Evaluation method of human traumatic brain injury in environments of strong shockwave
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摘要: 为了评估爆炸冲击作用下人员颅脑损伤情况，亟待建立一套科学、合理的综合评价方法。利用具有中国人体尺寸特征的高仿真物理假人模型及传感系统开展3种不同冲击波强度的激波管实验，系统获得了高仿真物理假人模型头部表面超压、头部质心加速度和角速度以及颈部力和扭矩随时间的变化过程。依据爆炸冲击人体颅脑短时和长时致伤效应，基于3 ms准则、头部损伤准则（head injury criterion, HIC）、颅脑损伤标准（brain injury criteria, BrIC）和颈部损伤指标进行损伤判定并对人体损伤程度进行了综合研判。结果显示，在3种不同强冲击环境下，冲击波超压作用时间小于5 ms，加速度和颈部力持续5~6 ms，角速度和颈部扭矩持续50~244 ms；高仿真物理假人模型头部质心合成加速度峰值分别为(54.60±3.69)g、(102.00±1.72)g和(161.50±6.36)g，计算得到的HIC15显示未达到头部损伤阈值；根据头部表面压力载荷和BrIC综合判定，颅脑损伤概率显著增加，应采取有效防护措施降低损伤风险。Abstract: Due to the rapid development of military technology, there are more deployments of new arms, high-tech weapons and large-caliber shells in regional and local warfare, contributing to a sharp surge in the incidences of craniocerebral trauma among military personnel due to blast shockwaves. Thus, blast-induced traumatic brain injury at present is considered as one of the most prominent forms of injury on the battlefield. In order to assess the craniocerebral injury of personnel under the effect of the blast shock wave, it is urgent to establish a set of scientific, rational and comprehensive evaluation methods. Using a realistic physical manikin model with Chinese human body size characteristics and a sensing system to carry out three kinds of shock wave intensity shock tube experiments, this study systematically obtained the change process of head surface overpressure, head centroid acceleration and angular velocity as well as neck force and torque of the realistic physical manikin model with time. Based on the short-term and long-term injury effects of the explosion on the human cranium and brain, based on the 3 ms criterion, head injury criterion (HIC), brain injury criteria (BrIC) and neck injury indicators to determine the damage and the degree of damage to the human body to carry out a comprehensive research and judgment. The results showed that under three different strong shockwave environments, the shock wave overpressure duration was less than 5 ms, acceleration and neck force lasted 5~6 ms, and angular velocity and neck torque lasted 50~244 ms; the peak centroid resultant acceleration in the head of the realistic physical manikin model was (54.60±3.69)g, (102.00±1.72)g and (161.50±6.36)g, and the calculated HIC15 showed that the head injury threshold was not reached; according to the combined determination of head surface pressure load and BrIC, the probability of craniocerebral injury increased significantly, and protective measures should be taken to reduce the risk of injury.
