基于人體解剖結(jié)構(gòu)的單兵防護(hù)后損傷評(píng)估

李子軒， 溫垚珂， 董方棟， 夏海龍， 彭磊， 鄭浩

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094； 2.中國(guó)兵器工業(yè)第208研究所 瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102202；3.重慶長(zhǎng)江電工工業(yè)集團(tuán)有限公司， 重慶 401336)

0 引言

防彈衣在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)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(guī)槍彈造成的侵徹傷，但槍彈沖擊單兵防護(hù)時(shí)產(chǎn)生的沖擊動(dòng)能及防彈衣變形擠壓仍會(huì)作用于人體并產(chǎn)生鈍擊傷，嚴(yán)重的可能造成人體內(nèi)臟損傷、骨折甚至死亡。因此，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)防護(hù)后損傷效應(yīng)并對(duì)其所造成的損傷程度做出合理評(píng)估，不但有助于醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者的傷情做出高效、合理的判斷，極早地進(jìn)行救治，而且也是對(duì)士兵失能情況、武器殺傷效能和防護(hù)裝備性能進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)。

目前普遍采用的防護(hù)后損傷評(píng)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(huì)在膠泥中形成一個(gè)近似半球形的凹坑，當(dāng)凹坑深度不超過(guò)44 mm(或25 mm)時(shí)即認(rèn)為不會(huì)對(duì)人體造成顯著損傷。Hanlon等研究認(rèn)為，44 mm的膠泥凹陷深度對(duì)應(yīng)的人體致死率約為6%。也有研究者通過(guò)測(cè)量彈道明膠(一種人體肌肉組織模擬物)中的鈍擊凹陷瞬時(shí)變化和靶標(biāo)中的壓力來(lái)評(píng)估鈍擊損傷。這兩種方法都忽略了人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，評(píng)估指標(biāo)過(guò)于簡(jiǎn)單，評(píng)估結(jié)果無(wú)法反映擊中人體不同部位時(shí)產(chǎn)生的損傷差異。

Shewchenko等在作戰(zhàn)士兵的易損性模型中將鈍擊損傷標(biāo)準(zhǔn)映射到以損傷定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(AIS)評(píng)分為基礎(chǔ)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)中，并對(duì)鈍擊損傷等級(jí)取值范圍進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，從而使用解剖學(xué)評(píng)分方法對(duì)鈍擊損傷嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)估。Eisler等在評(píng)估穿戴防彈衣人體的鈍擊損傷程度時(shí)，使用撞擊部位下方的身體變形量進(jìn)行損傷嚴(yán)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(lái)表征18.4 mm動(dòng)能彈對(duì)有防護(hù)生物靶標(biāo)的損傷嚴(yán)重程度。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)彈道研究所率先開(kāi)展了基于人體解剖結(jié)構(gòu)的輕武器終點(diǎn)效應(yīng)評(píng)估技術(shù)研究，并開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)評(píng)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(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，識(shí)別了組成人體的297種主要解剖結(jié)構(gòu)。隨后將每層圖像分為5 mm×5 mm的單元，每個(gè)單元代表一塊人體組織，在軟件中重構(gòu)出了人體易損性模型。接著采用醫(yī)學(xué)專(zhuān)家打分的方式為每個(gè)單元賦予一個(gè)損傷等級(jí)，作為評(píng)估人體在受到槍傷時(shí)受傷嚴(yán)重程度評(píng)估的基礎(chǔ)。同時(shí)，還結(jié)合不同作戰(zhàn)任務(wù)為每個(gè)單元賦予一個(gè)失能等級(jí)，從而可以評(píng)估人員在受傷后的失能情況。以Computer Man程序?yàn)榛A(chǔ)，美國(guó)陸軍研究所開(kāi)發(fā)了基于業(yè)務(wù)需求的傷亡評(píng)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(tài)(站、坐、蹲、臥)，可用于多種戰(zhàn)斗場(chǎng)景下的人體易損性評(píng)估(見(jiàn)圖1(a))。

