超高速钢球打击肥皂与生物靶标的创伤弹道特点研究

李冠桦， 张良潮， 翁昌梅， 张东冬， 张洁元， 陈魁君， 段朝霞， 康建毅， 王建民

(陆军特色医学中心 武器杀伤生物效应评估研究室， 重庆 400042)

0 引言

在创伤弹道学研究中，生物组织模拟物制作的模拟靶标由于成本低廉、使用方便，通常用来替代生物靶标进行弹道模拟试验。模拟试验结果的准确性取决于模拟物与生物组织在力学特性和材料特性上的相似性。弹道肥皂和弹道明胶是创伤弹道试验中常用的软组织模拟物。二者的部分材料特性非常接近，但在塑性和弹性方面有很大不同。

明胶非常有弹性，接近正常活体组织，但也增加了测量瞬时空腔的难度。明胶是透明的，可通过光学方法高速摄影等来直观观察瞬时空腔形成。

弹丸在侵彻肥皂时会导致伤道周围的塑性变形。这种塑性变形与弹丸侵彻弹道明胶或动物组织时产生的瞬时空腔的最大范围非常相似。与明胶相比，肥皂可长时间保存，对温度的敏感度低，可直接测量瞬时空腔。

文献[2-4]报道了肥皂和明胶的低应变力学响应(见表1)。

表1 明胶和肥皂的材料特点和参数Table 1 Material characteristics and parameters of gelatin and soap

Shepherd等研究了肥皂在最高4 GPa冲击载荷下的高应变动态响应，并计算出肥皂的Hugoniot状态方程如下：

(1)

式中：为激波速度；为质点速度。

马志伟等采用钢珠、橡胶弹、BB弹以200 m/s左右速度侵彻肥皂，研究了低速度下弹丸对肥皂的侵彻能力。

贾骏麒等、陈萍等研究了钢球超高速撞击肥皂靶的弹道表现，认为超高速钢球打击肥皂时产生空腔的形状和钢球材料强度、靶标材料强度和冲击压力有关，当冲击压力远大于钢球材料强度时，钢球变形破碎形成半球形弹坑。

侯耀东采用数值模拟方法研究了铝球弹丸侵彻肌肉组织损伤特点，得到了4 mm直径铝球不同速度侵彻明胶的瞬时空腔模型(见图1)。

图1 数值模拟弹丸侵彻明胶模型[10]Fig.1 Numerical simulation of projectile penetrating gelatin model[10]

但目前少有关于超高速破片打击生物目标的创伤弹道学研究。本文对比超高速的钢球打击下，肥皂靶标与生物靶标的创伤弹道表现，探讨了在超高速钢球打击下肥皂是否能模拟生物目标的软组织。

1 材料与方法

1.1 实验动物与分组

将12头雄性长白猪按照钢球打击速度随机分成4组，每组3头，分别为1 000 m/s组、2 000 m/s组、3 000 m/s组和4 000 m/s组，实验动物平均体重40 kg±15 kg。

1.2 致伤方法

实验动物耳缘静脉放置静脉留置针，3%的戊巴比妥钠溶液静脉注射麻醉，实验动物麻醉后仰卧位固定在致伤架上。右后肢单独吊起在致伤架上，右后肢外侧面朝来弹方向，在右后肢肌肉最厚处标记为弹着点。

投射物钢球质量0.72 g、直径5.68 mm。2 000 m/s、3 000 m/s、4 000 m/s速度组的钢球发射装置为二级轻气炮。1 000 m/s速度组采用7.62 mm滑膛枪发射钢球，弹药用带底火的弹壳分别装填火药、弹托和钢球制成，通过改变装药量来调整钢球速度。射距为5 m。投射物速度1 000 m/s速度组采用光电靶，2 000 m/s及以上速度组采用激光测速装置测试。致伤时采用高速摄影机拍摄致伤全过程。

1.3 肥皂靶

肥皂靶选用大小300 mm×300 mm×250 mm的均质肥皂块，肥皂密度约为1.11 g/cm，肥皂靶的打击速度分别为1 000 m/s、2 000 m/s、4 000 m/s。

1.4 观察指标

实验动物致伤后观察伤道的出入口大小，以及伤道周边的损伤情况。观察6 h后处死实验动物，并行病理解剖，观察伤道损伤情况和各个脏器损伤情况。纵向切开伤道，采用“4C”方法识别伤腔中的坏死组织，清除并计算伤腔坏死组织量，测量伤腔内坏死区、挫伤区和震荡区的范围。肥皂靶打击后测量弹道空腔的出入口大小以及弹道的直径、深度和容积。采用Photoshop软件提取出肥皂伤腔的截面图形，在像素尺寸归一化处理后与生物靶伤腔的剖面图片进行对比，对比二者伤腔形状和大小。

