爆炸冲击载荷下猪肺部的损伤特性

摘要： 为了深入研究爆炸冲击波作用下生物体肺部的力学响应和损伤特性，首先建立了猪胸部有限元模型，借助新研制的PVDF （polyvinylidene fluoride） 柔性冲击波压力传感器测试了激波管试验中动物的体表压力，验证了有限元模型的准确性。然后，使用已验证的模型开展了不同比例距离下猪肺部损伤特性研究，分析了在不同强度冲击波作用下肺部的损伤程度和损伤区域，并建立了胸肺部表皮压力峰值与肺损伤的关系。最后，通过开展爆炸试验，获得了不同比例距离下猪的肺部损伤情况和胸部表皮压力曲线，验证了所建立的胸肺部表皮压力峰值与肺损伤关系的正确性。

关键词： 动物有限元模型；爆炸冲击波；肺损伤；压力峰值

中图分类号： O383 国标学科代码： 13035 文献标志码： A

自第二次世界大战结束以来，由局部冲突、恐怖袭击和日常事故（如煤气、煤矿瓦斯爆炸等）导致的爆炸事件屡见不鲜，给军事人员和平民的生命安全带来了严重威胁[1-3]。在现代战争和恐怖袭击中，爆炸性武器所致的冲击伤占伤员的30.0%～50.4%，是造成战时伤残和死亡的主要因素之一[4]。爆炸冲击波对人体肺部的特征性损伤称为原发性爆炸肺损伤（primary blast lung injury， PBLI），由于其发生率高、病死率高、早期诊断和治疗困难，以及外表轻微而内部严重、病情进展快等特点，因而受到医学界的广泛关注[5]。根据阿富汗战争的数据[6]，PBLI 在幸存伤员中的发生率为6%～11%[7]，但在死亡伤员中的发生率高达近80%[8]。

爆炸致伤的人体试验数据十分匮乏，实体试验研究大多基于动物开展。唐献述等[9] 分别采用3 和5 kg 的TNT 装药，对12 只家兔进行了不同爆炸距离的冲击波致伤试验，发现爆炸冲击波对动物的内脏造成了严重的损伤。王海宾等[10] 采用自制的管道式爆炸装置，对10 只大鼠进行了甲烷气体爆炸试验。试验结果表明，前端的大鼠灼伤较重，后端大鼠的肺组织受冲击波损伤更严重，肺泡明显塌陷。肺显微结构和超微结构显示，肺部是冲击波的主要靶器官，对爆炸冲击波压力最敏感。Vassout 等[11] 采用水听器测量了自由场高爆对猪胸壁加速度、内压以及胸肺部损伤的影响，发现胸壁加速度与肋骨上的反射压力成正比，这说明胸壁移位可能导致肺表面的损伤。陈海斌等[12] 对60 只家兔和20 只大鼠进行了冲击波分段加载试验，发现肺冲击伤主要发生在冲击波减压段，而冲击波压缩段可能不直接引起明显的肺损伤。进一步，陈海斌等[13] 采用自制的快速减压舱对42 只家兔和10 只大鼠分组进行了慢升压、慢减压和爆炸减压试验。试验结果显示，慢升压、慢减压对肺组织无明显损伤，而爆炸减压会导致肺损伤，且减压幅度和时间与伤势成反比。

研究者们同样对爆炸致肺损伤的影响因素进行了试验研究。段维勋[14] 研究了爆炸距离对肺部损伤的影响，发现伤势与爆炸距离成反比。王峰等[15] 采用BST-1 型生物激波管，对130 只成年大鼠进行了不同环境压力下的冲击波致伤试验，发现环境气压越低，冲击波导致的大鼠死亡率和肺损伤程度越高。袁丹凤等[16] 采用BST-1 型生物激波管，对40 只幼年健康大鼠做了致伤试验。试验结果表明，与王峰等[15]的结果相比（采用相同强度冲击波），幼年大鼠的肺冲击伤较轻，即幼年大鼠的肺组织比成年大鼠的肺组织更能耐受冲击波的损伤。他们进一步分析这种现象的原因是由于幼年生物的肺组织血管更丰富，组织间隙更宽，组织结构弹性和应变能力更好。

