人體易損性建模及其評(píng)估技術(shù)研究

張金洋，溫垚珂，陳　箐，王亞平，朱一輝，劉蘇蘇

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094； 2.第三軍醫(yī)大學(xué) 大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所，創(chuàng)傷、燒傷與復(fù)合傷國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400042)

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人體易損性建模及其評(píng)估技術(shù)研究

張金洋1，溫垚珂1，陳箐2，王亞平1，朱一輝1，劉蘇蘇1

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094； 2.第三軍醫(yī)大學(xué) 大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所，創(chuàng)傷、燒傷與復(fù)合傷國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400042)

摘要：考慮人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、非均質(zhì)性，提出了建立具有解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的人體組織幾何模型及其相應(yīng)的損傷評(píng)估算法。利用CVH數(shù)據(jù)集，應(yīng)用Photoshop和Matlab建立了基本單位為2mm的立方體、包含123種人體主要組織器官，約652萬(wàn)個(gè)單元的高分辨率人體易損性模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了常規(guī)槍彈破片不同速度下侵徹人體形成典型瞬時(shí)空腔模型，提出了基于解剖學(xué)的損傷評(píng)估算法SDI、CDI和NISS。運(yùn)用HVAssess人體易損性計(jì)算程序，獲得了典型殺傷元侵徹人體時(shí)，各器官的損傷情況，并繪制了損傷分布圖。結(jié)果表明具有解剖學(xué)結(jié)構(gòu)人體易損性模型可用于槍彈、破片侵徹下人體損傷評(píng)估，評(píng)估結(jié)果可為輕武器彈藥殺傷效能評(píng)價(jià)和人體防護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：易損性；人體組織模型；損傷；評(píng)估

1人體易損性模型建立

人體易損性模型由人體組織幾何模型、典型瞬時(shí)空腔模型、損傷準(zhǔn)則和評(píng)估算法構(gòu)成。本文重點(diǎn)研究用于人體易損性研究的基于解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的人體組織幾何模型建立和典型空腔模型建立。

1.1基于解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的高分辨人體幾何建模

CVH數(shù)據(jù)集，即正常成年中國(guó)男性橫斷面切片，源于可視化中國(guó)人體切片數(shù)據(jù)集中的一例男性尸體。原始切片圖像大小3 072 pix×2 048 pix，像素大小0.176 mm。為獲得以2 mm為單位的單元組織代碼，在保持原圖尺寸不變的條件下，采用最鄰近插值法nearest，將圖像縮放為2 709 pix×1 806 pix，像素大小為0.2 mm。

1.1.1人體組織代碼的提取

應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)原始圖像(圖1(a))進(jìn)行預(yù)處理(增加對(duì)比度、邊緣檢測(cè)和提取、圖像分割等)，完成組織器官的標(biāo)識(shí)配色(圖1(b))。

借助Matlab矩陣計(jì)算，利用rgb2gray函數(shù)將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，然后對(duì)圖像每個(gè)10 pix×10 pix的區(qū)域內(nèi)像素進(jìn)行計(jì)算，獲取顏色值大于50%的像素值，從而獲得人體組織代碼表(圖1c)。該代碼表實(shí)為一大小為270 pix×180 pix的二維矩陣，矩陣中的元素即為構(gòu)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(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1　典型人體頭部切片處理過(guò)程

組織名稱(chēng)大腦腦部空腔腦脊液腦顱腦部肌肉組織代碼N1N4N7B1M1

1.1.2人體模型建立

在國(guó)際節(jié)能減排的形勢(shì)下，我國(guó)政府積極履行環(huán)境責(zé)任，減少碳排放量，提出到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降40%～45%的目標(biāo)，這是我國(guó)第一次提出二氧化碳減排的量化指標(biāo)，也是世界主要國(guó)家中第一個(gè)把碳減排與GDP指標(biāo)掛鉤的國(guó)家。實(shí)施綠色GDP的核算有利于將環(huán)境問(wèn)題與GDP的核算相結(jié)合，減少碳排放，促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

以下肢最后一張切片的左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，切片寬度方向?yàn)閄軸，切片高度方向?yàn)閅軸，身高方向?yàn)閆軸，按右手系建立坐標(biāo)系。根據(jù)層間距和研究對(duì)象身高，選取了877張切片數(shù)據(jù)，利用1.1.1獲得的組織代碼表，建立了大小為270×180×878的三維矩陣，該矩陣即為本文所建立的基于解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的人體易損性模型的數(shù)據(jù)集，該矩陣中每個(gè)單元代表相應(yīng)坐標(biāo)下的人體組織，通過(guò)自編程的可視化建模程序，可獲得各組織部位三維可視化模型。圖2為1.1.1中圖片所建立的模型，通過(guò)逐層疊加原理，建立了人體組織幾何模型(圖3)。