德國(guó)聯(lián)邦政府國(guó)防科技辦公室組織開(kāi)發(fā)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(shù)據(jù)并非來(lái)源于某個(gè)特定的人體，而是使用幾何形狀生成接近人體結(jié)構(gòu)的模型(見(jiàn)圖1(b))，各幾何形狀所代表的組織器官位置和尺寸對(duì)應(yīng)于人體解剖結(jié)構(gòu)，VeMo-S大約包含400個(gè)人體解剖結(jié)構(gòu)。加拿大國(guó)防部也正在研發(fā)基于人體解剖結(jié)構(gòu)的人員生存率與致命率評(píng)估軟件(SLAMS)。該軟件采用的人體易損性模型數(shù)據(jù)以美國(guó)Zygote公司的高分辨率人體解剖學(xué)模型為基礎(chǔ)，采用基于AIS的新的損傷嚴(yán)重程度量表(NISS)評(píng)估算法來(lái)評(píng)價(jià)人員遭受侵徹傷、鈍擊傷和爆炸沖擊傷時(shí)的受傷嚴(yán)重程度。

圖1 外軍使用的基于解剖結(jié)構(gòu)的人體易損性評(píng)估模型Fig.1 Anatomical structure-based human vulnerability assessment model used by foreign troops

國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，張金洋、張金洋等基于可視化中國(guó)人體切片數(shù)據(jù)集中的877層人體切片數(shù)據(jù)構(gòu)建了包含123種人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化人體模型。以該模型為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了一套人體易損性評(píng)估程序，采用基于AIS的NISS算法來(lái)評(píng)估槍彈和破片對(duì)人體造成的直接侵徹傷嚴(yán)重度。隨后，劉蘇蘇、Liu等對(duì)該軟件中的評(píng)估算法進(jìn)行了改進(jìn)，使軟件能夠分別計(jì)算永久空腔和瞬時(shí)空腔造成的損傷，并引入了失血量對(duì)器官損傷的影響。

本文首先建立了穿戴單兵防彈裝備的數(shù)字化人體模型，隨后通過(guò)高速攝影機(jī)獲得了某槍彈鈍擊和侵徹帶防彈插板明膠靶標(biāo)的瞬時(shí)空腔演化過(guò)程，并建立了簡(jiǎn)化空腔模型。接著分別采用基于AIS損傷定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的最大簡(jiǎn)明損傷評(píng)分(MAIS)和NISS損傷評(píng)估算法，獲得了某槍彈以不同速度射擊有防護(hù)人體時(shí)對(duì)人體造成的損傷嚴(yán)重度。

1 穿戴防護(hù)的數(shù)字化人體模型構(gòu)建

1.1 數(shù)字化人體模型構(gòu)建

為了使評(píng)估結(jié)果更加精確，對(duì)本團(tuán)隊(duì)原先建立數(shù)字化人體模型時(shí)的877張人體切片進(jìn)行細(xì)化，使識(shí)別的組織器官數(shù)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(gè)像素的長(zhǎng)度與物體實(shí)際尺寸的比例為=0.176，并通過(guò)改變分辨率得到了尺寸為2 709像素×1 806像素的圖像，此時(shí)每個(gè)像素的實(shí)際尺寸為0.2 mm。由于本文對(duì)圖片中的組織進(jìn)行了細(xì)化，每個(gè)組織的區(qū)域?qū)p小，為捕捉小區(qū)域內(nèi)的有效數(shù)據(jù)信息，需要建立更小的基本單元。同時(shí)為建立數(shù)字化人體與真實(shí)人體尺寸的1∶1對(duì)應(yīng)關(guān)系，將每個(gè)像素的尺寸確定為1 mm。應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)在醫(yī)學(xué)專(zhuān)家?guī)椭聦?duì)原始圖像(見(jiàn)圖2(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(見(jiàn)圖2(b))。然后對(duì)圖像每個(gè)5像素×5像素的區(qū)域內(nèi)像素進(jìn)行計(jì)算，獲取這個(gè)區(qū)域內(nèi)顏色通道(RGB)值出現(xiàn)次數(shù)最多的值作為該區(qū)域的顏色值，得到一個(gè)大小為541×361的圖像矩陣，通過(guò)自編程序?qū)D像的RGB值替換為人體組織代碼表(見(jiàn)圖2(c))，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。