尽管动物试验从量效关系的角度在一定程度上揭示了冲击波致肺损伤的力学影响，但是对其致伤规律和力学机理并没有完全澄清。近年来，有限元仿真技术也被广泛用于生物体的建模和分析。与动物试验相比，有限元模型具有可追踪动态响应和定量分析参数等优点，可以提供比动物试验更丰富的信息，为从力学角度研究冲击波致伤过程提供了便利。张良[17] 构建了一个贵州小香猪胸部的三维有限元模型，并运用该模型探究了小型猪右侧胸部受撞击时的应力响应特点和应力集中部位，但该模型对爆炸冲击研究的适用性存疑。杨春霞[18] 构建的羊肺脏有限元模型具有准确的肺部结构，可以获得爆炸冲击载荷下肺部的应力响应，但对该模型的验证工作较为简单。目前可用于爆炸冲击伤分析的动物有限元模型比较欠缺，尤其是经过试验验证的模型更是稀少，因此，有必要建立专门针对爆炸冲击研究的动物胸肺部有限元模型，并通过试验验证其有效性。

猪在解剖学和生理学上与人类有很多的相似之处，同属于“高耐受性组”的哺乳动物，因此，在爆炸致伤研究中，许多试验和研究都是在猪身上进行的。本文中，以猪的胸肺部为研究对象，首先建立一个几何结构准确、生物逼真、适用于爆炸冲击波致伤研究的猪肺部有限元模型，并加以验证；然后，通过这个有限元模型进行不同比例距离下猪肺部的力学响应分析，建立猪胸肺部表皮压力峰值与肺组织损伤的关系；最后，通过爆炸试验验证得到猪胸肺部表皮压力峰值与肺组织损伤的关系。

1 猪胸部有限元模型构建与有效性验证

1.1 猪胸部有限元模型构建

首先对一头质量约25 kg 的猪胸部开展高精度CT （computed tomography） 扫描，根据CT 图像的灰度值，使用Mimics 软件提取胸部的肌肉、骨骼和器官以得到ASⅡ点云数据，对点云数据进行去噪、滤波和光滑等处理。进而使用Geomagic 将各区域的ASⅡ点云数据按照指定的精度拟合成曲面，根据胸部肌肉、骨骼和肺的曲面曲率变化，将其划分为多个区域，并将各区域的曲面拟合成CAD （computer aideddesign） 几何模型。最后，使用Hypermesh 软件对几何模型进行修复处理，得到一个封闭的几何模型。本文中建立的猪胸部有限元模型由外围皮肤、肌肉、骨骼和内部器官组成，如图1 所示。由外向内来看，胸廓表皮覆盖着外部肌肉，外部肌肉与肋骨、肋间肌、脊椎、胸骨、肋间软骨、肝脏和胃部接触，再向内是被肋骨和肋间肌保护在内的左右肺与心脏。当有外部冲击载荷作用在胸部时，应力波会沿着胸部表皮、肌肉组织、肋间肌肉和肋骨传至肺部，肋间肌肉和肋骨对肺组织的挤压作用，以及肺组织与肝、心脏等器官的接触和挤压均可能会造成肺部损伤。

内部结构实体部件用六面体单元和四面体单元划分网格，壳部件用四边形和三角形单元划分网格。内部结构的建模工作完成后，在整个胸肺部外面覆盖上一层较厚的软组织，用来模拟猪表面的肌肉。该组织用体单元模拟，并在表层增加一层壳单元模拟皮肤，以方便在之后的爆炸冲击波模拟过程中实现与空气域的流固耦合。整个模型共655 000 个单元，435 000 个节点。模型的运算基于显式有限元软件LS-DYNA，网格划分采用H y p e r m e s h 软件， 前后处理采用L S -PREPOST 软件。