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美军在伊拉克和阿富汗的战伤统计数据显示，约20%的士兵遭受头面部损伤，其中83.3%是由爆炸冲击所致[1-2]。爆炸冲击致创伤性脑损伤（blast-induced traumatic brain injury，bTBI）是一个复杂的作用过程，涉及多种损伤类型和作用机制[3-5]。原发性颅脑损伤的致伤机制可分为2类。一类为直接作用机制：(1)爆炸冲击波经颅骨腔隙或孔洞传播[6]；(2)爆炸冲击波经颅骨（或组织、皮肤等）转换成应力波传播[7]；(3)颅骨弯曲[8-10]。另一类为间接作用机制：(1)爆炸冲击波引起的加速度[11-13]；(2)空化效应[14-16]；(3)胸部压缩造成的血压上升[17-18]。由上述致伤机制可知，对于bTBI而言，主要存在短时和长时致伤效应。其中，短时致伤效应主要指爆炸冲击波与人体头部的直接接触和由冲击波引起的颅骨弯曲变形，其主要通过峰值超压或颅内压（intracranial pressure, ICP）等致伤指标进行评估。当爆炸冲击波与头部相互作用时，产生的应力波可穿透皮肤、颅骨等人体头面部外层结构或经过耳、鼻、口、眼等传播通道引起脑组织损伤；随后，由于阻抗匹配作用将在接触界面处产生较高的反射压力，导致颅骨发生弯曲形变并最终引起颅脑损伤。长时致伤效应指由于冲击波作用使颅脑产生平动加速度或旋转角速度，此时大脑因自身惯性与颅骨发生相对运动导致脑组织损伤，通常表现为弥散性轴突损伤或局灶性脑损伤，如血肿、同侧挫伤和对侧挫伤等。
基于爆炸冲击波人体致伤机理，科研人员对爆炸冲击致伤阈值开展了大量研究。Ward等[19]发现在爆炸冲击作用下，当人体颅内压低于173 kPa时未见明显脑损伤；当颅内压高于235 kPa时，脑部将会发生重度损伤；当颅内压位于两者之间时，会发生中度至重度脑损伤。孙艳馥等[20]研究了人体鼓膜损伤程度与炸药当量的关系以及实际爆炸情况下人体死亡率与安全距离的关系，发现当TNT药量为1、5、10、20和30 kg时，人体损伤最小安全距离分别为4.77、8.15、10.27、12.94和14.82 m，1%死亡率的安全距离分别为0.6、1.6、2.4、3.3和4 m，99%死亡率的安全距离分别为0.4、0.9、1.4、2.0和2.6 m。罗棕木等[21]发现，当爆炸冲击波超压峰值位于50～100 kPa时，人体发生轻度损伤的风险为5%，当冲击波超压峰值超过103.5 kPa，人体发生轻度损伤的风险提升至10%。King等[22]发现当头部损伤指标（head injury criterion, HIC）分别达到136、235和333时（或线性加速度分别为559、778和965 m/s2时，或角加速度分别为
4384 、5757 和7130 rad/s2时），人体发生脑震荡的概率分别达到了25%、50%和75%。Zhang等[23]研究发现当旋转加速度为4.63103 、5.93103 和7.93103 rad/s2时（或头部质心最大合成平移加速度为66g（g=9.81 m/s2）、82g和106g时），发生脑震荡的概率分别达到了25%、50%和80%。目前，针对爆炸冲击波致人体损伤效果尚未建立起一套科学、合理的评价方法和标准规范。本文中，借鉴汽车碰撞损伤评价领域成熟的评价方法和标准，依据爆炸冲击波人体短时和长时致伤机理，初步构建一套以高仿真物理假人模型头部表面峰值超压、头部质心加速度和角速度为主，颈部力、扭矩为辅的指标体系，建立综合评价方法，并据此在高仿真物理假人模型相应位置设置超压传感器、加速度、角速度传感器和颈部六轴载荷传感器等通过采集变量信息，实现爆炸冲击环境下人体损伤情况评价及装备防护性能评测。
1. 实验方法
1.1 高仿真物理假人模型
本实验所用高仿真物理假人模型（以下简称“模型”，如图1所示）以Hybrid Ⅲ型50百分位男性假人为基础，根据最新中国成年人体尺寸数据，通过非均匀整体缩放进行中国人体特征化改造设计而成[24-26]。该模型整体结构由不锈钢、铝合金、橡胶和聚氨酯等材料组成，其中头部主体结构为铝制颅骨，表面覆盖仿生皮肤材料；颈部由铝制骨架与橡胶复合成型，内置可调钢索，可模拟实现颈部椎骨的受力和运动状态。模型生物逼真度（包含头部跌落校准、颈部弯曲/拉伸特性校准等）已按相关标准进行校准。
