電擊武器作用生物體與含鹽明膠模擬靶的相似性

覃彬， 臧立偉， 高曈， 安碩， 羅湘娜

(中國兵器工業(yè)第208研究所 瞬態(tài)沖擊技術重點實驗室, 北京 102202)

0 引言

基層民警及武警人員在執(zhí)行各類安防及反恐防暴行動過程中，打擊對象多是情緒激動人員、暴恐人群等，少數(shù)情況下還可能面對醉酒或精神病患者等。電擊武器被認為是一種不會直接造成人員死亡的“人道性”非致命武器，適用于對付各種非正常目標，因此在反恐安防領域具有較好應用前景。

以泰瑟(taser)電擊器為代表，在歐美諸國已經(jīng)應用多年，其效能在大多數(shù)時候得到較好的驗證，數(shù)據(jù)表明配備電擊武器后，軍警遇襲及傷亡率都顯著降低。因此，國內近年來也一直在呼吁放開電擊武器的使用，但受限于國外大量使用后的少數(shù)死亡案例，說明電擊武器可能存在的安全隱患及，因此一直未能實施。

在電擊武器安全性研究方面，國內主要以輸出電流評價電擊武器安全性，或通過動物實驗驗證有效及安全。王德文及其團隊較早并一直從事電擊武器生物效應研究，主要基于豬、羊等大動物開展實驗。在國內首次制定了醫(yī)學傷情分級推薦標準及“電量”致傷閾值，提出了動物向人體轉換的方案。雍香宇則采用比格犬為研究對象，通過的生理生化指標進行分析，驗證所選用電擊防暴器的安全性。國外以泰瑟公司的電擊產(chǎn)品為主，通過志愿者實驗及實戰(zhàn)使用案例對產(chǎn)品安全性進行驗證性研究。Baliatsas等綜述性回顧了電擊武器的人體效應。Kroll等深入分析了電擊武器的心臟損傷效應及內在機制。Ho等分析了傳統(tǒng)電擊武器及新型電擊武器在志愿者人體的傳導電流及可能導致的生理效應，并基于任務設定分析了電擊對目標的失能效應評估。Comeaux等則對比了方波脈沖與泰瑟x26電擊器窄脈沖對肌電信號的干擾與肌肉控制效應。Kunz等通過生物與人體試驗對比，分析了電擊后心臟/骨骼肌的影響與電擊安全性?？偟膩砜?，電擊武器輸出電流是普遍采用的安全性評價參量，但由于缺乏標準靶標，不同研究機構、人員采用不同的生物對象開展研究，其研究結果缺乏可對比性。

在電擊武器研發(fā)領域，國內受限于生物實驗難以開展的實際條件，更多參照國內外標準采用等效電阻代替人體開展研究，其中提及了電流是影響電擊效應的主要因素，人體接觸電阻、擊穿作用電壓也與電擊效應密切相關。劉鑫等采用60 MΩ：36 kΩ的分壓電路代替人體開展電擊器輸出特性測試；熊遠波參考IEC 60479分析了人體電擊阻抗特性，提出了以人體內阻抗取值為500～700 Ω表征電擊武器負載較為適宜，并探討了考慮電流及安全性的武器設計原則。楊啟祥、崔斌洲、英克強則從高壓脈沖發(fā)生器設計與損傷因素的角度，分析了以500～800 Ω作為人體模擬電阻的合理性及設計所需要的考慮的電流因素。國外由于具有較多生物試驗結果，因此模擬靶標研究不多，例如Chiles等采用隔空電弧測試的方法檢測電擊武器輸出阻抗，仍采用電阻替代法分析電擊輸出；Dawes等則是采用豬心臟安全模型代替人體開展電擊武器測試?？紤]電擊武器與工業(yè)觸電事故的電流路徑差異，且人體電阻受電壓、電頻率影響較大，因此簡單的以電阻代替生物體并不科學，而采用隔空電弧、生物組織替代等方式又缺乏一致性與可信度。

