不同弹体结构步枪弹致长白猪防弹衣后损伤特点观察

王凌青，赖西南，张波，苏正林，黄艺峰，王丽丽

不同弹体结构步枪弹致长白猪防弹衣后损伤特点观察

王凌青，赖西南，张波，苏正林，黄艺峰，王丽丽

目的研究弹体结构对防弹衣后损伤的影响。方法健康雄性长白猪10只，按所用枪弹类型的不同随机分为56式7.62mm步枪弹组(n=5)及SS109 5.56mm步枪弹组(n=5)。通过减装药的方式将两种步枪弹动能调整至基本一致(约1880J)，射击NIJ Ⅲ级陶瓷防弹板+软Ⅱ级警用防弹衣防护下的长白猪左锁骨中线4～5肋间，射击距离25m，观察动物损伤情况。另取2只健康雄性长白猪，于心前区皮下软组织内及颅内放置生物力学传感器，测试防弹衣保护下两种步枪弹命中瞬间各部位压力变化，分析压力与损伤的关系。结果伤后两组动物血氧饱和度无明显变化，呼吸、心率加快，股动脉收缩压升高，但组间比较差异无统计学意义。大体解剖可见局部脏器损伤以心、肺钝性挫伤为主。肺脏出血面积7.62mm组为6.00%±3.18%，明显高于5.56mm组(3.59%±2.11%，P＜0.05)。镜下观察可见肺组织、心肌组织及脑皮质神经元急性损伤。伤后3h两组动物血浆肌钙蛋白T(TnT)含量、肌酸激酶(CK)及肌酸激酶同工酶(CK-MB)活性均上升，且7.62mm组上升幅度高于5.56mm组(P＜0.05)。生物力学测试显示命中瞬间心前区软组织及颅内压力升高，且7.62mm组高于5.56mm组(P＜0.05)。结论不同弹体结构步枪弹击中有防护的长白猪心前区时生物力学响应及致伤特点不同。研究弹体结构对防弹衣后钝性伤的影响对战场针对性救治、武器及防具设计具有重要意义。

防弹衣；钝性损伤；弹体结构；生物力学

在现代战场上，防弹衣、防弹头盔的广泛应用极大地降低了士兵的死亡率。但近年来研究发现，虽然防弹装具能有效地阻止弹丸进入体内，但由于胸廓与防弹材料的距离有限，防弹材料的变形挤压与压力波传递仍可能导致弹着点下脏器钝性损伤及远达脑损伤，这种损伤被称为防弹衣后钝性损伤(behind armor blunt trauma，BABT)[1]。自Shepard等[2]1969年报道了第1例防弹衣后损伤致死的案例以来，防弹衣后钝性损伤一直是创伤弹道学研究的热点。

以往的投射物穿透性损伤效应研究证实，弹体结构不同的弹丸在击中机体时能量释放的方式不同，所致的损伤特点也不同，子弹的致伤力不仅与能量相关，也与弹丸的物理特性有关[3]。但不同弹体结构的弹丸击中防弹衣后的能量传递过程、机体生物力学响应特点目前尚不明确，研究弹体结构不同但能量相似弹丸的防弹衣后钝性损伤特点及生物力学改变，对战场针对性救治、新型武器及防具的开发具有重要意义。

1 材料与方法

1.1实验动物及分组 健康成年雄性长白猪12只，体重50kg左右，由大坪医院野战外科研究所实验动物中心提供。选取其中2只行生物力学测试，其余10只随机分为SS109 5.56mm步枪弹组(5.56mm组，n=5)、56式7.62mm步枪弹组(7.62mm组，n=5)。