图 1 高仿真物理假人模型及传感器安装位置Figure 1. Realistic physical manikin model and sensor installation position根据冲击波人体短时致伤机理，在模型头部表面设置6个压电式压力传感器，分别位于眼部、前部、前额、头顶、枕部和耳部。根据冲击波人体长时致伤机理，在模型头部质心位置设置三轴加速度传感器和三轴角速度传感器，在颈部设置六轴载荷传感器。模型测试所有实验数据均由数据采集系统进行采集，其中超压信号采集使用型号为SFSC-08的数据采集仪（采样频率为1 MHz），加速度、角速度、力和扭矩信号采集使用型号为SFSC-34的数据采集仪（采样频率为100 kHz）。根据相关标准[27]，对头部质心加速度、角速度和力使用CFC (channel frequency class)
1000 的滤波等级进行滤波，扭矩使用CFC600的滤波等级进行滤波。模型加速度和力的方向分别被定义为：枕部指向面部为x方向正方向，左耳指向右耳为y方向正方向，垂直地面并指向模型头顶部为z方向正方向。角速度和扭矩的方向分别被定义为：保持右手大拇指与对应的加速度和力的正方向一致，角速度和扭矩的正方向与四指弯曲方向一致。
1.2 激波管实验
1.2.1 激波管
本文所述实验均在激波管中进行，该激波管包括高压驱动段、被驱动段、试验段和消波段[28]，其中高压驱动段和被驱动段由纯铝制或钢制膜片隔开，以压缩氮气（超高纯度，99.999%）或空气作为驱动气体，试验段出口为直径0.5 m的圆形截面，在距离试验段出口截面0.05 m管壁刚性固定1个超压传感器，该传感器感应面与试验段内表面齐平，使用DH8305动态信号测试分析系统（采样频率为1 MHz）采集试验段出口位置冲击波超压时程信息。
1.2.2 激波管模拟爆炸冲击波的实验验证
图2展示了7 kg TNT炸药爆炸在爆心距为4.6 m处产生的冲击波超压时程曲线和由激波管模拟产生的爆炸冲击波超压时程曲线，2种情况下的峰值超压和正压持续时间基本一致，说明该激波管可有效模拟真实炸药爆炸产生的冲击波。图3展示了在相同实验状态下开展3次重复激波管实验所得的冲击波超压时程曲线，3次激波管实验所测得的冲击波峰值超压分别为94.93、94.42和95.45 kPa，实验重复性好，满足测试要求[29]。
图 2 两种不同实验情况的冲击波超压时程曲线Figure 2. Time history curves of shock wave overpressure for two different experiments
图 3 重复激波管实验得到的冲击波超压时程曲线Figure 3. Time history curves of shock wave overpressure obtained in repeated shock wave tube experiments1.2.3 实验过程
实验均在室温下进行，模型通过刚性连接方式与试验段测试平台相接，模型胸部距试验段出口10 mm，如图4所示。利用激波管模拟产生峰值超压分别为77、130和203 kPa的爆炸冲击环境，在每种强冲击环境下开展3次重复实验以避免测试误差。
不同强冲击环境下试验段出口处的冲击波超压时程曲线如图5所示，测试曲线重复性好，满足实验要求。对比图5与图3可知，图5所示曲线中的第1个波峰是由膜片破裂产生的冲击波所致，第2个波峰则是冲击波与模型相互作用后形成的反射波[30]。
图 5 不同强冲击环境下测试段出口处的冲击波超压时程曲线Figure 5. Time history curves of shock wave overpressure at the exit of the test section in different strong shockwave environments1.3 损伤准则及损伤判据
脑部弥散性轴突损伤和局灶性损伤都是爆炸冲击致创伤性脑损伤和汽车碰撞颅脑损伤中常见的损伤类型。汽车碰撞损伤评价方法和标准主要是基于尸体试验（postmortem human subjects, PMHS）和志愿者实验而建立，且该评价方法和标准在爆炸冲击领域相关标准[27]和其他爆炸冲击伤研究中[21, 31-32]也有使用，通常通过3 ms准则、头部损伤准则（HIC）、颅脑损伤标准（BrIC）和颈部损伤指标进行损伤判定。
3 ms准则：当头部合成加速度（记为a）持续作用时间大于3 ms时，80g是头部损伤的耐受阈值[33]。对此，本研究设置80g为限定值，统计其持续作用时间是否大于3 ms进行损伤判定。
HIC：根据HIC[34]可实现爆炸冲击环境下人员损伤情况的初步判定。其中，HIC指标h的计算公式为：
hn=max{(t2−t1)[1t2−t1∫t2t1a(t)dt]2.5} (1) 式中：n为公式积分持续时间，本研究中n取15，t1和t2分别为积分起止时刻，t2−t1≤36 ms，a(t)为三向合成加速度关于时间的函数，用g来表示（g=9.81 m/s2）。Wayne State大学耐受限度曲线（Wayne State tolerance curve, WSTC）规定了3种可能引起头部损伤的情况（头部加速度峰值大于400g，或加速度峰值大于200g且持续作用时间大于2 ms或加速度峰值大于150g且持续作用时间大于4 ms）[35]，同时通过HIC15判断颅脑损伤的标准值为700[34]。
BrIC：根据BrIC[36]可对爆炸冲击环境下人员头部因旋转因素导致的损伤情况进行判定。其中，BrIC指标b的计算公式为：
b=√(wxwxc)2+(wywyc)2+(wzwzc)2 (2) 式中：
