0 引言
当前国际局势动荡不安,恐怖袭击和局部战争不断,造成了大量人员伤亡。根据对现役军人伤亡数据的统计,创伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)占比达15%～20%,是导致士兵死亡和残疾的主要原因[1-2]。虽然近年来在TBI方面开展了大量的研究,但目前对弹体冲击导致的TBI研究方法、损伤机制、评价标准以及防护尚未形成成熟的研究体系。本文中针对上述存在的问题进行综述,并对高速冲击防弹头盔致头部损伤研究的未来发展趋势进行展望,以期为士兵头部损伤及头盔防护设计提供参考。
1 头部损伤研究方法
弹体冲击人体头部会造成颅骨骨折或脑损伤,常用的研究方法有尸体实验、动物实验、假人实验和数值模拟。
1.1 尸体实验
人类尸体(post mortem human subject,PMHS)实验能够再现人体在不同载荷作用下的损伤严重程度。Sarron等[3]对30例填充硅胶的颅骨进行了冲击实验,研究发现防护材料和防护装备与颅骨的间隙都直接影响颅骨的损伤程度。为研究不同防护材料对头部损伤的影响,Sarron等[4]对比了铝板、芳纶板和聚乙烯板对颅骨防护性能的差异,研究发现聚乙烯板变形更大,导致颅内压力更大,骨折严重。与新鲜尸体头部相比,干燥颅骨和硅胶组成的头部模型会有更高的压力阈值。Rafaels等[5]对7个佩戴头盔防护的尸体头颈部模型进行冲击实验,研究发现不同速度下骨折形式不同。Freitas等[6]提出了一种介于商业假人和PMHS之间的类尸体模型,该模型不仅弥补了商业假人模型保真度低的问题,也避免了尸体实验的限制,是一种有效的尸体实验替代方法。由于伦理限制,目前尸体实验已难以开展。动物实验和假人实验成为了有效替代方法。
1.2 动物实验
黄艺峰等[7]开展了手枪弹冲击防弹板防护下的长白猪后装甲钝击伤实验,分析了不同弹体冲击速度下防弹板最大变形与颅脑损伤简易评分指标(abbreviated injury scale,AIS)之间的关系。Liu等[8]通过猪头物理模型和活体猪头进行了不同速度下弹道冲击测试,研究发现活体猪颅内最大压力值显著大于物理模型测量值。动物实验还可以得到物理实验和数值模拟无法得到的病理特性。但考虑种间差异,其损伤对应关系仍是需要解决的重要难题。
1.3 假人实验
鉴于动物与人体在尺寸、形状和组织性能间的差异,动物实验结果并不能直接对应于人体。研究人员通过对材料性能的研究,开发了不同的头部替代物(假人)来进行枪弹冲击或爆炸载荷下的头部损伤评估。
早期的弹道假人头型为美国陆军黏土模型[9],通过弹体冲击防弹头盔后,测试粘土头型的变形深度进行损伤评价。后续研究工作中发展了混-Ⅲ假人头颈部模型作为弹道冲击下的人头替代模型。Tan等[10]采用该模型分析了头盔内衬的防护性能。随着技术的进步,Li等[1]报道了聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)传感器置于混-Ⅲ假人头型中来测量应变和力。康越等[11]与张文超等[12]设计了具有人体外轮廓的假人头型,但其只能测得模型表面的参数值,无法获得内部数据。Freitas等[6]开发了具有颅骨和头部软组织的头部假人,模型逼真度较高。Du等[13]与柳占立等[14]采用明胶灌注方法制成了一体化的简化假人头部模型,该模型能测得头部表面力学信号。Chang等[15]将假人模型采用结膜纤维聚氨酯弹性组织材料作为皮肤层,颅骨由高磷高钙热固性树脂制成,脑组织内部用明胶填充,能测得颅内加速度和压力参数。表1为国内外主流的假人模型。目前的假人模型均为单独设计,并无统一的标准,未来的研究工作应构建更接近人体头部解剖结构与力学响应相近的假人模型。
表1 国内外主流假人模型