表1 組織代碼與組織對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Tissue code and corresponding tissue

圖2 典型人體胸部切片處理過(guò)程Fig.2 Typical human chest slicing process

頭盔在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)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(duì)UHMWPE纖維背板和每一塊陶瓷片均分配一個(gè)特定的RGB值和代碼。然后使用Photoshop對(duì)切割下來(lái)的頭盔和防彈衣斷面圖像輪廓進(jìn)行著色，再利用自編程序提取圖像中的RGB值并賦予相應(yīng)的組織代碼，從而建立頭盔和防彈衣的數(shù)字化模型(見(jiàn)圖3)。

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

1.2 數(shù)字化單兵防護(hù)裝備模型構(gòu)建

由于頭盔表面由復(fù)雜的曲面組成，直接建模比較困難，采用逆向工程建模技術(shù)得到3種常見(jiàn)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(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)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(yīng)位置時(shí)，需要通過(guò)坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)和平移對(duì)其位置進(jìn)一步調(diào)整，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的公式如下：

(,,)=(,,)·(,,)+(,,)

式中：(,,)為目標(biāo)函數(shù)；(,,)為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)函數(shù)；(,,)為坐標(biāo)平移函數(shù)；(,,)表示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的函數(shù)。

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

圖4 穿戴防護(hù)裝備的數(shù)字化人體模型Fig.4 Digital human model wearing protective equipment

2 槍彈侵徹有防護(hù)明膠靶標(biāo)的瞬時(shí)空腔模型構(gòu)建

2.1 試驗(yàn)方案

測(cè)試系統(tǒng)組成如圖5所示。有防護(hù)明膠靶標(biāo)放置在靶架上，彈道槍距離靶標(biāo)15 m。一臺(tái)高速攝影機(jī)放在靶標(biāo)一側(cè)，拍攝有防護(hù)明膠靶標(biāo)的瞬態(tài)變形過(guò)程。高速攝影機(jī)分辨率1 280像素×800像素、采樣頻率20 000 幀/s、曝光時(shí)間50 μs。紅外觸發(fā)器放置在槍口附近，通過(guò)膛口火焰給高速攝影機(jī)發(fā)送紅外同步觸發(fā)信號(hào)。兩個(gè)直流LED光源射向有防護(hù)明膠靶標(biāo)，以保證充足的照明。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)的組成Fig.5 Test setup

2.2 槍彈鈍擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)

當(dāng)某槍彈以638 m/s入靶速度侵徹帶NIJ Ⅳ級(jí)防彈插板的明膠靶標(biāo)時(shí)，雖然彈丸并沒(méi)有穿透防彈衣，但由于鈍擊效應(yīng)，彈著點(diǎn)后面的明膠出現(xiàn)了明顯的瞬時(shí)凹陷。1 360 μs時(shí)，明膠內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)瞬時(shí)凹陷。約3 680 μs時(shí)，瞬時(shí)凹陷深度達(dá)到最大值約46 mm，此時(shí)凹陷寬度為121 mm，到8 600 μs時(shí)鈍擊凹陷基本消失。觀察試驗(yàn)后的明膠發(fā)現(xiàn)，在彈著點(diǎn)部位沒(méi)有明顯損傷，可以認(rèn)為試驗(yàn)中明膠只發(fā)生了完全彈性變形。某槍彈鈍擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)過(guò)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(hù)明膠靶標(biāo)過(guò)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(guò)對(duì)明膠內(nèi)鈍擊凹陷形成及其變化過(guò)程的分析，并結(jié)合多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，本文提出以下假設(shè)：明膠內(nèi)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(guān)系。其空腔相關(guān)尺寸數(shù)學(xué)表達(dá)式為=019+43，=08×,=04×-4。

半徑為的球面方程為

(-)+(-)+(-)≤

式中：點(diǎn)(，，)為球體球心。

槍彈鈍擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)所形成的最大瞬時(shí)空腔簡(jiǎn)化形狀及相關(guān)尺寸示意圖如圖8所示。