wx 、wy 和wz 为在x、y和z方向上测量的角速度峰值，wxc 、wyc 和wzc 分别为x、y和z方向上角速度的临界值，其中wxc=66.25rad/s ，wyc=56.45rad/s ，wzc=42.87rad/s [37]。颈部损伤指标：颈部损伤通过上颈部轴向力（
Fz ）和上颈部剪切力（Fx ）进行损伤判定，具体损伤判定如图6所示，同时规定颈部y方向扭矩（My ）应不大于57 N∙m[38]。2. 讨 论
测试数据重复性较好，因此在后续的讨论中，任意选取其中1组数据进行对比分析。
2.1 头部响应
2.1.1 模型头部表面超压峰值随时间的变化及损伤
不同强冲击环境下，模型头部表面的冲击波超压时程曲线如图7所示，眼部和耳部的冲击波超压时程曲线如图8所示。由图7～8和表1可知，在不同冲击环境下，在模型头部表面相同位置所测冲击波超压时程曲线重复性较好，所有部位的峰值超压都随冲击压力的升高而升高。由此可知，随着冲击压力的上升头部损伤概率明显增大[39]。同时，针对单次强冲击环境，模型头部表面不同测量部位的冲击波超压时程曲线特征呈现明显差异。由图8可知，模型眼部和耳部的峰值超压也随冲击压力的升高而升高。由测试数据可知，眼部所受的冲击压力最大。
图 7 不同强冲击环境下不同测点的冲击波超压时程曲线Figure 7. Time history curves of shock wave overpressure at different measurement points in different strong shockwave environments
图 8 不同强冲击环境下眼部和耳部测点的冲击波超压时程曲线Figure 8. Time history curves of shock wave overpressure at eye and ear points in different strong shockwave environments表 1 不同强冲击环境下不同部位的峰值超压Table 1. Peak overpressures at different sites in different strong shockwave environments冲击压力/kPa 峰值超压/kPa 前部 前额 头顶 枕部 眼部 耳朵 77 179.6±13.8 171.6±12.3 83.0±4.3 61.1±4.2 230.7±18.1 199.5±15.5 130 334.9±3.2 318.3±1.9 137.6±0.6 119.8±2.1 433.2±2.4 367.2±8.4 203 568.7±10.3 541.6±11.4 205.6±13.4 203.1±2.5 762.4±19.2 601.8±4.7 定义模型表面每个测点的冲击波峰值超压
pr 与激波管试验段出口处的峰值超压pi 的比为反射系数C，即：C=pr/pi (3) 由表2可知，随着冲击压力的升高，模型头前部、前额和枕部的反射系数分别从2.3、2.2和0.8增大到2.8、2.7和1.0，头顶的反射系数基本维持在1.0左右，测试所得结果与文献[40-45]中的研究结果一致。眼部和耳部的凹陷结构易使冲击波在此呈现反射叠加-汇聚作用[46]，导致眼部和耳部的反射系数分别从3.0和2.6增大至3.8和3.0。因此，应特别关注眼、耳等重要器官在强冲击环境下的致伤情况，并采取相应的防护措施。
表 2 不同强冲击环境下不同部位的反射系数Table 2. Reflection coefficients at different sites in different strong shockwave environments冲击压力/kPa 反射系数 前部 前额 头顶 枕部 眼部 耳朵 77 2.30±0.06 2.20±0.05 1.10±0.01 0.80±0.02 3.00±0.08 2.60±0.08 130 2.60±0.04 2.40±0.03 1.00±0.01 0.90±0.02 3.30±0.04 2.80±0.08 203 2.80±0.01 2.70±0.02 1.00±0.05 1.00±0.01 3.80±0.04 3.00±0.04 2.1.2 质心加速度和角速度随时间的变化及损伤
不同强冲击环境下模型头部质心加速度随时间的变化如图9所示，可以看出，头部质心加速度在x、y、z方向随时间的变化具有较好的一致性。在不同强冲击环境下，头部质心加速度峰值随冲击压力的提高而增大，持续作用时间随冲击压力的提高而延长，合成加速度峰值分别达到了(54.60±3.69)g、(102.00±1.72)g和(161.50±6.36)g。由表3和图10可知，x方向和z方向的加速度峰值都是y方向的3倍以上，头部质心加速度持续时间约5 ms。其中，x方向加速度第1个波峰的持续时间约1 ms，与Maach等[47]的实验结果一致。在130 kPa的冲击环境下，模型头部先向后加速运动，约0.07 ms后z方向产生负向加速度并在10.293 ms时达到最大值，10.303 ms时x方向加速度达到最大值，随后反向加速运动。x方向和z方向加速度分别在10.713和10.400 ms后历经往复运动并趋于静止，该结果符合实验时头部沿质心俯仰运动的实际情况。当冲击压力为130 kPa时，x方向的加速度峰值为99.3g，Maach等[47]在自由场压力峰值为180 kPa的冲击环境下，测得沿x方向最大正加速度为76g，小于本实验中沿x方向的最大加速度，推测这是由于其产生的模拟爆炸冲击波冲量过小所致（31.2 kPa·ms）。