2 结果与分析

2.1 生物靶结果

2.1.1 伤道入口和出口

从1 000 m/s到4 000 m/s，随着投射物速度的增加，伤道入口面积越大。而伤道出口从1 000 m/s到3 000 m/s逐渐增大,但在4 000 m/s速度时，投射物未能穿透后肢，在弹着点位置形成了较大伤腔。4 000 m/s速度钢球打击后入口有大量皮肤肌肉组织缺失(见图2(a))；3 000 m/s速度钢球打击后入口可见大面积的星状皮肤裂口(图2(b))；2 000 m/s速度钢球打击后入口可见条形皮肤裂口(见图2(c))；1 000 m/s速度钢球打击后入口皮肤裂口较小(见图2(d))。

图2 不同速度钢球打击即刻猪右后肢外侧皮肤入口Fig.2 Skin entrance of the right hind limb of pigs after striking

所有速度的钢球致伤的伤道入口面积均大于伤道出口面积(见表2)。

表2 不同速度钢球伤道生物靶出入口面积大小Table 2 Size of the biological target wound with different velocities steel balls

用高速摄影机拍摄2 000 m/s、3 000 m/s、4 000 m/s三个速度下动物被钢球打击后的右后肢形态变化情况，打击即刻试验动物后肢均出现软组织扩张和组织碎屑经伤道入口喷溅。钢球速度越快，后肢的软组织扩张越大，入口喷溅的组织越多。图3为相应的动物遭打击后右后肢扩张到最大体积时的高速摄影照片。用图像处理软件提取出不同速度钢球打击后肢体扩张后轮廓的平面投影图形(见图4)，可见随着速度的增加肢体扩张越大。由于组织扩张牵拉使得组织厚度变薄，组织扩张的投影图形可近似于瞬时空腔的投影图形。

图3 不同速度钢球打击后猪右后肢膨胀扩张到最大形变瞬间Fig.3 The moment the right hind limb of the pig expands to the maximum

图4 不同速度钢球打击后肢体扩张情况Fig.4 Limb expansion after steel ball strikes with different velocities

2.1.2 生物靶伤腔

致伤后6 h，处死实验动物后沿伤道中线剖开伤道，观察伤腔剖面。从1 000 m/s到4 000 m/s，随着投射物速度的增加，伤道内组织坏死的范围和程度越严重。参照“4C”法来识别伤腔中的坏死组织。为突出显示坏死组织，将伤腔剖面图去色并滤过红色，实验动物组织中深色部分即为伤腔中的坏死组织，浅色部分为未受损的肌肉组织(见图5)。1 000 m/s速度时，还可见伤腔坏死组织与正常组织明显的分界(见图5(a))；2 000 m/s速度时，伤腔坏死组织范围扩大，且与未受损组织无明显分界线(见图5(b))；3 000 m/s速度时，整个后肢组织绝大部分被破坏，出现组织缺失(见图5(c))；4 000 m/s时，整个后肢组织完全坏死，大量组织缺失、形成开放性半球形坑状伤腔(见图5(d))。将各个速度的伤腔剖面图的像素尺寸根据照片中的标尺统一后，再采用图像处理软件提取出伤腔2维平面图形(见图6)。 由图6可见，随着速度上升，伤腔大小变大，但3 000 m/s速度和4 000 m/s速度的伤腔变化没有1 000 m/s和2 000 m/s的变化明显。这是因为动物后肢组织体积有限，3 000 m/s速度时，即可造成整个后肢绝大部分组织破坏。

图5 不同速度钢球致伤后6 h猪右后肢伤腔剖面图Fig.5 The injured cavity of the right hind limb of the pig 6 hours after the injury

图6 不同速度钢球打击动物右后肢形成的伤腔腔剖面图Fig.6 The injury cavity formed by different velocity steel balls striking

2.1.3 实验动物损伤情况

1 000 m/s速度致伤时除伤道外，邻近或远处脏器肉眼观未见明显异常；2 000 m/s 致伤时可见伤道内有股骨中段粉碎性骨折；3 000 m/s致伤时除股骨粉碎性骨折外，还可见肺出血，结肠粘膜下出血；4 000 m/s 致伤时可见各脏器的广泛损伤，主要表现为：股骨粉碎性骨折，邻近肠浆膜下出血，膀胱出血，肺出血，肺实变，蛛网膜下腔出血。

对伤腔进行清创，根据“4C”法清除坏死组织并称重，随破片速度增加，伤腔坏死组织清除量成倍增加(见表3)。

表3 不同速度组伤腔坏死组织Table 3 Necrotic tissue in the wound cavity in different speed groups