由于猪与人类在解剖学和生理学上有很多的相似之处，而猪的生物组织材料参数研究较少，因此，近似采用文献[19-26] 中人的各组织材料参数作为猪胸部有限元模型的输入参数。用弹塑性材料模拟骨骼结构的材料特性，骨骼结构的材料参数见表1。根据文献[19-25] 中的方法和数据，将胸肺部的软组织器官定义为简化的橡胶/泡沫材料，具体材料特性参数见表2，模型各部分之间的接触均采用面面接触，由LS-DYNA 关键字Contact_Automatic_Single_Surface 控制。

1.2 猪胸部有限元模型有效性验证

为验证建立的猪胸部有限元模型的有效性，开展了激波管冲击猪胸肺部的试验。激波管的构成 见图2（a），高压段（A 段）长0.34 m，低压段（B 段）长8.2 m，激波管口径为100 mm。将猪放置于减压舱C 中，胸部紧贴激波管口。激波管距离端口100 mm 处布置PCB 传感器，用于测量出口处的入射和反射波。试验中，将猪的右肺部对准炮口，其放置姿态如图2（b） 所示。将带有PVC （polyvinyl chloride） 基底的低压力PVDF（polyvinylidene fluoride） 柔性冲击波传感器[27] 布置在猪胸部表面，测量胸肺部表皮压力。

在同一工况下共进行3 次重复试验，数据重复性如图3（a）～（b） 所示，可以看到，PCB 传感器测量在峰值和正压作用时间上都具有良好的重复性，PVDF 传感器测量在峰值上具有良好的重复性，而在正压作用时间上测量波动较大。猪体表PVDF 传感器测到的压力曲线与激波管口PCB 传感器测得的数据对比如图3（c） 所示，可以看到，猪胸肺部表面的压力峰值近似等于激波管口的反射波压力峰值，且脉宽也具有较好的一致性。从PCB 传感器测试结果可以看出，本次试验的入射压力峰值约为125 kPa，反射压力峰值约为300 kPa。试验结束后，解剖猪，取出肺部观察致伤情况。

参考激波管冲击猪肺试验，建立相同工况的有限元仿真模型如图4 所示。A 段表示激波管低压段，B 段表示减压舱，A 段左端面（图4 红圆框）为激波管压力作用区域。放大图标注的3 个单元位置分别对应为激波管试验中传感器PVDF1～PVDF3 的粘贴位置。模型使用PIFALE（prescribed inflow and arbitrary Lagrangian-Eulerian method） 模拟冲击波，由激波管试验所得入射冲击波压力-时间曲线转化而来的温度-时间曲线和单位体积-时间曲线作为输入边界条件。

模型中导出这些单元位置的压力-时间曲线与3 次试验中传感器实测的压力-时间曲线进行对比，如图5 所示。3 个位置的传感器上测得的压力峰值均与仿真所得的压力峰值相近，最大误差仅为6.56%，表明仿真结果和试验结果在宏观压力峰值上表现出较好的一致性。

进一步对激波管试验中猪肺损伤位置和程度与有限元模型计算结果进行对比，如图6 所示。从图6（a）可以看出，冲击损伤后肺部正面沿肋骨分布有条纹状出血，肺部背面与胃部接触的区域有块状出血。按照AIS （abbreviated injury scale） 肺部损伤评分，处于轻度损伤的范畴。图6（b） 的有限元计算结果显示了与条纹状出血位置一致的条纹状压力集中区域，且最大压力约为150 kPa。由Greer[28] 的研究可粗略通过肺部压力峰值判断150 kPa 对应的损伤也处于轻度到中度范围，这与试验结果基本一致。试验与数值模拟结果在损伤位置和损伤程度上也表现出较好的一致性。

2 不同比例距离下猪肺部损伤特性分析

2.1 不同比例距离下爆炸冲击波的参数计算

基于1.1 节建立的猪胸部有限元模型，开展不同比例距离Z 下爆炸冲击波对猪肺部力学响应的研究。球形或接近球形的TNT 裸装药在无限空间爆炸时，超压峰值（Δpm， kPa）根据萨道夫斯基公式[29] 计算：