Table 1 Mainstream dummy models at home and abroad
模型美国陆军粘土头型[9]阿尔伯塔大学[1]军事科学院[11]清华大学[13]假人模型应用弹道冲击弹道冲击爆炸冲击爆炸冲击模型新加坡国立大学[10]湖南科技大学[15]美国西南研究院[6]中北大学[12]假人模型应用弹道冲击弹道冲击弹道冲击爆炸冲击
1.4 数值模拟
表2总结了在军事领域应用中的典型头部模型。Mao等[16]建立了精细化头部有限元模型并开展了实验验证。Zhang等[17]将模型应用于爆炸载荷下头盔对大脑防护性能研究。Ghajari等[18]建立了具有脑沟、脑回结构的头部有限元模型,但该模型仅有局部结构,无法分析应力波在颅内传导路径。Yu等[19-20]将该模型应用于爆炸载荷下头部空化效应研究,并分析了头盔和护目镜对头部防护性能的影响。美国海军研究实验室和查尔姆斯理工大学也建立头部有限元模型开展了爆炸载荷下的头部损伤分析[21-22]。Tse等[23]开发了有/无软组织2种头颈模型,通过弹道冲击实验发现两者对结果的影响并无明显差异。Horgan等[24]建立并完善了其头部模型,开展了大量枪弹冲击和爆炸载荷下头部损伤研究。基于混-Ⅲ假人的简化头颈部模型也在防弹板或防弹头盔防护下的颅脑创伤评估中发挥了重要作用[25]。国内高校也开发有限元模型进行相关的头部损伤评估研究。针对毁伤效果的精准评估,精细化模型或局部精细化模型逐渐成为发展趋势,考虑到现有模型在结构、力学响应方面的差异,急需建立统一的高速冲击模型进行准确评价[26]。
表2 军事损伤评估的人体头部有限元模型
Table 2 Finite element model of the human head for military damage assessment
模型韦恩州立大学[16]伦敦帝国理工学院[19]美国海军研究实验室[22]查尔姆斯理工大学[21]新加坡国立大学[23]数值模型应用碰撞、爆炸[17]碰撞、爆炸[20]钝性冲击、爆炸[27]碰撞、爆炸[21,28]碰撞、枪弹冲击、爆炸[29]模型北达科他州立大学[24]湖南科技大学[35]南京理工大学[30]清华大学[31]中北大学[32]数值模型应用枪弹冲击、爆炸[33-34]枪弹冲击、爆炸[35-36]枪弹冲击[37]爆炸[38]爆炸[32]
实验方法是研究TBI常用的研究手段,通过实验可以测得头部加速度、颅内压和头盔背面变形等参数。然而,人体头部结构复杂,实验过程仅能对局部测得有限数据,难以全面反映头部的损伤程度。数值模拟是弥补实验中测量数据缺乏的有效补充方法,能够任意选取头部的位置和单元进行参数提取。但数值模拟方法容易受所采用的有限元模型的限制,模型形状、网格类型、材料性能等都会对结果产生较大影响。
2 头部损伤机制
创伤性脑损伤中,损伤机制主要有颅骨骨折、正压、负压、大脑压力差、旋转压力和颅内组织空化等损伤模式。Tse等[39]总结了力学载荷与头部损伤的关系,如图1所示[39]。
图1 力学载荷与脑损伤的关系
Fig.1 Relationship between mechanical loading and head injury
根据外载荷不同,弹体冲击防弹头盔造成的头部响应时间在200 ms以内。在外部冲击载荷下,头盔变形导致局部区域产生颅骨弯曲或骨折,还会造成头皮的撕裂伤、硬膜外血肿和脑出血等损伤[14]。由于外载荷冲击位置的偏心作用,常见的头部损伤均有头部平移和旋转运动产生。由于颅骨与脑组织硬软界面的存在,弹体冲击头部不同位置的力学响应差异较大,撞击部位产生的压缩波会通过颅骨传递到脑组织产生正压,造成冲击部位突发性损伤。负压主要在对冲侧形成,冲击作用下颅骨和脑组织变形程度不同,撞击侧颅骨恢复和头部过大加速度导致的对冲侧撞击部位压力波反射而形成的拉伸波,造成牵拉损伤或形成负压。通常认为的颅脑损伤是过高的加速度导致颅骨与脑组织的相对运动,后续研究还认为角速度、角加速度等因素也是致伤原因。Tse等[39]认为除正压和负压致伤外,冲击造成的加速度和压力梯度也会导致脑组织拉伸、剪切和局部变形,对大脑造成局灶性和弥漫性损伤。