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

槍彈鈍擊有防護(hù)明膠靶標(biāo)所形成的最大瞬時(shí)空腔相關(guān)尺寸的試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值比較如圖9所示。由圖9中可以看出，試驗(yàn)值基本在預(yù)測(cè)線附近分布，表明該曲線能夠反映最大瞬時(shí)空腔各尺寸隨速度的變化關(guān)系。

圖9 鈍擊空腔相關(guān)尺寸與入靶速度的關(guān)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(hù)明膠靶標(biāo)

當(dāng)某槍彈以714 m/s入靶速度侵徹帶NIJ Ⅳ級(jí)防彈插板的明膠標(biāo)靶時(shí)，槍彈穿透防彈插板進(jìn)入了明膠靶標(biāo)，侵徹過(guò)程如圖10所示。在2 800 μs時(shí)彈丸穿透防彈插板進(jìn)入明膠，此時(shí)速度為234 m/s；彈丸進(jìn)入明膠后破碎并翻滾，在3 600 μs時(shí)可觀察到彈丸破碎成兩個(gè)部分，其中彈芯逆時(shí)針?lè)瓭L了90°；到5 000 μs時(shí)可以清楚地觀察到明膠內(nèi)瞬時(shí)空腔由兩部分組成：一是與防彈衣接觸區(qū)域明膠在防彈衣背面瞬態(tài)變形作用下形成類(lèi)似鈍擊凹陷的空腔；二是由彈芯侵徹導(dǎo)致的圓錐狀瞬時(shí)空腔。此時(shí)彈芯侵徹導(dǎo)致的空腔直徑達(dá)到最大約57 mm，隨后該圓錐狀空腔開(kāi)始收縮，而鈍擊凹陷導(dǎo)致的空腔繼續(xù)膨脹；到6 200 μs時(shí)鈍擊凹陷達(dá)到最大，其深度約83 mm。這一凹陷深度超過(guò)了美國(guó)防彈衣測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的膠泥凹陷深度小于44 mm的指標(biāo)要求，因此大概率會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重?fù)p傷；到12 520 μs時(shí)，鈍擊凹陷基本消失，但由于彈丸穿透防彈插板時(shí)，帶著大量的SiC粉末一同進(jìn)入到明膠中，在空腔消失后，明膠內(nèi)部損傷區(qū)域殘存了大量陶瓷粉末。明膠中部空腔直徑、鈍擊凹陷區(qū)直徑以及彈丸速度、侵徹深度隨時(shí)間的變化如圖11所示。

圖10 某槍彈侵徹有防護(hù)明膠靶標(biāo)過(guò)程Fig.10 The process of a small-caliber bullet invades the protective gelatin target

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

通過(guò)對(duì)明膠靶標(biāo)內(nèi)空腔形成及其變化過(guò)程的分析，并結(jié)合多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，本文提出以下假設(shè)：槍彈穿透防護(hù)后在靶標(biāo)內(nèi)的瞬時(shí)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(guān)系。該部分空腔相關(guān)尺寸的數(shù)學(xué)表達(dá)式為=023+33,=08,=03×+10。

2)圓錐體底面直徑、錐體高度和槍彈進(jìn)入明膠時(shí)的初速呈線性關(guān)系。該部分空腔相關(guān)尺寸的數(shù)學(xué)表達(dá)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(jù)擠壓區(qū)域計(jì)算得到，計(jì)算模型為

式中：點(diǎn)(，，)為圓錐體頂點(diǎn)坐標(biāo)，以圓錐底部中心坐標(biāo)為原點(diǎn)。

槍彈穿透有防護(hù)明膠靶標(biāo)所形成的最大瞬時(shí)空腔簡(jiǎn)化形狀及相關(guān)尺寸示意圖如圖12所示。

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

槍彈穿透有防護(hù)明膠靶標(biāo)所形成的最大瞬時(shí)空腔相關(guān)尺寸的試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值比較如圖13所示。由圖13可以看出，試驗(yàn)值基本在預(yù)測(cè)線附近分布，表明該曲線能夠反映最大瞬時(shí)空腔各尺寸隨速度的變化關(guān)系。