图 9 不同强冲击环境下不同方向模型头部质心加速度-时程曲线Figure 9. Time history curves of centroid accelerations of the model head in different directions in different strong shockwave environments表 3 不同强冲击环境下模型头部的质心加速度最大值Table 3. The maximum centroid accelerations of the model head in different strong shockwave environments冲击压力/kPa 头部质心加速度最大值/g x方向 y方向 z方向 合成加速度 77 −54.40±3.77 −3.30±0.25 32.60±1.32 54.60±3.69 130 −99.30±1.03 −8.40±0.18 47.50±0.37 102.00±1.72 203 −153.50±0.42 −230±1.31 69.30±2.68 161.50±6.36 
图 10 不同强冲击环境下模型头部加速度-时程曲线Figure 10. Time history curves of centroid accelerations of the model head in different strong shockwave environments不同强冲击环境下模型头部质心x、y、z方向角速度随时间的变化如图11所示，可以看出，模型头部质心角速度峰值随冲击压力的升高而增大，且冲击压力越高，头部旋转速度越大，持续作用时间越长（表4）。当冲击波与模型相互作用时，模型头部首先向前运动，然后绕脖颈部向后弯曲，当角速度达到最大值后，模型头部向后弯曲的速度降低至零并反向运动，最终在往复运动中趋于静止。冲击作用致模型头部的第1个俯仰运动周期持续150～244 ms，这与Maach等[47]的研究结果（＞100 ms）一致。相比77 kPa的强冲击环境，当冲击压力达到130和203 kPa时，x方向的角速度峰值分别提高了2.67倍和7.73倍，y方向的角速度峰值分别提高了2.76倍和5.45倍，z方向的角速度峰值分别提高了2.12倍和3.33倍；x方向的旋转角度分别增大了4.55倍和18.62倍，y方向的旋转角度分别增大了4.46倍和10.92倍，z方向的旋转角度分别增大了1.80倍和3.97倍。z方向角速度时程曲线出现的第1个尖峰可能是冲击波与模型接触时角速度传感器自身震动所产生的，后续计算将此峰忽略。
图 11 不同强冲击环境下模型头部质心角速度-时程曲线Figure 11. Time history curves of centroid angular velocity of the model head in different strong shockwave environments表 4 不同强冲击环境下模型头部的质心角速度和旋转角度最大值Table 4. The maximum angular velocity and rotational angle of the model head in different strong shockwave environments冲击压力/kPa 头部质心角速度最大值/((°)∙s−1) 头部质心旋转角度最大值/(°) x方向 y方向 z方向 x方向 y方向 z方向 77 57.30±12.28 417.40±44.57 53.96±2.48 0.55±0.20 5.10±0.60 0.88±0.08 130 152.86±5.23 1152.81 ±22.09114.43±46.65 2.50±0.10 22.73±0.71 1.58±0.18 203 442.65±18.12 2277.09 ±116.33179.65±8.78 10.24±0.42 55.68±4.56 3.49±0.21 2.2 颈部的响应
2.2.1 颈部力对颈部的损伤
不同强冲击环境下颈部力随时间的变化如图12所示，正向来波对y方向颈部力影响较小，但对x和z方向运动影响较显著。在不同强冲击环境下，模型颈部呈往复运动，颈部力随冲击压力的提高而增大，x和z方向颈部力分别在2和4 ms内达到最大值，随后运动幅度逐渐减小直至达到静止状态。对x方向而言，冲击波向前传播导致颈部随其运动，此时冲击波作用在模型颈部的力大于颈部因为结构形变而产生的反作用力，当颈部运动到结构极限时，阻尼效应会阻碍其继续运动；对z方向而言，当冲击波与模型作用后，模型颈部先呈现拉伸状态，在冲击波绕过头顶的过程中冲击波又导致模型颈部呈压缩状态，随后空气流场出现负压态时，颈部又呈现拉伸状态，最终由于惯性作用，颈部进行往复运动并趋于静止。由表5可知，相比77 kPa的强冲击环境，130 kPa的强冲击环境下，x方向和z方向颈部力峰值分别提高了1.76倍和2.79倍，203 kPa的强冲击环境下，x方向和z方向颈部力峰值分别提高了1.94倍和2.85倍。
