超高速鋼球打擊肥皂與生物靶標的創傷彈道特點研究

李冠樺， 張良潮， 翁昌梅， 張東冬， 張潔元， 陳魁君， 段朝霞， 康建毅， 王建民

(陸軍特色醫學中心 武器殺傷生物效應評估研究室， 重慶 400042)

0 引言

在創傷彈道學研究中，生物組織模擬物制作的模擬靶標由于成本低廉、使用方便，通常用來替代生物靶標進行彈道模擬試驗。模擬試驗結果的準確性取決于模擬物與生物組織在力學特性和材料特性上的相似性。彈道肥皂和彈道明膠是創傷彈道試驗中常用的軟組織模擬物。二者的部分材料特性非常接近，但在塑性和彈性方面有很大不同。

明膠非常有彈性，接近正常活體組織，但也增加了測量瞬時空腔的難度。明膠是透明的，可通過光學方法高速攝影等來直觀觀察瞬時空腔形成。

彈丸在侵徹肥皂時會導致傷道周圍的塑性變形。這種塑性變形與彈丸侵徹彈道明膠或動物組織時產生的瞬時空腔的最大范圍非常相似。與明膠相比，肥皂可長時間保存，對溫度的敏感度低，可直接測量瞬時空腔。

文獻[2-4]報道了肥皂和明膠的低應變力學響應(見表1)。

表1 明膠和肥皂的材料特點和參數Table 1 Material characteristics and parameters of gelatin and soap

Shepherd等研究了肥皂在最高4 GPa沖擊載荷下的高應變動態響應，并計算出肥皂的Hugoniot狀態方程如下：

(1)

式中：為激波速度；為質點速度。

馬志偉等采用鋼珠、橡膠彈、BB彈以200 m/s左右速度侵徹肥皂，研究了低速度下彈丸對肥皂的侵徹能力。

賈駿麒等、陳萍等研究了鋼球超高速撞擊肥皂靶的彈道表現，認為超高速鋼球打擊肥皂時產生空腔的形狀和鋼球材料強度、靶標材料強度和沖擊壓力有關，當沖擊壓力遠大于鋼球材料強度時，鋼球變形破碎形成半球形彈坑。

侯耀東采用數值模擬方法研究了鋁球彈丸侵徹肌肉組織損傷特點，得到了4 mm直徑鋁球不同速度侵徹明膠的瞬時空腔模型(見圖1)。

圖1 數值模擬彈丸侵徹明膠模型[10]Fig.1 Numerical simulation of projectile penetrating gelatin model[10]

但目前少有關于超高速破片打擊生物目標的創傷彈道學研究。本文對比超高速的鋼球打擊下，肥皂靶標與生物靶標的創傷彈道表現，探討了在超高速鋼球打擊下肥皂是否能模擬生物目標的軟組織。

1 材料與方法

1.1 實驗動物與分組

將12頭雄性長白豬按照鋼球打擊速度隨機分成4組，每組3頭，分別為1 000 m/s組、2 000 m/s組、3 000 m/s組和4 000 m/s組，實驗動物平均體重40 kg±15 kg。

1.2 致傷方法

實驗動物耳緣靜脈放置靜脈留置針，3%的戊巴比妥鈉溶液靜脈注射麻醉，實驗動物麻醉后仰臥位固定在致傷架上。右后肢單獨吊起在致傷架上，右后肢外側面朝來彈方向，在右后肢肌肉最厚處標記為彈著點。

投射物鋼球質量0.72 g、直徑5.68 mm。2 000 m/s、3 000 m/s、4 000 m/s速度組的鋼球發射裝置為二級輕氣炮。1 000 m/s速度組采用7.62 mm滑膛槍發射鋼球，彈藥用帶底火的彈殼分別裝填火藥、彈托和鋼球制成，通過改變裝藥量來調整鋼球速度。射距為5 m。投射物速度1 000 m/s速度組采用光電靶，2 000 m/s及以上速度組采用激光測速裝置測試。致傷時采用高速攝影機拍攝致傷全過程。