头部致伤机制是一个多尺度问题,即使没有外伤,也可能受到功能性损伤。目前,关于颅脑致伤机制的研究工作,国内外尚无形成共识。依据不同的准则及分析方法,研究人员阐明了不同的致伤机制。
3 头部损伤评价标准
头部损伤评价标准有定性描述和定量表达2种。定性描述主要有AIS、最大AIS(MAIS)、损伤严重程度评分(injury severity score,ISS)、新损伤严重度评分(new injury severity score,NISS)。
现有的通用头部损伤评价标准为AIS[40],但该标准仅能定性表示人体组织的损伤严重程度。
多重损伤常用MAIS和ISS进行评价。MAIS是多重损伤中最严重的等级,多用于比较特定伤害频率及其相对严重程度[41]。ISS是常用的创伤评估工具。该量表示3个不同身体区域AIS最高得分的平方和。ISS评分范围为1～75,对应3个AIS 5或者1个AIS 6。ISS表达为
ISS=(AIS1)2+(AIS2)2+(AIS3)2
(1)
式(1)中, AIS1、AIS2、AIS3分别表示3个身体部位的AIS等级依次为最高。
NISS在钝性损伤评价方面优于ISS,是其有效补充,可以用于描述全身损伤严重程度[42]。NISS定义为每个患者的AIS评分中最高的3个分数的平方和,与身体区域无关。当NISS<16为轻伤,16≤NISS≤25为重伤,NISS>25为危重伤[43]。
定量描述头部损伤与冲击力学参数二者间的相互联系能有效评估头部创伤。早期的研究工作是基于动物和尸体实验建立的维恩州立耐受性曲线。在此基础上,Gadd等[44]基于加权脉冲准则提出盖德严重性指数,其通过量化的损伤指数来代替维恩州立耐受性曲线给定的加速度,被美国国家公路交通安全管理局采用(NHTSA)并纳入联邦机动车安全标准FMVSS208。美国国家公路交通安全管理局,通过对GSI的改进发展了HIC。
(2)
HIC虽然仍在使用,但其在弹道冲击中的应用仍存在争议,后续又改进其准则发展了颅骨断裂指标(SFC),具体内容如下[45]:
(3)
由于HIC缺乏考虑旋转加速度,研究人员随后提出了头部冲击功率(head impact power,HIP)准则[46],它在计算中使用混III假人头部的重心测量的线性加速度和角加速度,公式如下:
(4)
Ci系数被设定为50百分位假人头部质量和适当的惯性矩。C1=C2=C3=4.5 kg, C4=0.016 Nm/s2, C5=0.024 Nm/s2, C6=0.022 Nm/s2, ax、ay、az为线性加速度(m/s2); αx、αy、αz为角加速度(rad/s2)。
生物实验病理分析常采用定性评价标准,随着技术的进步,各种定量评价标准应运而生。有基于加速度的HIC、SFC、HIP等评价标准,也有基于应力和应变的损伤评价准则。
目前的损伤评价标准过于局限,AIS等定性分析标准的判定依据需要专业人员,使其在非专业领域实际应用中存在挑战。HIC、SFC、HIP等定量评价标准仅针对局部组织,未能反应整个头部的损伤严重程度。基于应力和应变的部分标准依据模型的不同,其损伤评价阈值仍有较大差异。
4 头部防护
头部防护研究工作主要从盔体和内衬材料两方面进行改进。头盔设计不仅要考虑其材料的力学性能,还要考虑覆盖范围、悬挂系统、内衬材料、头盔与头的间距以及冲击物质量、形状和入射角度等因素。
4.1 盔体设计研究进展