图 12 不同强冲击环境下颈部力-时程曲线Figure 12. Time history curves of force of the model neck in different strong shockwave environments表 5 不同强冲击环境下颈部的力最大值Table 5. The maximum forces of the model neck in different strong shockwave environments冲击压力/kPa 颈部力最大值/N x方向 y方向 z方向 77 340±22 30±5 340±37 130 600±5 50±1 660±14 203 950±2 80±6 970±78 2.2.2 扭矩对颈部的损伤
不同强冲击环境下模型颈部x、y、z方向的扭矩随时间的变化如图13所示。由图可知，模型颈部扭矩随冲击压力的提高而增大，不同方向扭矩持续时间较长（扭矩第1个运动周期的持续作用时间约为50 ms）。y方向的扭矩受冲击影响最大，其峰值达到x方向和z方向的6倍以上。
图 13 不同强冲击环境下颈部扭矩-时程曲线Figure 13. Time history curves of torque of the model neck in different strong shockwave environments当冲击波与模型相互作用后约0.2 ms内，模型颈部开始产生y方向扭矩，此时，模型头部开始俯仰运动，再经过约0.2 ms联动产生x和z方向扭矩，此时，模型头部保持几乎静止的状态，且第1个波峰持续约0.6 ms。当冲击波与模型头部表面接触1～2 ms后，模型头部开始后仰运动，由于橡胶颈部的存在限制了头部的运动，当头部运动到峰值状态后开始反向运行并最终趋于静止。
表 6 不同强冲击环境下颈部的扭矩最大值Table 6. The maximum torque of the model neck in different strong shockwave environments冲击压力/kPa 颈部最大扭矩/(N·m) x方向 y方向 z方向 77 2.650±0.431 15.250±2.076 0.990±0.161 130 4.230±0.781 32.140±0.703 1.720±0.058 203 9.420±0.491 60.240±2.465 3.220±0.205 2.3 讨 论
参考Ganpule等[48]和Du等[49]的研究成果可知，在77 kPa强冲击环境下人体脑部未见明显损伤；在130 kPa的强冲击环境下人体脑部将发生中度至重度损伤；达到203 kPa的强冲击环境下人体脑部会发生重度损伤（见表1）。耳部和眼部具有典型的空腔结构，极易形成汇聚-叠加效应，从而造成损伤[20]。在本研究中，眼部和耳部的峰值超压均高于103 kPa，应增加防护措施。
对于加速度致脑损伤而言，在不同强冲击环境下，合成加速度峰值大于80g的持续时间依次为(0.00±0.00)、(0.20±0.03)和(1.80±0.37) ms，基于3 ms准则[33]和Wayne State大学耐受限度曲线[35]判定脑部未明显损伤；不同强冲击环境模型所得HIC15均小于700（见表7），基于HIC颅脑损伤标准值[34]判定脑部未明显损伤；根据头部质心角速度计算BrIC值，发现当冲击压力达到203 kPa时，BrIC达到0.720±0.037，基于BrIC颅脑损伤标准[50]判定此时脑部出现损伤的概率较大，应注意防护。
表 7 不同强冲击环境下的损伤参数Table 7. Injury parameters in different strong shock wave environments冲击压力/kPa a/g h15 b Fx/N Fz/N My/(N·m) 77 54.60±3.69 6.00±1.06 0.130±0.014 340±22 340±37 15.250±2.076 130 102.00±1.72 44.50±0.98 0.360±0.006 600±5 660±14 32.140±0.703 203 161.50±6.36 221.70±20.87 0.720±0.037 950±2 970±78 60.240±2.465 在不同强冲击环境下，颈部轴向力和剪切力的最大值均未超过1 kN，基于颈部损伤指标判定此时颈部未明显损伤[38]；但当冲击压力达到203 kPa时，颈部y方向扭矩已达到60.24 N∙m，高于安全阈值[38]，应注意防护。
综合来看，由爆炸冲击引起的短时和长时致伤效应的耦合作用共同主导了颅脑损伤，这是一个涉及多种物理机制和生物学响应的复杂过程。因此，全面理解损伤机制、建立评价方法对于制定爆炸冲击防护策略和优化诊治方案具有重要意义。
3. 结 论
基于爆炸冲击人体致伤机理，初步构建了爆炸冲击波人体损伤综合评价体系，并利用高仿真物理假人模型在激波管测试环境下开展了不同冲击压力环境下的评价实验，首次实现了具有中国人体尺寸高仿真物理假人模型的损伤测试，得到的结论如下。
(1)由不同类型冲击波致伤-时程曲线可知，各致伤指标作用于高仿真物理假人模型的持续时间不同。其中，冲击波超压作用时间最短（＜5 ms），其次是加速度和颈部力的作用时间（5～6 ms），颈部扭矩和头部质心角速度第一个运动周期的持续作用时间分别约为50和150～244 ms，较好地对应了bTBI短时和长时致伤效应。
