王建民， 陈魁君， 李彤华， 李冠桦， 樊壮卿， 张洁元， 陈斌， 杨光明，康建毅， 陈菁， 段朝霞， 曹凌宇， 王涵

(1.陆军特色医学中心 武器杀伤生物效应评估研究室, 重庆 400042；2.63867部队， 吉林 白城 137000)

0 引言

人员是现代战争中决定战争胜负的重要因素，对人员损伤效应的评估是武器威力和人员防护的重要内容。

现代战争在战争理念、战争样式、伤亡发生率等方面与以往相比都发生了很大的变化，爆炸伤已经成为了现代战争中战伤的主要类型。刘理礼等研究发现，在第一次世界大战期间，枪弹伤是导致人员伤亡的主要因素，其伤亡比例达到64.7%。但是，随着战争样式的转变，爆炸伤已经成为了主要的致伤因素，在近代的海湾战争中，爆炸所致的人员伤亡比例已经达到了81%。

在爆炸性武器的致伤因素中，破片与冲击波是两类主要的致伤因素，而其中破片的致伤半径通常达到冲击波的5倍以上，因此，破片致战场人员损伤发生概率的评估是爆炸性武器杀伤效能评估的主要内容。

单个破片的杀伤效应评估是爆炸性武器整体杀伤效应评估的基础。单个破片的致伤效应特点与破片向致伤组织传递的能量多少有关。其能量的传递量，除与自身动能有关外，还与投射物撞击生物组织时受到的减速阻力大小有关。决定减速阻力的因素包括：破片的质量、速度、形状、结构成分、稳定性；致伤组织的密度(比重)、弹性、坚韧度、黏滞性和含气、含液情况。对于破片的杀伤效应评估，动能依然是主要的评价指标。

目前仍在广泛使用的破片杀伤动能标准是78 J。即任意一个投射物在撞击人体时，如具有78 J的动能就认为其具有杀伤能力，反之则认为其不具有杀伤能力。如榴弹杀伤威力试验中规定，凡质量在1 g以上而动能又不低于78 J的破片即为有效杀伤破片。人体只要命中一个有效杀伤破片就认为被杀伤，因此，计算榴弹的杀伤面积时将有效杀伤破片对人体的命中概率看作是破片对人员的杀伤概率。

基于动能杀伤标准，国内外目前常用一种长宽为1.5 m×0.5 m、厚度为25 mm的松木板评估模型。这种模型虽然已使用了一个多世纪，但仅是一种局部的、静态的模型。

关于单纯动能杀伤判定标准的局限性，我国学者早在1986年就指出了以下3点：1)对生物体的不同部位而言，伤情差别很大。如命中要害部位、损害主要脏器，虽不足78 J动能，也能致极重度的损伤；相反，命中非要害部位，即使上述2倍的动能，也不一定造成严重损伤。2)由于命中部位不同的伤情差异，单一杀伤能力的动能标准是不存在的。即不存在一个明显的杀伤不杀伤的能量界限，即在这个界限以上具有杀伤能力，在这个界限以下就不具有杀伤能力。3)由于投射物的种类很多，形状各异，质量不一，即使动能相同，其他影响杀伤的因素也不会相同，因此其杀伤能力也必然存在差异。

由于动能杀伤标准与客观实际情况的不相符性，继续使用它作为杀伤效应的评估标准是不合适的。为此，我国学者也提出了单个破片杀伤效应的概率评估方法，提出建立破片参数(如质量、速度等)与命中人体条件下杀伤概率的关系来表征单个破片杀伤威力的方式。即在战场上破片命中人体的具体部位具有随机性，部位不同伤情差别很大，有可能杀伤，有可能不杀伤，所以单个破片命中人体并造成杀伤问题是一个随机事件，应以杀伤概率来表征弹药的杀伤威力。

我国国家军用标准GJBz 20450—97小质量钢质破片对人员的杀伤判据，提出了质量为0.05～0.45 g、撞击速度不大于2 000 m/s的钢质球形与平行六面体破片对人员的杀伤效应评估方法；国家军用标准GJB 1160—91钢质球形破片对人员的杀伤判据，提出了质量为0.4～5 g、撞击速度不大于1 800 m/s的钢质球形破片对人员的杀伤效应评估方法；国家军用标准GJB 2936—97钢质自然破片对人员的杀伤判据，提出了质量为0.4～5.0 g、撞击速度不大于1 800 m/s的单个钢质自然破片对人员的杀伤效应评估方法。上述评估方法主要依据破片的形状、质量、速度及打击部位而确定，其本质依然是以破片的动能为基础，且在实际使用中，每个破片的飞行速度等参数也难以测量，不同部位伤的发生概率也无法验证，因此上述标准没有得到很好的推广应用。

破片杀伤的本质虽然是破片的动能，但其对机体的打击部位及在体内的穿深才是破片杀伤效应评估的根本依据。破片打击部位的发生概率，与不同组织器官的迎弹面积密切相关，而其穿深不仅与动能有关，更与组织的阻力系数密切相关，该性能决定了破片动能在目标组织内的传递比例。