2.2 肥皂靶结果

2.2.1 伤道入口和出口

钢球以1 000 m/s速度打击肥皂时完全穿透肥皂，形成了直径为5 cm的入口和直径0.6 cm的出口，肥皂形成的空腔在前半段近似于圆锥体，在后半段近似于圆柱体；钢球以2 000 m/s速度打击肥皂时也穿透了肥皂，形成了直径为16 cm的入口和直径3 cm大小的出口近似于圆锥体的空腔；钢球以4 000 m/s速度打击肥皂时形成直径25 cm、深度17 cm的球形弹坑，没有击穿肥皂(见表4、图7和图8)。

表4 钢球打击肥皂创伤弹道结果Table 4 Ballistic results of steel ball striking soap

图7 高速摄影机拍摄的不同速度钢球打击肥皂瞬间Fig.7 High-speed photography captured the steel ball hit the soap

图8 不同速度钢球打击肥皂后形成的空腔Fig.8 The cavity formed after the steel ball strikes the soap

2.2.2 肥皂靶空腔

钢球在侵彻生物体或模拟靶标的过程中有直接的切割作用，还有压力波向弹道周围传递。钢球在撞击靶标时产生峰值压力波，肥皂在压力波作用下向外周运动，形成巨大的空腔入口。随着钢球的侵彻动能降低，钢球产生的压力波也减弱，形成的空腔直径也逐渐变小，直至与钢球的直径相当。当钢球速度达到4 000 m/s时，撞击的压力远大于钢球和肥皂的材料强度。此时钢球和靶标可以看做流体，钢球和肥皂在压力作用下变形破碎成细小颗粒，细小颗粒向前方扩散伴随着肥皂的溅射飞散，形成半球形空腔(见图9)。

图9 不同速度钢球打击肥皂后形成的空腔剖面图Fig.9 Profile of the cavity formed after the steel ball strikes the soap

2.3 生物靶与肥皂靶对比

2.3.1 弹道出入口

实验中肥皂靶长度为30 cm，实验动物右后肢厚度为13 cm左右，因此在计算出口时，选取肥皂靶弹道13 cm处的伤腔横截面作为出口。相同速度下，肥皂靶的出入口远大于生物靶(见表5)。这是因为生物靶组织具有弹性，当钢球撞击产生的压力波使组织发生形变产生瞬时空腔后，组织牵拉回弹。肥皂出入口则近似于瞬时空腔扩张到最大时的出入口表现。

表5 肥皂靶与生物靶伤腔出入口面积对比Table 5 Soap target versus biological target wound area

高速摄影机拍摄的打击瞬间照片可见钢球在与动物皮肤接触时出现火光(见图10)，表明钢球本身在撞击时承受巨大的作用力，球体出现高温熔化和破碎的现象。当钢球速度达到4 000 m/s时，可见钢球还没有命中前在空气中就已经发出亮光，表明高速钢球在飞行过程中受气动加热影响已处于高温状态，命中试验动物后更容易破碎(见图10(c))。

图10 高速摄影机拍摄的不同速度钢球打击动物右后肢的瞬间Fig.10 The moment of steel ball strikes the right hind limb of an animal

马坤等采用柱形钨合金弹体以2～3 km/s速度撞击多层薄钢板，通过微观组织分析在第2层靶板发现了大范围的材料熔化。表明了超高速弹体达到一定速度后与靶材料撞击会发生熔化破碎，产生的破片群可造成生物靶标大范围的毁伤。

在伤后对肢体的解剖观察中并没有发现动物伤道和伤道周围有被灼烧的痕迹，参考图3(c)超高速钢球打击瞬间大量组织沿入口喷溅而出，考虑钢球的热能已随最开始接触钢球的组织喷溅带出伤道，因此没有对伤道造成灼烧伤害。

2.3.2 伤腔对比

将图4、图6和图9中不同速度钢球打击后的动物瞬时空腔、动物伤腔和肥皂空腔剖面投影进行对比。从弹道入口为起始点，分别测量间距1 cm的不同伤道深度上的剖面投影直径大小。对比相同速度钢球打击下动物瞬时空腔、动物伤腔与肥皂空腔剖面直径随伤道深度的变化趋势。钢球速度4 000 m/s时，伤道深度5～10 cm处肥皂空腔与动物的瞬时空腔剖面直径相近。但由于动物右后肢组织量有限，完全损伤也无法与肥皂体积相比，动物坏死伤腔剖面直径要小于肥皂空腔和瞬时空腔(见图11(a))；钢球速度3 000 m/s时，伤道深度5～10 cm处动物瞬时空腔和动物伤腔剖面直径相近(见图11(b))；钢球速度2 000 m/s时，伤道深度5～15 cm处肥皂空腔、动物瞬时空腔和动物伤腔剖面直径相近(见图11(c))；钢球速度1 000 m/s时，伤道深度 3～8 cm处肥皂空腔和动物伤腔剖面直径相近(见图11(d))。

