=75(死亡)，該人員的死亡概率預測值=97%。結果表明該彈丸在穿透防彈衣后對人員的殺傷威力極大，因為防彈衣覆蓋的區域多為人體重要組織器官所在部位，所以彈頭若穿透防護，則造成人員死亡的概率很大。

表4 侵徹效應造成的部分胸部器官損傷情況Table 4 Back damage caused by blunt strike

5 結論

1)本文以真實人體切片數據為基礎，對原有數字化人體模型進行細化，構建了分辨率為1 mm包含405種人體解剖學結構的數字化人體模型。在此基礎上，構建了穿戴防彈衣和防彈頭盔的數字化人體模型，可為有防護人體易損性評估奠定基礎。

2)本文利用高速攝影機記錄了槍彈穿透防彈衣后，由防彈衣瞬態大變形導致的鈍擊效應和槍彈侵徹導致的瞬時空腔效應對人體的耦合殺傷效應，建立了簡化的鈍擊空腔和鈍擊侵徹空腔兩種瞬時空腔簡化模型。提出了損傷評估模型方法，通過交集運算將瞬時空腔投影到解剖結構人體上來進行人體的損傷評估。

3)開發了人體易損性評估軟件，可用于對有防護下人體的損傷嚴重度和死亡率進行評估。算例中，當某槍彈以638 m/s的速度從人體正面垂直射擊防彈衣中部區域時，人體損傷評分結果為=3，=27，死亡率為12.88%。當某槍彈以714 m/s的速度從人體正面垂直射擊防彈衣中部區域時，防彈衣被擊穿，人體損傷評分結果為=5，=75，死亡率為97%。