一战后世界各国头盔材料的发展经历了钢材、芳纶纤维/UHMWPE等材料发展阶段,如图2所示。美国国防部头盔测试报告综述了头盔材料的发展过程[47]。Carey等[48]详细叙述了PASGT头盔发明之前的整个头盔发展史以及在头盔设计中的诸多影响因素。针对头盔设计中的质量问题,Palomar等[49]研究了4种头盔外壳布置对头部防护的影响,研究发现不同的布置对防护性能有不同的影响。经过大量的研究后,研究工作者认为佩戴覆盖面较大的头盔能够有效抵御子弹/破片对头部关键部位(大脑、脑干、眼睛等)的伤害[50]。
图2 战斗头盔演变
Fig.2 Evolution of the combat helmet
4.2 头盔悬挂系统研究进展
头盔悬挂系统主要有网状悬挂和衬垫悬挂2种类型,网状悬挂型头盔的热舒适性较好,但与头部的适应性较差,衬垫悬挂型头盔成功解决了头盔与头部贴合的问题。Spinelli等[51]设计了一种剪切增稠自适应头盔悬挂系统,能对头部提供更好的防护,但在高速冲击下的防护性能有待进一步探究。目前,军用头盔多以衬垫填充形式存在,如图3所示[2]。
图3 头盔衬垫填充系统
Fig.3 Helmet padding system
头盔内衬作为减轻头部损伤的关键部件,通常以单层或多层形式置于头盔内部用于缓冲吸能。头盔内衬的研究主要集中在材料、结构和数量布置方面。目前头盔内衬材料有聚氨酯(polyurethane,PU))[52]、发泡聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene,EPS)[53]和发泡聚丙烯泡沫(expanded polypropylene,EPP)[54]等。Promma等[52]通过材料实验和弹道数值模拟得出PU作为头盔内衬材料能够增大变形,降低头部压力及提高舒适性。研究人员还研究了PU泡沫的密度和应变速率对其力学性能演变的影响[55]。EPS泡沫尽管有出色的吸能性,但其弹性恢复能力较差,导致其抵抗重复冲击的性能较差[56]。相较于泡沫内衬,聚合软木等天然材料经济实用且具有强大的吸能性,能够承受多次冲击,成为头盔内衬材料的更优选择[53]。寻找新型吸能材料及对现有衬垫材料的改性处理来提高内衬材料的防护性能是当前的主要趋势。
除头盔内衬的材料外,其结构及布置也是影响防护性能的关键因素。常见的内衬有单层均质和梯度分层结构。Moss等[57]研究表明,单层泡沫在某种特定的冲击能量下是最佳选择,但多层泡沫可以在更广的冲击能量范围内提供更有效的防护。Goel等[58]提出了一种新的头盔内衬设计概念,在衬垫内部引入固体或流体填充材料以改善头盔的防护性能。Naderi等[59]设计箭头型变形晶格结构,该结构比传统的EPS泡沫衬垫的抗爆性能有极大的提升。Haid等[60]调查显示机械超材料用于制造头盔内衬材料具有广阔的应用前景。
为提高头盔的防护性能,头盔设计逐渐增大其防护面积,但其增加了头盔的质量,降低了佩戴舒适性。防护性能的提升可能降低头盔人机功效性。目前头盔防护仅能抵抗手枪弹的冲击,开发能够抵抗步枪弹及爆炸破片的战斗头盔仍是一大挑战。
5 结论
1) 颅脑损伤问题在战场环境下尤为突出,综述其研究手段、致伤机制、评价标准和防护策略对战场环境下士兵的战伤评估和装备防护设计具有重要意义。
2) 为深入探究其脑损伤致伤过程,应致力于开发精细化假人和有限元模型并结合动物实验开展系统研究工作,揭示人体头部在高速冲击环境下的致伤机制并获取其损伤阈值。
3) 头部损伤评价过程中不能单一考虑某种指标,应综合多个因素来评价头部整体的损伤程度,建立考虑多因素的损伤评价标准。
4) 头部系统的防护可通过外壳材料改进和内衬结构设计两方面提升防护性能。具有可定制功能的机械超材料内衬在头部防护方面具有较大发展前景。
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