1.3 肥皂靶

肥皂靶選用大小300 mm×300 mm×250 mm的均質肥皂塊，肥皂密度約為1.11 g/cm，肥皂靶的打擊速度分別為1 000 m/s、2 000 m/s、4 000 m/s。

1.4 觀察指標

實驗動物致傷后觀察傷道的出入口大小，以及傷道周邊的損傷情況。觀察6 h后處死實驗動物，并行病理解剖，觀察傷道損傷情況和各個臟器損傷情況。縱向切開傷道，采用“4C”方法識別傷腔中的壞死組織，清除并計算傷腔壞死組織量，測量傷腔內壞死區、挫傷區和震蕩區的范圍。肥皂靶打擊后測量彈道空腔的出入口大小以及彈道的直徑、深度和容積。采用Photoshop軟件提取出肥皂傷腔的截面圖形，在像素尺寸歸一化處理后與生物靶傷腔的剖面圖片進行對比，對比二者傷腔形狀和大小。

2 結果與分析

2.1 生物靶結果

2.1.1 傷道入口和出口

從1 000 m/s到4 000 m/s，隨著投射物速度的增加，傷道入口面積越大。而傷道出口從1 000 m/s到3 000 m/s逐漸增大,但在4 000 m/s速度時，投射物未能穿透后肢，在彈著點位置形成了較大傷腔。4 000 m/s速度鋼球打擊后入口有大量皮膚肌肉組織缺失(見圖2(a))；3 000 m/s速度鋼球打擊后入口可見大面積的星狀皮膚裂口(圖2(b))；2 000 m/s速度鋼球打擊后入口可見條形皮膚裂口(見圖2(c))；1 000 m/s速度鋼球打擊后入口皮膚裂口較小(見圖2(d))。

圖2 不同速度鋼球打擊即刻豬右后肢外側皮膚入口Fig.2 Skin entrance of the right hind limb of pigs after striking

所有速度的鋼球致傷的傷道入口面積均大于傷道出口面積(見表2)。

表2 不同速度鋼球傷道生物靶出入口面積大小Table 2 Size of the biological target wound with different velocities steel balls

用高速攝影機拍攝2 000 m/s、3 000 m/s、4 000 m/s三個速度下動物被鋼球打擊后的右后肢形態變化情況，打擊即刻試驗動物后肢均出現軟組織擴張和組織碎屑經傷道入口噴濺。鋼球速度越快，后肢的軟組織擴張越大，入口噴濺的組織越多。圖3為相應的動物遭打擊后右后肢擴張到最大體積時的高速攝影照片。用圖像處理軟件提取出不同速度鋼球打擊后肢體擴張后輪廓的平面投影圖形(見圖4)，可見隨著速度的增加肢體擴張越大。由于組織擴張牽拉使得組織厚度變薄，組織擴張的投影圖形可近似于瞬時空腔的投影圖形。

圖3 不同速度鋼球打擊后豬右后肢膨脹擴張到最大形變瞬間Fig.3 The moment the right hind limb of the pig expands to the maximum

圖4 不同速度鋼球打擊后肢體擴張情況Fig.4 Limb expansion after steel ball strikes with different velocities