(2) 3种不同强冲击环境下，当高仿真物理假人模型正向面对冲击波来波方向时，其头部表面峰值超压由前部至枕部呈现递减趋势，且随冲击波峰值超压的升高而升高。参考Ganpule等[48]的研究成果发现，在77 kPa强冲击环境下，人体脑部未见明显损伤；当冲击波峰值超压达到130 kPa时，人体脑部将形成中度至重度损伤；当冲击波峰值超压达到203 kPa时，人体脑部会形成重度损伤。3种不同强冲击环境下，人体眼部受到的冲击压力最高，耳部次之，因此应特别关注眼部、耳部等重要器官的损伤情况，并对应采取防护措施。
(3) 3种不同强冲击环境下，高仿真物理假人模型头部质心合成加速度峰值分别为(54.60±3.69)g、(102.00±1.72)g和(161.50±6.36)g，皆未达到损伤阈值（400g）；由此计算得到的HIC15也未到达700，因此人体头部未形成明显损伤。根据角速度计算得到的BrIC显示，当冲击波峰值超压达到203 kPa时，脑部损伤概率显著增大。
(4)当冲击波峰值超压达到203 kPa时，人体颅脑和颈部损伤概率显著增大，应采取有效防护措施降低损伤风险。
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图 1 高仿真物理假人模型及传感器安装位置
Figure 1. Realistic physical manikin model and sensor installation position
图 2 两种不同实验情况的冲击波超压时程曲线
Figure 2. Time history curves of shock wave overpressure for two different experiments
图 3 重复激波管实验得到的冲击波超压时程曲线
Figure 3. Time history curves of shock wave overpressure obtained in repeated shock wave tube experiments
图 5 不同强冲击环境下测试段出口处的冲击波超压时程曲线
Figure 5. Time history curves of shock wave overpressure at the exit of the test section in different strong shockwave environments
图 7 不同强冲击环境下不同测点的冲击波超压时程曲线
Figure 7. Time history curves of shock wave overpressure at different measurement points in different strong shockwave environments
图 8 不同强冲击环境下眼部和耳部测点的冲击波超压时程曲线
Figure 8. Time history curves of shock wave overpressure at eye and ear points in different strong shockwave environments
图 9 不同强冲击环境下不同方向模型头部质心加速度-时程曲线
Figure 9. Time history curves of centroid accelerations of the model head in different directions in different strong shockwave environments
图 10 不同强冲击环境下模型头部加速度-时程曲线
Figure 10. Time history curves of centroid accelerations of the model head in different strong shockwave environments
图 11 不同强冲击环境下模型头部质心角速度-时程曲线
Figure 11. Time history curves of centroid angular velocity of the model head in different strong shockwave environments
图 12 不同强冲击环境下颈部力-时程曲线
Figure 12. Time history curves of force of the model neck in different strong shockwave environments
图 13 不同强冲击环境下颈部扭矩-时程曲线
Figure 13. Time history curves of torque of the model neck in different strong shockwave environments
表 1 不同强冲击环境下不同部位的峰值超压
Table 1. Peak overpressures at different sites in different strong shockwave environments
冲击压力/kPa 峰值超压/kPa 前部 前额 头顶 枕部 眼部 耳朵 77 179.6±13.8 171.6±12.3 83.0±4.3 61.1±4.2 230.7±18.1 199.5±15.5 130 334.9±3.2 318.3±1.9 137.6±0.6 119.8±2.1 433.2±2.4 367.2±8.4 203 568.7±10.3 541.6±11.4 205.6±13.4 203.1±2.5 762.4±19.2 601.8±4.7 