为获得破片对不同部位杀伤的发生概率，最初在25 mm松木板的基础上发展了盒形靶。盒形靶虽然在平面松木板的基础上进了一步，但依然是一个很粗略的评价方法。随着人体数字化模型的发展，基于人体数字化模型的破片致人体损伤严重度发生概率预测评估方法得到了广泛应用。Eisler等首先提出了基于人体数字化模型，并以破片质量、速度及打击部位为输入参数的破片穿透性损伤所致失能概率的计算模型。Morris等进一步在计算机仿真人的基础上，建立了人员目标损伤与失能评估的易损性模型。国内朱一辉等首先建立了面向伤道冲击损伤评估的人体有限元模型。

然而，上述国内外的评估技术方法均是基于破片(投射物)的质量与速度进行计算，这在爆炸性武器毁伤场的效应评估中依然难以应用。并且，国外模型的评估计算中提出的破片在人体内减速模型系数所需的条件并不清楚，而国内的计算模型则主要以明胶实验结果为依据，因此，提出自己的破片致人体损伤严重度发生概率预测评估方法十分必要。

本文在损伤判据分析、数字化人体模型数据分析的基础上，提出了基于破片穿深的人员不同损伤严重度发生概率评估方法。该方法的建立扩展了以破片动能为基础的人体损伤效应评估范围，细化了数字化人体模型在破片所致不同部位与不同组织器官损伤发生概率预测评估中的应用，也为爆炸性武器所致人员损伤效应评估的未来战场靶标建设提供了数据支撑。

1 影响人体损伤严重度的主要组织器官的确定

人体损伤严重度主要取决于人体主要组织器官的损伤程度，人体组织器官按照功能可分为消化、呼吸、循环、内分泌、神经、运动、泌尿以及生殖八大系统。各个系统相互融洽、相互配合，使人体内各种各样繁杂的生命活动得以一切正常开展。

战场人员损伤严重度与军事作业能力密切相关，由于有些组织器官损伤后对人体损伤严重度及军事作业能力影响不大，因此选择与战场人员的军事作业能力相关性较大的组织器官来进行损伤判定。参考简明损伤定级标准(AIS)及美军战伤评分(MCIS)的分类，筛选出了武器致伤定级用组织器官(共137条)，如表1所示。

表1 人体主要组织器官筛选结果Table 1 Results of primary tissue and organs selected

2 损伤严重度的评分准则

参考AIS及MCIS评分，依据组织器官受损深度(cm)与直径(cm)，由低到高将损伤严重度分为轻度伤、中度伤、较重伤、严重伤和危重伤五级(AIS6级并入5级，见表2)，并且为每个组织器官的不同损伤深度与直径进行专家评分(见附表1)。

附表1 不同组织器官受损深度时的损伤严重度评分Schedule 1 Injury severity score at different injury depths of tissues and organs

续附表1

续附表1

续附表1

表2 损伤严重度评分原则Table 2 Injury severity scoring principles

4) 基于上述研究结果提出的破片致人员目标损伤严重度概率评估模型，可为爆炸型武器破片致人员目标杀伤威力评估提供数学模型。

3 重要组织器官的解剖参数测量

3.1 重要器官厚度及到体表距离的测量方法

在进行损伤评估时，重要器官迎弹方向的组织厚度以及该解剖部位到体表的距离决定了破片致伤该组织器官时所需要的最少穿深，据此计算并分析破片打击不同部位时不同穿深与机体损伤严重度的关联性。

用于测量上述数据的人体几何模型为中国人民解放军陆军军医大学可视化人体数据集CVH(标准中国人人体切片数据集)。该数据集为身高170 cm、体重65 kg的35岁中国男性尸体切片，共计2 110张人体解剖横截面图片，图像大小3 072像素×2 048像素，像素大小0.176 mm(见图1)。

图1 不同截面的相关组织器官分布Fig.1 Distribution of tissues and organs in different cross sections

采用Digimizer软件直接测量不同解剖部位的组织厚度和到体表的距离(见附表2)，以像素点为单位，测量后换算为cm。

附表2 不同解剖部位解剖参数测量结果Schedule 2 Measurement results of anatomical parameters at different anatomical sites

续附表2

续附表2

续附表2

3.2 不同组织器官投影面积的测量方法

在采用蒙特卡洛算法进行计算时，模拟了破片随机命中不同组织器官的概率。但是不同组织器官在迎弹面上的投影面积不同，破片随机命中不同组织器官的概率也不同。通过测量不同组织器官的投影面积，来计算组织器官被破片命中的概率。分为以下3个步骤：

根据3.1节所述解剖部位建立不同人体系统的立体模型(见图2)。

图2 人体系统的立体模型Fig.2 Stereoscopic model of human body systems

将不同的解剖部位在立体模型中识别出来。

采用Digimizer软件划分和测量出不同解剖部位的投影面积(见附表2)。

4 破片穿深的计算模型

4.1 破片穿深数学模型

破片打击后对机体的损伤严重度与打击的部位及破片的穿深密切相关。

依据破片在不同组织中的减速模型及与破片质量、速度、形状等因素的相关性，建立了破片穿深的数学模型。

破片飞行过程中随时间的变化，其瞬时速度衰减的基本形式如下：

(1)