2.1.2 生物靶傷腔

致傷后6 h，處死實驗動物后沿傷道中線剖開傷道，觀察傷腔剖面。從1 000 m/s到4 000 m/s，隨著投射物速度的增加，傷道內組織壞死的范圍和程度越嚴重。參照“4C”法來識別傷腔中的壞死組織。為突出顯示壞死組織，將傷腔剖面圖去色并濾過紅色，實驗動物組織中深色部分即為傷腔中的壞死組織，淺色部分為未受損的肌肉組織(見圖5)。1 000 m/s速度時，還可見傷腔壞死組織與正常組織明顯的分界(見圖5(a))；2 000 m/s速度時，傷腔壞死組織范圍擴大，且與未受損組織無明顯分界線(見圖5(b))；3 000 m/s速度時，整個后肢組織絕大部分被破壞，出現組織缺失(見圖5(c))；4 000 m/s時，整個后肢組織完全壞死，大量組織缺失、形成開放性半球形坑狀傷腔(見圖5(d))。將各個速度的傷腔剖面圖的像素尺寸根據照片中的標尺統一后，再采用圖像處理軟件提取出傷腔2維平面圖形(見圖6)。 由圖6可見，隨著速度上升，傷腔大小變大，但3 000 m/s速度和4 000 m/s速度的傷腔變化沒有1 000 m/s和2 000 m/s的變化明顯。這是因為動物后肢組織體積有限，3 000 m/s速度時，即可造成整個后肢絕大部分組織破壞。

圖5 不同速度鋼球致傷后6 h豬右后肢傷腔剖面圖Fig.5 The injured cavity of the right hind limb of the pig 6 hours after the injury

圖6 不同速度鋼球打擊動物右后肢形成的傷腔腔剖面圖Fig.6 The injury cavity formed by different velocity steel balls striking

2.1.3 實驗動物損傷情況

1 000 m/s速度致傷時除傷道外，鄰近或遠處臟器肉眼觀未見明顯異常；2 000 m/s 致傷時可見傷道內有股骨中段粉碎性骨折；3 000 m/s致傷時除股骨粉碎性骨折外，還可見肺出血，結腸粘膜下出血；4 000 m/s 致傷時可見各臟器的廣泛損傷，主要表現為：股骨粉碎性骨折，鄰近腸漿膜下出血，膀胱出血，肺出血，肺實變，蛛網膜下腔出血。

對傷腔進行清創，根據“4C”法清除壞死組織并稱重，隨破片速度增加，傷腔壞死組織清除量成倍增加(見表3)。

表3 不同速度組傷腔壞死組織Table 3 Necrotic tissue in the wound cavity in different speed groups

2.2 肥皂靶結果

2.2.1 傷道入口和出口

鋼球以1 000 m/s速度打擊肥皂時完全穿透肥皂，形成了直徑為5 cm的入口和直徑0.6 cm的出口，肥皂形成的空腔在前半段近似于圓錐體，在后半段近似于圓柱體；鋼球以2 000 m/s速度打擊肥皂時也穿透了肥皂，形成了直徑為16 cm的入口和直徑3 cm大小的出口近似于圓錐體的空腔；鋼球以4 000 m/s速度打擊肥皂時形成直徑25 cm、深度17 cm的球形彈坑，沒有擊穿肥皂(見表4、圖7和圖8)。

表4 鋼球打擊肥皂創傷彈道結果Table 4 Ballistic results of steel ball striking soap

圖7 高速攝影機拍攝的不同速度鋼球打擊肥皂瞬間Fig.7 High-speed photography captured the steel ball hit the soap

圖8 不同速度鋼球打擊肥皂后形成的空腔Fig.8 The cavity formed after the steel ball strikes the soap

2.2.2 肥皂靶空腔

鋼球在侵徹生物體或模擬靶標的過程中有直接的切割作用，還有壓力波向彈道周圍傳遞。鋼球在撞擊靶標時產生峰值壓力波，肥皂在壓力波作用下向外周運動，形成巨大的空腔入口。隨著鋼球的侵徹動能降低，鋼球產生的壓力波也減弱，形成的空腔直徑也逐漸變小，直至與鋼球的直徑相當。當鋼球速度達到4 000 m/s時，撞擊的壓力遠大于鋼球和肥皂的材料強度。此時鋼球和靶標可以看做流體，鋼球和肥皂在壓力作用下變形破碎成細小顆粒，細小顆粒向前方擴散伴隨著肥皂的濺射飛散，形成半球形空腔(見圖9)。

