冲击波与破片联合作用下人体胸部损伤机制及风险评估研究

《Scientific Reports》：Damage characteristics and dynamic response of the human thorax under combined shock waves and fragment loading

在现代战争与恐怖袭击中，爆炸伤频发，冲击波及破片对人体的耦合损伤研究不足。北京理工大学的研究人员建立人体胸部有限元模型，研究联合载荷下胸部损伤机制。结果表明联合载荷损伤更严重，且受多种因素影响，并给出损伤概率评估方法，为人员防护提供依据。

　　在现代战争和恐怖袭击频繁发生的背景下，爆炸所引发的伤害成为导致人员伤亡的主要原因之一。据统计，在阿富汗战争中，64% 的美军死亡是由简易爆炸装置（IEDs）造成的爆炸伤导致。IEDs 主要通过破片和冲击波对人体造成伤害，分别引发穿透性创伤和对含气器官系统（如肺、肠道等）的压缩性损伤 。然而，当前研究大多聚焦于人体躯干对单一载荷的响应，针对冲击波和破片耦合加载下人体躯干的机械响应研究较少。在实际战斗场景中，单一载荷作用下人体的损伤模式和程度无法反映联合加载时的损伤机制。因此，探究冲击波和破片联合作用下人体胸部的损伤机制显得尤为重要。

为了解决这一问题，北京理工大学爆炸科学与安全防护国家重点实验室的研究人员 Ruijun Fan、Xiaofeng Wang 等人开展了相关研究。他们建立了人体胸部有限元模型，利用 LS - DYNA 有限元软件模拟胸部在冲击波和破片联合加载下的机械响应，分析了加载方式、TNT 炸药质量和爆炸距离对人体胸部器官损伤的影响，并提出了联合加载下损伤概率的评估方法。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。

在研究方法上，研究人员首先基于 Visible Human Project 的人体胸部切片 CT 图像几何信息构建人体胸部模型，包含多种组织和器官。通过 HyperMesh 软件对模型进行有限元网格划分，并设置了各部分的接触方式、算法以及材料模型和参数。之后，利用文献数据对模型进行验证，包括单器官在破片加载下的验证、人体胸部模型在爆炸加载下的验证以及冲击波模型的验证。

研究结果如下：

1. 不同加载条件下人体胸部损伤对比分析：通过设定三种加载条件，对比单独冲击波加载（Type - A）、单独破片加载（Type - B）和冲击波与破片联合加载（Type - C）下人体胸部的损伤过程、器官和骨骼的应力响应以及速度响应。发现联合加载时胸部损伤更严重，损伤集中在破片冲击位置附近，且器官应力和骨骼速度响应与单独加载有显著差异。例如，联合加载时胸骨和心脏等冲击区域附近组织和器官的损伤参数超过冲击波和破片单独作用的总和123。
2. 联合加载顺序对人体胸部损伤的影响：以理想破片和冲击波为研究对象，采用时间差法调整破片和冲击波到达人体躯干前的时间顺序。研究发现冲击波先作用时损伤最严重，且对破片的速度衰减和轨迹偏差影响较小；同时，不同加载顺序对胸部壁速度和器官峰值应力也有不同影响45。
3. 炸药质量和爆炸距离对耦合效应的影响：研究炸药质量和爆炸距离对人体躯干机械响应的耦合效应。结果表明，在联合加载下，随着 TNT 炸药质量增加，骨骼峰值速度和非冲击区域器官应力增加；相同炸药质量时，随着比例距离增加，器官峰值应力减小。且联合加载（C 型）下器官的峰值应力大于单独冲击波加载（A 型）和单独破片加载（B 型）之和67。
4. 不同加载条件下损伤概率的对比分析：通过引入综合损伤概率模型，计算不同加载条件下人体胸部的损伤概率。结果显示，当 TNT 炸药质量不变时，单独冲击波加载（A 型）的损伤概率随比例距离增加而降低；联合加载（C 型）的损伤概率高于 A 型和 B 型加载之和，且差距随比例距离增大89。

研究结论和讨论部分指出，在现代战斗环境中，有限元模拟是研究爆炸创伤的重要方法。联合加载比单独冲击波加载导致更严重的胸部损伤，人体躯干的动态响应参数与器官位置、联合加载顺序、炸药质量和爆炸距离密切相关。冲击波先作用会使躯干材料产生预破坏效应，增加破片穿透的易损性。此外，研究还拟合了损伤概率与骨骼速度的数学模型，进一步验证了相关因素对胸部损伤的影响规律。该研究为揭示联合加载下人体损伤机制提供了重要依据，也为人员防护和评估提供了有价值的方法。