式中：为弹丸质量；为弹丸速度(随时间变化)；为时间；为组织密度；为弹丸即迎风面积；=，为贴近弹丸的液体层黏度，为贴近弹丸的液体层厚度；为组织强度；、、为无量纲系数。

考虑到弹丸或破片对机体打击时的高速撞击特性，贴近弹丸的液体层黏度相对作用应很小，项可以不考虑。同时，考虑到生物组织的强度通常都与组织的密度密切相关，因此，考虑了组织密度以后，对组织强度项就可以不予考虑。此外，弹丸迎风面积用替代(为弹丸或破片质量除以密度的23次方()23)。需要补充的是，弹丸或破片的密度与弹丸或破片的穿透效应密切相关，不能省略。基于上述考虑，(1)式可改写为

(2)

设为弹丸或破片在软组织中的穿深，依据=，可以得到弹丸或破片在不同的瞬时穿深上速度衰减：

(3)

将(3)式代入(2)式，变换后，(2)式可写为

(4)

设为常数，则(4)式可表示为

(5)

(6)

(7)

令

(8)

++(ln+)=

(9)

则

(10)

(11)

当=1 m/s时，ln=0，穿深≈0 m，故

(12)

4.2 系数B的确定

依据(12)式变换后可得：

(13)

采用037 g钢球以不同速度打击模拟软组织肥皂，获得不同撞击速度时的穿透深度，并根据(13)式计算出不同打击速度下系数的值，结果见表3和图3。

表3 不同速度钢球打击肥皂时的穿深和系数B的值Table 3 Values of depth of penetration and coefficient B when the steel ball strikes the soap at different speeds

图3 不同速度钢球打击肥皂时系数B的变化趋势Fig.3 Trend of the coefficient B when the steel ball strikes the soap at different speeds

由图3可以看出，在大约320～3 000 m/s的破片速度范围内，系数相对稳定，因此，取该速度范围内系数的平均值069，将其代入(12)式，即得到破片在软组织中穿透深度的简化计算公式(14)式，该公式的适用于320～3 000 m/s速度范围内的破片。

(14)

5 破片不同穿深时不同损伤严重度发生概率的计算

采用蒙特卡洛法计算破片在不同穿深时损伤严重度发生概率的分布情况。

5.1 蒙特卡洛模拟实验计算原则

依据附表1中不同部位不同穿深时损伤严重度评分标准，采用蒙特卡洛计算方法，获得不同穿深时不同损伤严重度的发生概率。蒙特卡洛方法计算原则如下：

1) 组织器官编码参照附表1，定义数据类型为离散均匀分布数集，随机取值范围为1～12 508。

2) 不同组织器官的赋值概率依据该组织器官的迎弹面积大小确定。

3) 穿深定义为连续均匀分布数集，1以内，步长为05；1以后，步长设为1。

4) 不同部位、不同穿深所致的损伤严重度判据参照附表1，决策范围设为1～5级。

5) 模拟打击破片所致损伤，依据打击部位与穿深到达的组织器官确定损伤严重度赋值。

6) 不同穿深的重复模拟实验次数为10万次。

5.2 蒙特卡洛模拟实验计算结果

采用蒙特卡洛方法，按照不同组织器官不同迎弹面给予不同组织器官的部位取值概率，得到破片在不同穿深时的不同损伤严重度发生概率(见表4)。

表4 不同穿深时的不同损伤严重度发生概率Table 4 Probability of occurrence of different damage severities at different penetration depths

6 破片不同穿深时不同损伤严重度发生概率的回归分析

依据表4结果，采用Logistic回归分析法，获得不同穿深时不同损伤严重度发生概率的经验公式(见表5、图4)。对于某一特定的破片穿深，对机体不同部位致伤时不同程度的损伤均有可能发生，但是能引起中度损伤的破片，必定能引起轻度损伤。因此，轻度损伤的发生概率就包含了较重一级损伤的发生概率。故计算危重度以下损伤的发生概率，均需减去较重一级损伤的发生概率(见表6)。

图4 破片不同穿深所致五种不同程度损伤发生概率Fig.4 Probability of five different degrees of damage causedby fragments at different penetration depths

表5 Logistic回归模型摘要和参数估算值Table 5 Logistic regression model summary and parameter estimates

表6 不同损伤严重度的累计发生概率和发生概率计算Table 6 Calculation of cumulative occurrence probability of different damage severities and occurrence probability of different damage severities

7 结论

本文提出了基于穿深计算人体不同损伤严重度发生概率的计算模型，该模型综合考虑了破片软组织穿深、组织器官命中概率、组织器官严重度赋值。得出主要结论如下：

1) 软组织穿深与投射物的速度密切相关。根据本文建立的简化计算公式(13)式，可通过投射物的速度推算出人体软组织穿深。

2) 组织器官命中的概率取决于破片密度及组织器官的投影面积。

3) 组织器官严重度赋值与组织器官特性、破片穿深两者密切相关。本文建立了人体不同部位不同穿深时的损伤严重度赋值，详见附表1。