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

3 損傷評(píng)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(yán)重程度。總的損傷體積根據(jù)試驗(yàn)中的最大瞬時(shí)空腔尺寸計(jì)算獲得。

目前，基于人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的人體損傷評(píng)估方法大都以AIS為基礎(chǔ)。AIS是以解剖學(xué)為基礎(chǔ)的損傷嚴(yán)重度評(píng)分，決定損傷嚴(yán)重度的因素包括對(duì)生命威脅程度、死亡率、吸收能量、治療復(fù)雜性、是否需重癥監(jiān)護(hù)、機(jī)體功能是否喪失等。AIS對(duì)頭、面、頸、胸、腹及盆腔臟器、脊柱、上肢、下肢和體表9個(gè)解剖學(xué)部位的損傷進(jìn)行6個(gè)損傷嚴(yán)重度等級(jí)序列的劃分(見(jiàn)表2)，該嚴(yán)重度與死亡率之間有顯著相關(guān)性，分值3以內(nèi)的損傷不會(huì)危及生命。由于在確定嚴(yán)重度分值時(shí)死亡率不是唯一因素，AIS分值為6時(shí)不等于死亡，而只是表明損傷器官處于極度危重。損傷嚴(yán)重度被評(píng)為AIS 2～3分的人員多需住院治療，喪失了作業(yè)能力。AIS分值如表2所示。

表2 各AIS分值對(duì)應(yīng)的損傷嚴(yán)重程度[19]Table 2 Damage severity corresponding to each AIS score[19]

AIS主要反映單個(gè)組織器官的損傷嚴(yán)重度，而實(shí)際中人體損傷經(jīng)常包含多個(gè)組織器官。對(duì)于這種情況，最簡(jiǎn)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(píng)定結(jié)果。該方法稱之為MAIS評(píng)估法。1997年Osler等建立了NISS評(píng)分法。該方法通過(guò)直接計(jì)算傷員最為嚴(yán)重的3個(gè)AIS分值平方和得到，計(jì)算公式為

(1)

分值范圍從1～75，<16時(shí)為輕傷，16≤≤30時(shí)為重傷，>30時(shí)為嚴(yán)重傷。

對(duì)于基于解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的損傷模型，需根據(jù)AIS損傷評(píng)分等級(jí)，由醫(yī)學(xué)專(zhuān)家對(duì)各種與器官損傷等級(jí)對(duì)應(yīng)的損傷體積率進(jìn)行評(píng)定，從而建立損傷器官的新鈍擊損傷評(píng)估(NSBI)分值與器官損傷體積率間的量效關(guān)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(shù)，為器官的類(lèi)別；()為器官的最小AIS評(píng)分；()為器官的最大AIS評(píng)分。

當(dāng)人體受到防護(hù)裝備變形的擠壓時(shí)，在擠壓范圍內(nèi)一般造成多種器官的損傷。但是NSBI無(wú)法反映發(fā)生多發(fā)傷時(shí)人體的損傷程度，不適用于多發(fā)傷患者的傷情評(píng)定，故本文采用MAIS評(píng)分和NISS評(píng)分兩種方法分別表征人員的損傷嚴(yán)重程度。在不改變MAIS(NISS)與AIS對(duì)應(yīng)關(guān)系的前提下，用NSBI替換AIS，以下分別給出相應(yīng)的評(píng)分表達(dá)式。

基于NSBI的MAIS評(píng)分表達(dá)式：

=max{()}

(4)

基于NSBI的NISS評(píng)分表達(dá)式：

(5)

式中：、和分別為3個(gè)最大的NSBI評(píng)分。

依據(jù)NISS評(píng)分可以進(jìn)行生存概率預(yù)測(cè)，生存概率與NISS評(píng)分之間的函數(shù)關(guān)系式為

(6)

死亡概率=1-；

NISS評(píng)分轉(zhuǎn)換為死亡概率如圖14所示。

圖14 NISS評(píng)分與死亡概率關(guān)系曲線Fig.14 Relationship between NISS score and mortality probability

4 人體易損性評(píng)估軟件開(kāi)發(fā)

4.1 軟件開(kāi)發(fā)