圖2　頭部切片對(duì)應(yīng)模型

1.2典型空腔模型的建立

槍彈、破片等小質(zhì)量高速投射物擊中人體后，會(huì)在體內(nèi)形成一個(gè)最大直徑為投射物直徑近十倍到幾十倍的瞬時(shí)空腔[11-13](圖4(a))。瞬時(shí)空腔會(huì)使人體組織器官壓縮、撕裂，從而對(duì)器官造成損傷。本文所建立的最大空腔模型數(shù)據(jù)來(lái)源于典型槍彈、破片侵徹10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)彈道明膠實(shí)驗(yàn)(表2)。為建模簡(jiǎn)便，對(duì)空腔形態(tài)做適當(dāng)簡(jiǎn)化，假定步槍彈的瞬時(shí)最大空腔近似為一個(gè)球體、手槍彈的瞬時(shí)最大空腔近似為一圓柱、破片的瞬時(shí)最大空腔近似為一圓錐。程序根據(jù)表2中數(shù)據(jù)建立的典型投射物最大瞬時(shí)空腔模型(圖4(b))。

圖3　人體易損性模型

圖4　典型投射物最大空腔模型

殺傷元入靶速度v/(m·s-1)空腔最大直徑D/mm是否穿透圓錐角近似形狀7.62mm步槍彈625185是/球體9mm手槍彈36081是/圓柱體4.8mm球形破片93976.2是8.5°圓錐體

2人體易損性評(píng)估算法

人體受槍彈、破片傷，其傷道一般包含多個(gè)人體器官組織，換句話(huà)說(shuō)，每次命中人體，造成的損傷是多個(gè)器官組織。因此，提出了對(duì)每一個(gè)器官組織的損傷情況進(jìn)行判定評(píng)估得到單個(gè)器官組織的損傷等級(jí)SDI (Single Damage Index)[14]；采用平方根，用綜合損傷指數(shù)CDI(Comprehensive Damage Index)來(lái)表征單次殺傷的綜合損傷情況。另外，參考醫(yī)學(xué)對(duì)多發(fā)傷的評(píng)價(jià)，采用當(dāng)前使用較為廣泛的新?lián)p傷嚴(yán)重度評(píng)分來(lái)表征損傷評(píng)估 NISS (New Injury Severity Score)。

(1)單個(gè)器官受槍彈傷后損傷等級(jí) SDI ，公式如下：

(1)

其中：

(2)

式中：F(i)為體積系數(shù)；ΔV(i)為第i組織的損傷體積；α為第i組織的臨界體積系數(shù)；Vt(i)為第i組織的總體積；DMin(i) 為第i組織的最小損傷等級(jí)，可由損傷數(shù)據(jù)表查得；DMax(i) 為第i組織的最大損傷等級(jí)，可由損傷數(shù)據(jù)表查得。

SDI的范圍為1～6，分別對(duì)應(yīng)輕度傷、中度傷、較重傷、嚴(yán)重傷、危重傷和極重傷。

(2)綜合損傷指數(shù) CDI (Comprehensive Damage Index)

(3)

CDI 值越大，表示人體組織器官損傷越嚴(yán)重，反之，表示損傷越不嚴(yán)重。

(3)新?lián)p傷嚴(yán)重度評(píng)分NISS(NewInjurySeverityScore)

(4)

NISS 分值的范圍從1～75。分值75可見(jiàn)于兩種損傷情況：三個(gè)AIS分值都是5，或者一個(gè)AIS分值為6。只要有一個(gè)AIS分值為6，不論其他的損傷情況如何，其N(xiāo)ISS分值就自動(dòng)確定為75。當(dāng)NISS<16時(shí)，為輕傷；NISS≥16時(shí)，為重傷，NISS≥25時(shí)，為嚴(yán)重傷。該方法可迅速判定單次殺傷人體損傷情況，實(shí)用性較強(qiáng)。

3算例

使用人體易損性評(píng)估程序HVAssess[X]，以?4.8mm破片侵徹頭部為例，程序運(yùn)行界面如圖5，計(jì)算并評(píng)估人體損傷情況。

圖5　人體易損性評(píng)估軟件界面

3.1初始條件設(shè)置

條件設(shè)置：殺傷元為?4.8mm破片，著彈點(diǎn)坐標(biāo)為(120，15，800)，入靶速度為1 051 m/s，戰(zhàn)斗角色為：進(jìn)攻5′。