圖9 不同速度鋼球打擊肥皂后形成的空腔剖面圖Fig.9 Profile of the cavity formed after the steel ball strikes the soap

2.3 生物靶與肥皂靶對比

2.3.1 彈道出入口

實驗中肥皂靶長度為30 cm，實驗動物右后肢厚度為13 cm左右，因此在計算出口時，選取肥皂靶彈道13 cm處的傷腔橫截面作為出口。相同速度下，肥皂靶的出入口遠大于生物靶(見表5)。這是因為生物靶組織具有彈性，當鋼球撞擊產生的壓力波使組織發生形變產生瞬時空腔后，組織牽拉回彈。肥皂出入口則近似于瞬時空腔擴張到最大時的出入口表現。

表5 肥皂靶與生物靶傷腔出入口面積對比Table 5 Soap target versus biological target wound area

高速攝影機拍攝的打擊瞬間照片可見鋼球在與動物皮膚接觸時出現火光(見圖10)，表明鋼球本身在撞擊時承受巨大的作用力，球體出現高溫熔化和破碎的現象。當鋼球速度達到4 000 m/s時，可見鋼球還沒有命中前在空氣中就已經發出亮光，表明高速鋼球在飛行過程中受氣動加熱影響已處于高溫狀態，命中試驗動物后更容易破碎(見圖10(c))。

圖10 高速攝影機拍攝的不同速度鋼球打擊動物右后肢的瞬間Fig.10 The moment of steel ball strikes the right hind limb of an animal

馬坤等采用柱形鎢合金彈體以2～3 km/s速度撞擊多層薄鋼板，通過微觀組織分析在第2層靶板發現了大范圍的材料熔化。表明了超高速彈體達到一定速度后與靶材料撞擊會發生熔化破碎，產生的破片群可造成生物靶標大范圍的毀傷。

在傷后對肢體的解剖觀察中并沒有發現動物傷道和傷道周圍有被灼燒的痕跡，參考圖3(c)超高速鋼球打擊瞬間大量組織沿入口噴濺而出，考慮鋼球的熱能已隨最開始接觸鋼球的組織噴濺帶出傷道，因此沒有對傷道造成灼燒傷害。

2.3.2 傷腔對比

將圖4、圖6和圖9中不同速度鋼球打擊后的動物瞬時空腔、動物傷腔和肥皂空腔剖面投影進行對比。從彈道入口為起始點，分別測量間距1 cm的不同傷道深度上的剖面投影直徑大小。對比相同速度鋼球打擊下動物瞬時空腔、動物傷腔與肥皂空腔剖面直徑隨傷道深度的變化趨勢。鋼球速度4 000 m/s時，傷道深度5～10 cm處肥皂空腔與動物的瞬時空腔剖面直徑相近。但由于動物右后肢組織量有限，完全損傷也無法與肥皂體積相比，動物壞死傷腔剖面直徑要小于肥皂空腔和瞬時空腔(見圖11(a))；鋼球速度3 000 m/s時，傷道深度5～10 cm處動物瞬時空腔和動物傷腔剖面直徑相近(見圖11(b))；鋼球速度2 000 m/s時，傷道深度5～15 cm處肥皂空腔、動物瞬時空腔和動物傷腔剖面直徑相近(見圖11(c))；鋼球速度1 000 m/s時，傷道深度 3～8 cm處肥皂空腔和動物傷腔剖面直徑相近(見圖11(d))。

圖11 不同打擊速度下生物和肥皂創傷彈道剖面直徑對比Fig.11 Comparison of ballistic profile diameters for biological and soap trauma at different impact velocities

肥皂靶空腔直徑25 cm、深度17 cm，實驗動物后肢的尺寸大約為20 cm×20 cm×13 cm，前者大于后者，因此4 000 m/s鋼球打擊生物靶后雖然表現為后肢組織完全損傷，但動物傷腔的剖面直徑要小于瞬時空腔和肥皂空腔的剖面直徑。同時鄰近臟器也出現不同程度的損傷，表現為股骨粉碎性骨折、鄰近腸漿膜下出血、膀胱出血等。