1.2致伤弹种及防护材料 ①致伤弹种：通过减装药的方式将两种不同弹体结构的步枪弹调整为动能基本一致，其中56式7.62mm步枪弹弹头质量7.9g，射速690m/s，动能1880J，SS109 5.56mm步枪弹弹头质量4.0g，射速890m/s，动能1802J。②防护材料：陶瓷防弹插板硬质防弹衣和警用Ⅱ级46层高分子聚乙烯材料。防弹插板的防护等级为NIJⅢ级，其构成为氧化铝陶瓷(4.2mm)加高分子聚乙烯板(16mm)，厚度为20.2mm，编号DC3-4。软式防弹衣为高分子聚乙烯材料，防护等级为GA141-2001Ⅱ级，材料为UDPE-SB21，厚度为16mm，编号FDC-090004q。

1.3损伤效应观察 5.56mm组及7.62mm组动物采用3%戊巴比妥钠经耳缘静脉注射麻醉，右侧股动脉插管，接三通管用于实验中追加麻醉药、采血和进行有创动脉血压监测。动物胸前模拟覆盖警用软式防弹衣(内层)及硬质防弹插板(外层)，妥善固定使之与胸廓紧密贴合，在室内靶道距离25m处分别用两种步枪弹进行射击，瞄准点为左锁骨中线4～5肋间隙(心前区)。持续监测致伤前后心电图、股动脉压、血氧饱和度、心率及呼吸变化。取伤前及伤后0.5、1、2、3h动脉血，离心取上清，检测心肌损伤标志物肌钙蛋白T(TnT，酶联免疫吸附法)、肌酸激酶(CK，酶偶联法)及肌酸激酶同工酶(CKMB，免疫抑制法)水平，所需试剂盒均购自南京建成生物技术公司。伤后3h放血处死动物，观察心、肺、脑的大体形态改变，分离肺脏行腹侧、背侧拍照，采用PhotoShop CS3软件圈选肺脏出血部位，计算出血部位像素值占全肺像素值的比例(即肺脏出血面积占肺脏表面积比例)。动物解剖后取距离防弹衣后凸撞击部位＞5cm处心、肺组织块，多聚甲醛固定，石蜡包埋、切片，HE染色，光镜下观察病理组织学变化。

1.4生物力学测试 动物采用3%戊巴比妥钠经耳缘静脉注射麻醉，右侧股动脉插管，接三通管用于试验中追加麻醉药，并放置生物力学传感器。①体表压力传感器(113B24，PCB Piezotronics Inc.，美国)：在左腋中线5～6肋间皮下(距瞄点10cm)、左腋后线7～8肋间皮下(距瞄点15cm)、左腋后线9～10肋间皮下(距瞄点20cm)放置压力传感器，感受面均面向预定瞄点；②颅内压力传感器[EZM-093-500(sg)，安徽赛英科技公司]：置于左顶叶脑实质内0.5cm，感受面面向枕部(距瞄点34cm)。传感器放置完毕后，在与1.3相同条件下对动物进行射击，记录不同弹种撞击瞬间各传感器压力峰值。同一部位重复射击，每个弹种至少取得有效数据5发，所获压力数据采用Flexpro 6.0软件进行处理。

1.5统计学处理 采用SPSS 18.0软件进行统计分析，数据结果以±s表示，两组间比较采用Student'st检验；重复测量数据采用一般线性模型(General Linear M odel)的重复测量方差分析(Repeated Measures ANOVA)。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

所有动物致伤后均存活，防弹板未被击穿，但迎弹面陶瓷破碎，背弹面局部后凸变形，其中7.62mm组后凸高度为5.00±2.29mm，明显大于5.56mm组(4.13±0.98mm，P＜0.05)。弹头与防弹板碰撞后外壳破碎，弹芯镦粗变形。弹着点下局部皮肤形成圆形苍白区及环形红晕区，但皮肤连续性存在；苍白区面积与防弹板后凸高度有关。

2.1一般生命体征变化 7.62mm组动物伤后即刻呼吸、心率加快，股动脉收缩压升高，至伤后3h尚未恢复至伤前水平，血氧饱和度较伤前无明显变化。5.56mm组动物伤后即刻呼吸频率减慢，5m in后逐渐加快直至伤后3h，而从伤后即刻开始心率加快、股动脉收缩压升高，至伤后3h尚未恢复至伤前水平，血氧饱和度较伤前无明显变化。