3.2評(píng)估結(jié)果

通過(guò)計(jì)算可知，獲得了頭部損傷組織信息，包括頭部組織損傷種類(lèi)、損傷數(shù)目、形狀等，輸出傷道損傷單元可視化數(shù)據(jù)(6)，并依據(jù)易損性模型中的損傷準(zhǔn)則和評(píng)估算法計(jì)算此次綜合損傷指數(shù)CDI、損失嚴(yán)重度NISS(圖7)，得到了人體損傷情況的定量描述，各組織詳細(xì)損傷體積分布如表3。

圖6　直徑4.8 mm球形破片侵徹頭部傷道

圖7　評(píng)估結(jié)果

序號(hào)12345組織名稱(chēng)腦顱面顱頸椎1頸椎2椎間盤(pán)1損傷體積3924895150551055403序號(hào)678910組織名稱(chēng)大腦小腦腦干脊神經(jīng)椎動(dòng)脈損傷體積6254365369467序號(hào)1112131415組織名稱(chēng)顱內(nèi)動(dòng)脈頸內(nèi)動(dòng)脈頸外動(dòng)脈頸總動(dòng)脈頸靜脈損傷體積4215075121605序號(hào)1617181920組織名稱(chēng)竇道系統(tǒng)咽喉面部肌頸部肌頭部皮膚軟組織損傷體積6642227562772623210644

3.3結(jié)果分析

由評(píng)估結(jié)果可知，破片命中殺傷人體面頜部位，損傷了多達(dá)20種組織。其中，包括致命性的大腦、腦干、小腦和顱內(nèi)動(dòng)脈，并且損傷體積較大，從而導(dǎo)致總體損傷非常嚴(yán)重。 CDI 計(jì)算結(jié)果為17.776 4，數(shù)值較大，也說(shuō)明了損傷較為嚴(yán)重。 NISS 計(jì)算結(jié)果為75，主要是腦干、大腦、小腦的 SDI 都為6，直接判斷為極重，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際符合。

4結(jié)論

本文利用CVH數(shù)據(jù)集，建立了基于解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的高分辨率中國(guó)人人體組織幾何模型、典型瞬時(shí)空腔模型；參考醫(yī)學(xué)損傷評(píng)估，提出了基于解剖學(xué)的損傷評(píng)估算法 SDI 、 CDI 和 NISS 。依據(jù)人體損傷準(zhǔn)則、評(píng)估算法進(jìn)行槍彈、破片侵徹下人體各器官損傷分析。結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，與專(zhuān)家評(píng)估結(jié)果基本吻合。本文建立的基于解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的人體易損性模型可用于槍彈破片侵徹下人體易損性評(píng)估研究，評(píng)估結(jié)果可為武器殺傷效能評(píng)價(jià)，人體防護(hù)設(shè)計(jì)和生存力設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)，通過(guò)建立其他殺傷元(如沖擊波)損傷等級(jí)與器官損傷之間的映射關(guān)系，該模型亦可作為其他殺傷元人體易損性研究。

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(責(zé)任編輯楊梅梅)

本文引用格式：張金洋，溫垚珂，陳箐，等.人體易損性建模及其評(píng)估技術(shù)研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(4):165-168.

Citation format:ZHANG Jin-yang, WEN Yao-ke, CHEN Jing, et al.Study on Human Vulnerability Modeling and Assessment Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):165-168.

Study on Human Vulnerability Modeling and Assessment Technology

ZHANG Jin-yang1, WEN Yao-ke1, CHEN Jing2,WANG Ya-ping1, ZHU Yi-hui1, LIU Su-su1

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2. State Key Laboratory of Trauma, Bums and Combined Injury, Institute of Surgery Research, Daping Hospital,Third Military Medical University, Chongqing 400042, China)

Abstract:Considering the complexity and heterogeneity of human anatomy, human body vulnerability model with anatomical structures and assessment algorithm was proposed. Based on the CVH (Chinese Visible Human) data set and using Photoshop and Matlab, high-resolution model of human vulnerability was constructed. It contains 123 kinds of human tissues and about 6.52 million cube units which length is 2 mm. Based on experiment data, the typical cavity model of bullet penetrating body at different speeds was established. Injury assessment algorithm SDI, CDI and NISS were proposed. Using the vulnerability calculation program HVAssess, injury level and distribution diagram of organs was obtained when typical kill elements penetrate body. The result shows that human body vulnerability model with anatomical structural could be used to human body injury assessment under bullets and fragments penetrating. Assessment results could provide a basis for weapon effectiveness evaluation, human body protection design and survivability design.

Key words:vulnerability; human tissue model; injury; assessment

文章編號(hào)：1006-0707(2016)04-0165-04

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.039

作者簡(jiǎn)介：張金洋(1990—)，男，碩士，主要從事基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(11502119)

收稿日期：2015-11-12；修回日期：2015-11-30

【軍事醫(yī)學(xué)與衛(wèi)生裝備】