綜上，從定量化對比不同電擊武器性能，科學評估電擊武器生物損傷效應并指導武器研發(fā)的角度來看，建立科學合理、性能穩(wěn)定的非生物靶標非常有必要。電擊武器的主要靶器官是人體的神經(jīng)及肌肉組織，在輕武器殺傷研究過程中，曾提出了以明膠靶標等效肌肉組織的模擬實驗與評估方法。明膠介質在化學組成上與肌肉非常接近，都是由10%～20%的蛋白質與80%～90%水組成。國內在電擊防暴裝備研制過程中，也提出采用活體組織或阻抗相似替代物開展電擊效應研究的設想，其中明膠蛋白水解物是備選介質之一。

本文將基于某警用電擊防暴棍的電擊升壓模塊開展研究，分析升壓模塊對活體生物的輸出特性，另一方面通過優(yōu)選、調整模擬靶標組成含量并開展電擊實驗，通過輸出電流、靶標等效負載及作用電壓等參數(shù)驗證相似性，探索以明膠介質模擬靶標替代生物靶標的可行性。

1 實驗模型與方法

1.1 電擊器高壓模塊與實驗布置

市面上存在的電擊類武器較多，針對其安全性所列舉的輸出參數(shù)各不相同，本文選用某型防暴叉電擊器中的高壓模塊開展研究。圖1所示高壓模塊采用2節(jié)18 650電池串聯(lián)，低壓端供電電壓8.0～8.3 V，高壓端輸出10 kV量級的高壓脈沖，可擊穿空氣實現(xiàn)放電。

圖1 防暴叉電擊器高壓模塊Fig.1 Booster of anti-riot electric shock fork

高壓模塊的原理如圖2所示，低壓供電端輸入通過RC振蕩電路形成低壓交流脈沖，通過增壓線圈實現(xiàn)升壓放大并輸出至負載。高壓模塊對電壓的增幅作用與負載特性相關，輸入功率10～20 W，輸出峰值功率不超過1 W，很大一部分輸入電能以高壓模塊熱能損耗的形式耗散。

圖2 高壓模塊原理及測試組成Fig.2 Booster model and testing system

1.2 生物靶標及模擬靶標

生物實驗中，豬、羊、犬都曾被選作受試對象。考慮體重及人體組織相似性，本文采用某醫(yī)學實驗后麻醉未醒的長白豬作為實驗對象，體重約70 kg，分別對心前區(qū)(心臟位置至右側胸肋間)、右側胸腹(胸肋間至腹部)、背部(心臟后側至腰側)、左側臀部進行電擊測試；參考近距離有線電擊槍使用情況，采用直徑1.5 mm電針作為刺入電極，電針距離設置為20 cm，刺入深度2 cm。

模擬靶標選用明膠，采用骨膠顆粒與淡鹽水按照1∶9的比例預混加熱形成溶液，試制的3種靶標液含NaCl質量分數(shù)分別為0.1%、0.2%及0.4%，溶解成膠液后注入28 cm×18 cm×18 cm的7 L容器內，4 ℃冷凝保溫24 h后可開展測試。

1.3 實驗測試參數(shù)

實驗測試原理圖如圖2所示，高壓模塊輸出端選用=10 Ω精密電阻與圖3、圖4所示靶標串聯(lián)形成負載。同時為減少接觸電阻影響，采用表面打磨光滑的銅針分別刺入圖3、圖4所示的豬肉靶標及明膠模擬靶，參考某型防暴叉設計說明及泰瑟系列電擊器常見案例，銅針間隔20 cm進行電擊測試。

圖3 電擊實驗用活體豬靶標Fig.3 Living pig target for electric shock test

圖4 實驗用明膠模擬靶標Fig.4 Gelatin simulation target for test

測試輸出參數(shù)包括總輸出電壓()及測流電阻端電壓()。通過測流電阻端電壓可換算出負載電流()，并可通過(1)式的串聯(lián)分壓關系換算出不同負載的實際等效電阻：

(1)

2 電擊模塊對生物靶輸出特性

2.1 電擊生物體的典型輸出特征曲線

如圖5所示，是電擊作用于動物后臀肌肉豐滿區(qū)域的輸出電壓及輸出電流；輸出高壓脈沖的頻率約16 kHz，負載電壓()峰值可達約13.5 V；測流電阻端電壓約0.56 V，計算得到負載電流()峰值約56 mA。