高速破片對生物目標殺傷效應包括直接擠壓切割作用、壓力波作用和側向壓力波產生的瞬時空腔作用。直接擠壓切割是原發傷道形成的主要原因，瞬時空腔作用使傷道鄰近組織反復牽拉震蕩，是形成傷道挫傷區和震蕩區的主要原因。肥皂的彈道空腔近似于瞬時空腔擴張到最大時的體積大小，表明瞬時空腔范圍內組織都會均有不同程度的損傷壞死。

劉麗建立了球形破片侵徹明膠時的阻力模型和侵徹空腔運動模型，該模型建立在球形破片結構完整的情況下。但3 000 m/s和4 000 m/s速度的鋼球在飛行過程中氣動加熱和撞擊靶標時發生的熔化破碎應該采用流體力學方法分析。

肥皂靶的密度均勻，與之不同的是，生物靶的結構復雜，在彈丸打擊時的表現也有一定差異。以本文中實驗動物豬后肢為例，由外至內各個層次分別為：最外層為皮膚，皮膚富有彈性，鋼球速度

1 000 m/s時，皮膚入口比肥皂靶入口小很多(見圖2(d))；當鋼球速度達到2 000 m/s以上時，皮膚擴張程度超出皮膚的承受能力，皮膚出現大的星狀破裂(見圖2(c))；當鋼球速度達到3 000 m/s和4 000 m/s時，皮膚出現缺失(見圖2(b)、圖2(a))。皮膚下面是結締組織、脂肪、肌肉，肥皂靶主要模擬對象就是這些軟組織。更深的組織是骨骼，設置生物靶瞄點時避開了股骨，當鋼球速度達到2 000 m/s和2 000 m/s以上時，鋼球沒有直接命中股骨，但股骨也出現了粉碎性骨折。相對來說四肢的組織結構簡單，頭部、胸部、腹部等部位具有更復雜的結構。因此肥皂靶彈道實驗可模擬研究彈丸在軟組織中的運動規律和彈丸能量在軟組織中的傳遞過程。要研究彈丸對生物目標的殺傷特點、殺傷效能和導致的病理生理學改變還需進行生物效應實驗。

本文選擇瞄點避開了骨骼，選擇了實驗動物相對均一的組織作為對照。但在實際傷情中，命中生物體其他部位的概率更大，Riva等在研究中通過不同材料的組合來模擬頭顱組織結構并取得了較好的模擬表現，他采用肥皂或硅膠作為皮膚和皮下組織的模擬材料，聚氨酯作為顱骨的模擬材料，明膠作為腦組織的模擬材料。相比單一介質，針對某一部位組織結構設計的靶標模擬物在實際應用中可靠性和有效性有待進一步研究。

3 結論

本文針對超高速鋼球對生物靶和肥皂靶的毀傷效應進行實驗研究。通過高速攝影和大體解剖獲得了生物靶打擊后的瞬時空腔和損傷傷腔等創傷彈道學特征，并與肥皂靶打擊后形成的空腔進行了對比。得出以下主要結論：

1) 鋼球速度超過3 000 m/s超高速撞擊靶標時，彈體破碎飛散，可對生物目標造成嚴重毀傷，形成類似于半球形的巨大傷腔并伴隨大量組織飛濺缺失。

2) 鋼球以1 000 m/s和2 000 m/s速度打擊肥皂靶時，分別形成錐形和喇叭形空腔；鋼球以4 000 m/s速度打擊肥皂時，形成半球形空腔，與生物靶的傷腔形狀相類似。

3) 在超高速鋼球打擊下，肥皂靶形成的空腔與生物靶形成的瞬時空腔在傷道前端大小近似。肥皂靶可以一定程度上反映超高速鋼球的生物殺傷效應。