图11 不同打击速度下生物和肥皂创伤弹道剖面直径对比Fig.11 Comparison of ballistic profile diameters for biological and soap trauma at different impact velocities

肥皂靶空腔直径25 cm、深度17 cm，实验动物后肢的尺寸大约为20 cm×20 cm×13 cm，前者大于后者，因此4 000 m/s钢球打击生物靶后虽然表现为后肢组织完全损伤，但动物伤腔的剖面直径要小于瞬时空腔和肥皂空腔的剖面直径。同时邻近脏器也出现不同程度的损伤，表现为股骨粉碎性骨折、邻近肠浆膜下出血、膀胱出血等。

高速破片对生物目标杀伤效应包括直接挤压切割作用、压力波作用和侧向压力波产生的瞬时空腔作用。直接挤压切割是原发伤道形成的主要原因，瞬时空腔作用使伤道邻近组织反复牵拉震荡，是形成伤道挫伤区和震荡区的主要原因。肥皂的弹道空腔近似于瞬时空腔扩张到最大时的体积大小，表明瞬时空腔范围内组织都会均有不同程度的损伤坏死。

刘丽建立了球形破片侵彻明胶时的阻力模型和侵彻空腔运动模型，该模型建立在球形破片结构完整的情况下。但3 000 m/s和4 000 m/s速度的钢球在飞行过程中气动加热和撞击靶标时发生的熔化破碎应该采用流体力学方法分析。

肥皂靶的密度均匀，与之不同的是，生物靶的结构复杂，在弹丸打击时的表现也有一定差异。以本文中实验动物猪后肢为例，由外至内各个层次分别为：最外层为皮肤，皮肤富有弹性，钢球速度

1 000 m/s时，皮肤入口比肥皂靶入口小很多(见图2(d))；当钢球速度达到2 000 m/s以上时，皮肤扩张程度超出皮肤的承受能力，皮肤出现大的星状破裂(见图2(c))；当钢球速度达到3 000 m/s和4 000 m/s时，皮肤出现缺失(见图2(b)、图2(a))。皮肤下面是结缔组织、脂肪、肌肉，肥皂靶主要模拟对象就是这些软组织。更深的组织是骨骼，设置生物靶瞄点时避开了股骨，当钢球速度达到2 000 m/s和2 000 m/s以上时，钢球没有直接命中股骨，但股骨也出现了粉碎性骨折。相对来说四肢的组织结构简单，头部、胸部、腹部等部位具有更复杂的结构。因此肥皂靶弹道实验可模拟研究弹丸在软组织中的运动规律和弹丸能量在软组织中的传递过程。要研究弹丸对生物目标的杀伤特点、杀伤效能和导致的病理生理学改变还需进行生物效应实验。

本文选择瞄点避开了骨骼，选择了实验动物相对均一的组织作为对照。但在实际伤情中，命中生物体其他部位的概率更大，Riva等在研究中通过不同材料的组合来模拟头颅组织结构并取得了较好的模拟表现，他采用肥皂或硅胶作为皮肤和皮下组织的模拟材料，聚氨酯作为颅骨的模拟材料，明胶作为脑组织的模拟材料。相比单一介质，针对某一部位组织结构设计的靶标模拟物在实际应用中可靠性和有效性有待进一步研究。

3 结论

本文针对超高速钢球对生物靶和肥皂靶的毁伤效应进行实验研究。通过高速摄影和大体解剖获得了生物靶打击后的瞬时空腔和损伤伤腔等创伤弹道学特征，并与肥皂靶打击后形成的空腔进行了对比。得出以下主要结论：

1) 钢球速度超过3 000 m/s超高速撞击靶标时，弹体破碎飞散，可对生物目标造成严重毁伤，形成类似于半球形的巨大伤腔并伴随大量组织飞溅缺失。

2) 钢球以1 000 m/s和2 000 m/s速度打击肥皂靶时，分别形成锥形和喇叭形空腔；钢球以4 000 m/s速度打击肥皂时，形成半球形空腔，与生物靶的伤腔形状相类似。

3) 在超高速钢球打击下，肥皂靶形成的空腔与生物靶形成的瞬时空腔在伤道前端大小近似。肥皂靶可以一定程度上反映超高速钢球的生物杀伤效应。