2.2大体解剖观察 局部脏器损伤主要表现为心肌挫伤、肺挫伤(图1)。其中7.62mm组肺脏可见点状出血(1/5)、片状出血(4/5)、出血伴肝样实变(2/5)，而5.56mm组表现为点状出血(1/5)和片状出血(4/5)；7.62mm组心脏损伤表现为心内膜点状出血(2/5)、二尖瓣出血(2/5)、三尖瓣出血(1/5)、心外膜出血(1/5)，5.56mm组表现为心内膜点状出血(2/5)及二尖瓣出血(3/5)；两组各有1只动物出现蛛网膜下隙出血。肺脏出血面积百分比7.62mm组为6.00%±3.18%，5.56mm组为3.95%±2.11%，组间比较差异有统计学意义(P＜0.05)。

2.3病理组织学改变 病理标本取材均远离防弹衣后凸撞击部位(＞5cm)，但仍可见较明显的心肌纤维断裂、心肌出血、肺泡破裂、肺间质出血及渗出，其中肺组织病理改变较为明显(图2)。

2.4心肌损伤标志物 两组伤后6h血浆TnT表达及CK、CK-MB活性均较伤前显著上升，其中7.62mm组上升幅度明显高于5.56mm组，差异有统计学意义(图3)。

2.5心前区软组织及颅内压力测试 同一弹种击中时心前区软组织压力随距弹着点距离增加而下降，差异有统计学意义(P＜0.05)。在距弹着点距离相同时，7.62mm组心前区软组织压力明显高于5.56mm组(P＜0.05，图4)。步枪弹击中心前区瞬间颅内压力升高，其中7.62mm组左顶叶压力为303.33±20.81kPa，明显高于5.56mm组(180.67±37.86kPa)，差异有统计学意义(P＜0.05)。

图1 不同致伤组伤后脏器损伤情况Fig. 1 Organs injury in different groups

图2 不同致伤组伤后脏器显微病理损伤情况Fig. 2 Microscopic pathological injury after organ injury in different groups

图3 伤后3h心肌损伤标志物变化Fig. 3 Difference of myocardial injury markers 3h after injured

图4 心前区软组织压力比较Fig. 4 Comparison of precordial pressure on soft tissue

3 讨 论

现有研究表明，高速投射物击中有效防护的动物胸部，可导致弹着点下局部脏器钝性损伤及远达脑损伤[4-6]。本实验观察到了明确的防弹衣后局部脏器损伤，主要表现为肺脏、心脏的钝性挫伤。肺脏出血以点、片状出血为主，损伤率100%，出血面积7.62mm组大于5.56mm组。肉眼观察出血主要累及防弹衣后凸撞击部位，显微镜下观察在距离肉眼可见损伤区较远的位置仍存在肺间质出血及渗出，这可能与弹道压力波对含气脏器的冲击有关[7]。心脏损伤肉眼观察可见累及心内膜、二尖瓣膜、三尖瓣膜，以点状出血为主，偶见心外膜出血及心包积血。致伤3h后，心肌损伤标志物CK、CK-MB、TnT表达特异性升高，且7.62mm组升高幅度大于5.56mm组，提示存在心肌损伤且损伤程度7.62mm组高于5.56mm组[7]。防弹衣后远达脑损伤主要表现为蛛网膜下隙出血，总体损伤率20%。

Shen等[8]认为防弹衣的变形挤压与压力波是导致防弹衣后损伤的主要因素。本实验中，局部压力最大的点应为弹着点下方，但因传感器因素，此处压力实际上无法准确测量。根据在距离弹着点较远位置(10、15、20cm)测得的压力数据进行回归分析，可以推测弹着点局部压力峰值在4000～5600kPa。高频震动的压力波可引起脏器局部的结构破坏[1,4-5]，且这种压力可通过血管传递、骨性传递等到达颅内，引发创伤性脑损伤[6]，本实验测得颅内压力升高在160～320kPa。