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表 2 不同强冲击环境下不同部位的反射系数
Table 2. Reflection coefficients at different sites in different strong shockwave environments
冲击压力/kPa 反射系数 前部 前额 头顶 枕部 眼部 耳朵 77 2.30±0.06 2.20±0.05 1.10±0.01 0.80±0.02 3.00±0.08 2.60±0.08 130 2.60±0.04 2.40±0.03 1.00±0.01 0.90±0.02 3.30±0.04 2.80±0.08 203 2.80±0.01 2.70±0.02 1.00±0.05 1.00±0.01 3.80±0.04 3.00±0.04
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表 3 不同强冲击环境下模型头部的质心加速度最大值
Table 3. The maximum centroid accelerations of the model head in different strong shockwave environments
冲击压力/kPa 头部质心加速度最大值/g x方向 y方向 z方向 合成加速度 77 −54.40±3.77 −3.30±0.25 32.60±1.32 54.60±3.69 130 −99.30±1.03 −8.40±0.18 47.50±0.37 102.00±1.72 203 −153.50±0.42 −230±1.31 69.30±2.68 161.50±6.36
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表 4 不同强冲击环境下模型头部的质心角速度和旋转角度最大值
Table 4. The maximum angular velocity and rotational angle of the model head in different strong shockwave environments
冲击压力/kPa 头部质心角速度最大值/((°)∙s−1) 头部质心旋转角度最大值/(°) x方向 y方向 z方向 x方向 y方向 z方向 77 57.30±12.28 417.40±44.57 53.96±2.48 0.55±0.20 5.10±0.60 0.88±0.08 130 152.86±5.23 1152.81 ±22.09114.43±46.65 2.50±0.10 22.73±0.71 1.58±0.18 203 442.65±18.12 2277.09 ±116.33179.65±8.78 10.24±0.42 55.68±4.56 3.49±0.21
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表 5 不同强冲击环境下颈部的力最大值
Table 5. The maximum forces of the model neck in different strong shockwave environments
冲击压力/kPa 颈部力最大值/N x方向 y方向 z方向 77 340±22 30±5 340±37 130 600±5 50±1 660±14 203 950±2 80±6 970±78
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表 6 不同强冲击环境下颈部的扭矩最大值
Table 6. The maximum torque of the model neck in different strong shockwave environments
冲击压力/kPa 颈部最大扭矩/(N·m) x方向 y方向 z方向 77 2.650±0.431 15.250±2.076 0.990±0.161 130 4.230±0.781 32.140±0.703 1.720±0.058 203 9.420±0.491 60.240±2.465 3.220±0.205
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表 7 不同强冲击环境下的损伤参数
Table 7. Injury parameters in different strong shock wave environments
冲击压力/kPa a/g h15 b Fx/N Fz/N My/(N·m) 77 54.60±3.69 6.00±1.06 0.130±0.014 340±22 340±37 15.250±2.076 130 102.00±1.72 44.50±0.98 0.360±0.006 600±5 660±14 32.140±0.703 203 161.50±6.36 221.70±20.87 0.720±0.037 950±2 970±78 60.240±2.465
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