式中：R 为爆心到迎爆面的距离，m；WTNT 为TNT 的装药质量，kg。正压作用时间（τ+ ，ms）可通过下式计算[29]：

冲击波加载仍然使用PIF-ALE 方法，输入理论计算的等效超压峰值和正压作用时间，表示不同比例距离的冲击波。根据本实验室完成的激波管试验，比例距离为2.27 m/kg1/3 时，猪肺出现轻微损伤。因此，本文中分别研究比例距离Z=2.27， 2.00， 1.66， 1.48 m/kg1/3 下猪肺的损伤。不同比例距离对应的等效超压峰值和正压作用时间见表3。

2.2 冲击波作用下猪胸肺部的力学响应

图7 显示了比例距离Z=1.48 m/kg1/3 时应力波在猪胸部中传播并引起胸肺压缩变形的过程。爆炸冲击波首先到达猪胸部的表面，形成应力波在肌肉中传播（如图7 中t=0.54 ms）；在应力波作用下，肌肉压缩变形，并向肋骨方向运动，肌肉和肋骨相互碰撞、挤压，应力波传播到肋骨（t=1.43 ms）；此后，肋骨在应力波作用下继续向肺部方向运动（t=1.56 ms），并最终挤压肺脏在其上产生明显的条纹状压力集中区域（t=1.83 ms）。在肋骨挤压肺脏变形的同时，沿肋间间隙分布的肌肉也进一步向肺组织运动，对肺脏产生挤压。肺部受压后将会进一步与心脏、后部肋骨和肌肉发生碰撞和挤压变形。

肺部外面被肋骨保护，肋骨的具体排列如图8（a） 所示。图8（b）～（e） 给出了4 种不同比例距离下，肺部条纹状压力集中区域随时间的变换情况，并根据Greer[28] 的研究可以判断伤情范围。由图8（b） 可以看到，Z=2.27 m/kg1/3 时猪肺压力始终低于20 kPa，仅在与肋骨接触的位置出现条纹状高压力区，没有损伤出现。而当Z=2.00 m/kg1/3 时（图8（c）），冲击波作用猪肺0.1 ms 时，猪肺压力较高的区域在与肋骨接触的表面。继续作用至0.5 ms 时，肺脏与肋间肌肉接触的区域也出现较大压力，说明肺脏也受到肋间肌肉的挤压。随着冲击波的持续作用，肺脏上条纹状压痕更明显，并在1.0 ms 时传播至肺脏背面，在整个过程中高压区域压力在100～200 kPa 之间，肺部出现轻中度损伤。由图8（d）～（e） 可以看出，当Z=1.66， 1.48 m/kg1/3时，猪肺压力较高的区域与Z=2.00 m/kg1/3 时的变化趋势基本相同，但肋间区域的高压力现象更加明显，高压力区域由Z=2.00 m/kg1/3 时清晰的条纹状变为一整片，压力峰值分别升至300 和400 kPa，对应肺部将出现严重至致死性损伤。

2.3 猪肺表皮压力峰值与肺部损伤评估

对于肺冲击损伤的评估，目前已有多个模型获得广泛应用。Axelsson 等[30] 基于羊的爆炸实验提出了最大胸廓运动速度与肺部损伤的对应关系，如表4 的第1、3 列所示。在动物爆炸试验中，利用PVDF 传感器，胸部表皮压力比胸廓运动速度更容易测得。如果可以建立胸肺部表皮压力与肺部损伤的关系，将具有更实际的用途。本文中，基于所建立的猪胸部有限元模型，计算得到各个爆炸比例距离下的胸廓最大运动速度v 和表皮压力峰值p，对其进行了拟合，如图9 所示，得到了如下关系式：

p = 43：434 19v1：310 5 （3）

基于式（3），忽略不同动物的差异性，直接借用Axelsson 损伤模型中胸廓运动速度与肺部损伤关系，可以初步建立猪胸肺部表皮压力峰值与肺部损伤的关系，如表4 的第2～3 列所示。