圖5 動物左后臀區(qū)電擊的輸出電壓U(t)及輸出電流I(t)Fig.5 Electrical shock output Voltage U(t) and output Current I(t) for Living Target left Buttock

從時間軸上看，負載電流與電壓波形近乎同步，但電流仍略微超前，其原因主要是生物體不是純電阻，而是具有一定的“電容特性”，在建立負載電壓之前要先通過形成大電流快速注入電荷，因此電流略先于電壓。

如圖6所示是根據(jù)(1)式計算出的靶標等效電阻曲線，表現(xiàn)為與輸出電壓反相，即在電擊脈沖電壓上升波峰期間等效電阻呈現(xiàn)出波谷，等效電阻()可低至30～50 Ω，遠小于文獻[11-13]提及的500～800 Ω人體模擬電阻值。圖6中為脈沖周期。等效電阻的波谷源于生物體的“電容特性”阻抗，呈現(xiàn)出3個階段：

圖6 動物左后臀區(qū)電擊的等效電阻RT(t)Fig.6 Electrical shock output equivalent resistance RT(t) for living target’s left buttock

1) 充電加載段：建立負載電壓期間負載電流()的上升快于輸出電壓()-()，“低電壓高電流”導致等效電阻()也處于波谷；

2) 壓降段：負載電壓()到達峰值后的下降段，負載電流()的下降也快于輸出電壓()，“高電壓低電流”導致等效電阻()也不斷上升；

3) 截止段：單個放電周期結束，負載電壓()和負載電流()的都接近于零，阻抗曲線表現(xiàn)為高阻截止。

2.2 電擊生物體不同部位的輸出差異

實驗中獲得電擊作用于生物體心前區(qū)、腹部、背部、臀部的輸出電壓()和等效電阻()曲線特征波形相似，但在幅值上稍有不同。將等效電阻()曲線進行處理，選取如圖6所示的從單個脈沖起始點計0.7個脈沖周期時長區(qū)域進行均值計算，作為等效電阻的特征值，測試結果如表1數(shù)據(jù)所示。由表1可知：

表1 電擊生物體不同部位輸出參數(shù)Table 1 Electrical shock output parameters for different parts of living Target

1) 輸出電壓介于12.82～15.6 V之間，輸出電流介于53.6～57.2 mA之間，對不同部位輸出變化不大；

2) 生物體腹部位置的均值等效電阻最低，腹部、后臀居中，心前區(qū)等效電阻最高，平均值介于400 Ω左右；等效電阻差異說明生物體皮膚較薄或肌肉豐滿區(qū)域組織導電性或更好——生物體腹部和心前區(qū)皮膚較薄，后臀的肌肉組織較為厚實，而背部則皮膚及皮下脂肪較厚，刺入肌肉相對較薄，因此等效電阻值偏高。

3 電擊模塊對明膠模擬靶輸出特性

3.1 電擊模擬靶標輸出特征

如圖7所示，電擊作用于7 kg 0.1%含鹽量明膠靶標的輸出電壓脈沖峰值約17～18 V，都較生物體略高；輸出電流峰值介于57～62 mA之間，與生物體差異不大。

圖7 電擊7 kg 0.1%含鹽量明膠靶標的輸出電壓U(t)及輸出電流I(t)Fig.7 Electrical shock output voltage U(t) and output current I(t) for 7 kg gelatin target containing 0.1% salt

如圖8所示，含鹽明膠靶標表現(xiàn)出的阻抗特性曲線與生物體也非常相似，即都表現(xiàn)出與輸出電壓反相、“電容特性”阻抗特征等。其等效電阻曲線()在高頻加載導通期間阻抗值可低至100 Ω以下，在放電過程至低頻段阻抗逐步上升。

圖8 電擊7 kg 0.1%明膠靶標的等效電阻RT(t)Fig.8 Electrical shock output equivalent resistance RT(t) for 7 kg gelatin target containing 0.1% salt

3.2 明膠模擬靶的分段阻抗特性

與生物體阻抗曲線到達谷值后緩慢上升不同，明膠靶標表現(xiàn)顯著的“升壓加載段”和“平臺段”，兩端之間有顯著的阻抗曲線拐點。

將單個電擊脈沖的輸出電壓、電流與等效負載電阻曲線放大對比，如圖9所示。由圖9可見：

圖9 電擊明膠靶標的輸出電壓U(t)與等效電阻RT(t)對比Fig.9 Electrical shock output voltage U(t) vs equivalent resistance RT(t) from electrical shock on gelatin target