利用跨平臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)QT對(duì)人體易損性評(píng)估軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，用C++語(yǔ)言編寫(xiě)相關(guān)評(píng)估算法和GUI顯示算法，該軟件可對(duì)槍彈和破片對(duì)有防護(hù)和無(wú)防護(hù)人體的易損性進(jìn)行評(píng)估。人體易損性評(píng)估軟件界面如圖15所示。

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

4.2 算例

在評(píng)估軟件中設(shè)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(qū)域。由評(píng)估結(jié)果可知，該彈丸并未擊穿防彈衣，僅對(duì)人體造成鈍擊損傷。在侵徹速度為638 m/s時(shí)，通過(guò)數(shù)學(xué)公式預(yù)測(cè)的鈍擊最大瞬時(shí)空腔凹陷寬度為131 mm，深度為49 mm，與試驗(yàn)中的鈍擊凹陷寬度121 mm，深度46 mm基本一致。進(jìn)一步了解各器官的損傷情況，對(duì)部分器官的損傷體積和評(píng)分等級(jí)等參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。如表3所示，各器官中最大AIS評(píng)分為3分。評(píng)估軟件得出的評(píng)估結(jié)果為=3(較重)，=27(嚴(yán)重傷)，該人員的死亡概率預(yù)測(cè)值為=12.88%。結(jié)果表明，該子彈雖然沒(méi)有穿透防彈衣，但由于其較大的沖擊動(dòng)能仍會(huì)導(dǎo)致該人員遭受較嚴(yán)重的鈍擊損傷。

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

在評(píng)估軟件中設(shè)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(qū)域。由評(píng)估結(jié)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(shí)，通過(guò)數(shù)學(xué)公式預(yù)測(cè)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(shù)學(xué)公式計(jì)算所得的鈍擊凹陷深度略小于試驗(yàn)中的鈍擊凹陷深度83 mm。預(yù)測(cè)的其他尺寸均與試驗(yàn)值較為一致。為進(jìn)一步了解各器官的損傷情況，對(duì)部分器官的損傷體積和評(píng)分等級(jí)等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如表4所示，各器官中最大AIS評(píng)分為5分。根據(jù)兩種損傷評(píng)估方法分別對(duì)整個(gè)人體損傷進(jìn)行評(píng)分：=5(危重)，=75(死亡)，該人員的死亡概率預(yù)測(cè)值=97%。結(jié)果表明該彈丸在穿透防彈衣后對(duì)人員的殺傷威力極大，因?yàn)榉缽椧赂采w的區(qū)域多為人體重要組織器官所在部位，所以彈頭若穿透防護(hù)，則造成人員死亡的概率很大。

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

5 結(jié)論

1)本文以真實(shí)人體切片數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)原有數(shù)字化人體模型進(jìn)行細(xì)化，構(gòu)建了分辨率為1 mm包含405種人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化人體模型。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了穿戴防彈衣和防彈頭盔的數(shù)字化人體模型，可為有防護(hù)人體易損性評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

2)本文利用高速攝影機(jī)記錄了槍彈穿透防彈衣后，由防彈衣瞬態(tài)大變形導(dǎo)致的鈍擊效應(yīng)和槍彈侵徹導(dǎo)致的瞬時(shí)空腔效應(yīng)對(duì)人體的耦合殺傷效應(yīng)，建立了簡(jiǎn)化的鈍擊空腔和鈍擊侵徹空腔兩種瞬時(shí)空腔簡(jiǎn)化模型。提出了損傷評(píng)估模型方法，通過(guò)交集運(yùn)算將瞬時(shí)空腔投影到解剖結(jié)構(gòu)人體上來(lái)進(jìn)行人體的損傷評(píng)估。

3)開(kāi)發(fā)了人體易損性評(píng)估軟件，可用于對(duì)有防護(hù)下人體的損傷嚴(yán)重度和死亡率進(jìn)行評(píng)估。算例中，當(dāng)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(qū)域時(shí)，人體損傷評(píng)分結(jié)果為=3，=27，死亡率為12.88%。當(dāng)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(qū)域時(shí)，防彈衣被擊穿，人體損傷評(píng)分結(jié)果為=5，=75，死亡率為97%。