3 肺部冲击波损伤验证试验

为了验证本文提出的胸肺部表皮压力峰值与肺部损伤的关系，进一步开展了猪的外场爆炸试验。通过试验测量的猪胸部表皮压力预测其受损情况，并与实际解剖结果进行对比，验证肺损伤关系模型的准确性。

3.1 试验设置

爆炸试验选用质量为（25±3） kg 的猪，体长约500 mm，健康状况良好，无外伤和疾病，在试验时呈卧姿麻醉放置在动物支架上。每只测试猪的胸肺部正对来流方向，粘贴2 个PVDF 柔性冲击波传感器测量胸肺表皮压力（图10（a））。试验采用10 kg TNT 炸药柱，立式放在托弹架上且起爆端向上。以TNT 安置点为圆心，在不同半径处沿圆周方向错位放置试验动物、PCB 超压传感器，试验场地布置如图10（b） 所示。3 次爆炸试验工况见表5。

3.2 试验结果分析与验证

图11 给出了不同爆距下猪胸肺表面的压力历程曲线。可以看出，相近位置粘贴的2 个PVDF 传感器测得的表皮压力曲线呈现良好的重复性（图11（a））。从图11（b） 可以看出，随着爆距的增大，猪的表皮压力峰值迅速降低，由2.5 m 的1 600 kPa 下降到7.0 m 的128 kPa，其中2.5 m 爆距下的数据仅采集到初始峰值（1 600 kPa），其后由于传感器破坏未采集到完整的曲线。

试验完成后，对猪进行解剖。图12 给出了不同爆距下受损肺部的图片，观察猪肺部的出血和水肿等损伤情况如表6 所示。当爆距大于等于5.0 m 时，猪肺部没有明显损伤或者出现轻微损伤，而随着爆距的减小，猪肺部逐渐出现出血和气管血沫堵塞，并且症状随着爆距的减小而加重。

本文中，基于Axelsson 损伤模型建立了猪胸肺部表皮压力峰值与肺部损伤的关系。带有PVC 基底的低压力PVDF 柔性冲击波传感器可以方便地在爆炸试验中实测动物体表压力峰值，并借助上述关系对动物肺部冲击伤进行预测和评估。解剖结果和由体表压力峰值预测结果的对比如表7 所示，可以看出，两者一致性较好。

4 结 论

建立了猪胸部有限元模型，并通过测量激波管试验中动物体表的压力对有限元模型进行了验证，研究了冲击波作用于胸部的力学过程，建立了肺部损伤与体表压力的关联关系，并结合爆炸试验的结果对该关系进行了验证，得到的具体结论如下。

（1） 建立了猪胸部三维有限元模型，将模拟结果与猪的激波管致伤试验结果进行对比，发现模拟得到的压力峰值与试验结果吻合较好，肺部压力集中区域也与试验解剖的出血位置吻合较好，验证了所建有限元模型的合理性。

（2） 研究了不同比例距离下爆炸冲击波对猪胸肺部的损伤特征。冲击波进入动物体后以应力波的形式逐级挤压肌肉、肋骨和肺组织。爆炸冲击波强度较低时，肺组织的损伤位置主要集中在肋骨和肺组织接触的区域。爆炸冲击波强度较高时，肺组织的损伤除了出现在肋骨接触区域，也会出现在肋间肌肉和肺组织接触的区域。同时，也基于模型计算结果和Axelsson 损伤模型建立了胸肺部表皮压力峰值与肺部损伤的关系。

（3） 开展了猪的爆炸试验，通过测试体表压力峰值预测了猪的肺损伤情况，将预测结果与解剖得到的肺损伤结果进行对比，两者一致性较好，验证了所建立的胸肺部表皮压力峰值与肺损伤关系的正确性。

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（责任编辑 张凌云）