1) 升壓加載段的持續(xù)時間約5～6 μs，升壓加載期間負載等效阻抗快速降低；阻抗降的原因是“電容特性”使得加載初期呈現(xiàn)出低電壓和大電流，在電荷釋放達到輸出電壓最高值后，阻抗曲線到達拐點；

2) 等效負載曲線拐點后是較為顯著的平臺段，持續(xù)時間約100 μs，平臺段阻抗值變化不大，是表征明膠靶標負載特性的重要參數(shù)；

3) “升壓加載段”和“平臺段”以外的區(qū)段，由于輸出電壓和電流都較小，測試誤差導致形成等效負載曲線的“紊亂區(qū)”，在理論上分析，紊亂區(qū)對應的是高阻截止狀態(tài)。

4 含鹽量對明膠模擬靶影響極其生物等效性

采用同一型電擊模塊對不同含鹽量的明膠靶標進行測試，并將獲得的等效負載電阻曲線在同一坐標下進行對比。如圖10所示，3種不同含鹽量的明膠靶標，表現(xiàn)為含鹽量越高，等效電阻越低。

圖10 不同含鹽量明膠靶與生物體等效電阻RT(t)對比Fig.10 Comparison of equivalent resistance RT(t) between living target and gelatin target with different salt contents

生物靶標的負載平臺段不太明顯，但總體對比發(fā)現(xiàn)，0.1%含鹽量的明膠靶標等效負載曲線與生物體最為接近，與生物體均值的誤差為14.19%。

綜合電擊器對生物體與不同含鹽量明膠靶標的輸出參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)最重要的對比參數(shù)“輸出電流峰值”的最大誤差是7.72%，“等效電阻”及“輸出負載電壓”的誤差分別為-14.20%及25.63%。不管是輸出負載電壓、輸出電流及均值等效電阻，明膠靶標與生物體的偏差都已經(jīng)小于30%?？紤]到生物體本身具強烈的不穩(wěn)定性，因生物體個體差異及年齡、生理狀況、體表濕潤度等差別，生物實驗的結果偏差可能達到倍數(shù)級別。而能將模擬靶與生物體均值的差異控制在30%以內，在工學與生物醫(yī)學交叉領域已屬非常不易。從輸出電流最大誤差7.72%及等效電阻最大誤差14.2%來看，可以說兩類靶標具有較好的相似性，含鹽明膠靶的穩(wěn)定性與一致性更好，具有代替生物體進行電擊武器評估的可行性。

表2 電擊7 kg 0.1%明膠靶標的輸出參數(shù)Table 2 Electrical shock output parameters for 7 kg gelatin target containing 0.1% salt

5 結論

本文針對某防暴電擊器高壓模塊對生物靶及不同含鹽量明膠靶的輸出特性進行了實驗研究，重點分析了不同靶標輸出阻抗特性的差異。得出主要結論如下：

1) 電擊武器性能評估過程中，生物體與含鹽明膠靶標都表現(xiàn)為“阻容耦合”的高通阻抗特性。

2) 不同含鹽量明膠靶標對比結果表明，含鹽量越高，等效負載越低，導電能力越強。

3) 0.1%含鹽量明膠靶標與生物體對比，在輸出電流方面的誤差不超過7.72%，在輸出電壓與等效負載電阻方面的誤差都不超過25.63%，驗證了兩類靶標的相似性，含鹽明膠靶具有代替生物體進行電擊武器評估的可行性。

6 討論

本文研究發(fā)現(xiàn)0.1%的明膠靶導電能力與生物體更為接近，該值比醫(yī)學上采用的生理鹽水濃度0.9%(與人體體液電解質濃度相當)低很多。

明膠靶是均質導體，而生物組織差異、細胞膜對細胞內液/外液的阻隔，可能是導致生物體與明膠靶在不同含鹽量是呈現(xiàn)相近特性的主要原因。但該解釋或還需更多的分析及試驗驗證。