本实验通过减装药的方式将两种不同弹体结构的步枪弹初始动能调整至基本一致，但因弹体结构不同，弹头飞行姿态不同，与防弹材料高速碰撞时的能量释放方式也不同，导致动物局部软组织压力及颅内压上升程度不同，从而形成不同的损伤特点。在动能一致的情况下，弹体结构不同导致的能量传递差异是损伤特点不同的根本原因。SS109 5.56mm步枪弹采用铅芯、背甲式结构，弹头质量较小，初速度较高。在侵彻损伤中因铅芯易破碎及弹头易翻滚等可造成较大的瞬时空腔及永久伤道。但在非侵彻损伤中，因铅芯质地较软在击中防弹板后弹丸头易钝粗变形，消耗能量较多，用于穿透防弹材料的能量较少，所以致伤较轻。56式7.62mm步枪弹采用钢芯、铅套、背甲式结构，钢芯质地较硬，在击中防弹板后不易镦粗变形，消耗能量较少，用于穿透防弹材料的能量较多，这可能是导致能量传递差异的原因。

Viano等[9]通过胸部钝性损伤黏性效应模型研究发现，当胸廓压缩发生在一个很短的时间里，胸腔内器官不能及时地通过变形来抵消外力，此时小的胸廓变形就能引起胸腔组织和器官产生严重损伤。在防弹衣后损伤中防弹板后凸变形挤压所致的胸廓变形较小(4～5cm)，但作用时间很短，胸廓变形速率较高，故防弹板挤压胸廓快速变形也是引发损伤的重要机制。本实验侧重于压力波传递对损伤的影响，对于防弹板变形挤压胸廓的机制尚需进一步研究。

总之，在动能一定的前提下，不同弹体结构的弹丸射击防弹板时能量释放方式是不同的，所致损伤也存在差异。研究不同弹体结构子弹所致防弹衣后损伤特点及其机制对战场的针对性救治及武器防具的开发设计均具有一定指导意义。

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Characteristics of behind armor blun t trauma produced by bullets with different structural materials: an experimental study

WANG Ling-qing, LAI Xi-nan*, ZHANG Bo, SU Zheng-lin, HUANG Yi-feng, WANG Li-li
Research Institute of Surgery, Daping Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400042, China
*

, E-mail: laixinan@163.com
This work was supported by the “Twelfth Five-Year Plan” Medical Science Development Foundation of PLA (AWS12J002)

ObjectiveTo investigate the effect of structural materials of bullets on behind armor blunt trauma (BABT). MethodsTen healthy male Landraces were random ly divided into two groups (5 each): 56 type 7.62-mm rifle bullet group and SS109 5.56-mm rifle bullet group. The kinetic energy of two types of bullets was adjusted to the same level (about 1880J) by the way of grow downwards gunpowder. Then the animals as protected with both grade NIJ Ⅲ ceram ic hard armor and grade Ⅱ police soft body armor, were shot at the left midclavicular line of fourth intercostal space (shooting distance was 25m). The damage to the animals was observed. Other 2 healthy male Landraces were selected, and biomechanical sensor was subcutaneously implanted into the soft tissue in precordium and intracalvarium to detect the pressure at the time point of bullet contact under the protection of armor, and the relationship between pressure and damage was analyzed.ResultsRespiration, heart rate and systolic arterial pressure of animals in two groups were all elevated after injury, but there was no significant difference between the two groups. No obvious change was found on blood oxygen saturation of both groups. Gross anatomy showed the predominant local injury was cardiac and pulmonary contusions. The area of pulmonary hemorrhage of 7.62mm group was 6.00%±3.18%, significantly higher than that of 5.56mm group (3.59%±2.11%,P＜0.05). Histopathological examination revealed acute injuries of lung tissues, myocardial tissue and cerebral cortical neurons. The contents of cardiac troponin T (TnT), creatine kinase (CK) and creatine kinase-MB (CK-MB) isoenzyme were all increased 3 hours after injury, and the rise was higher in 7.62mm group than in 5.56mm group (P＜0.05). Biomechanical testing showed the pressure of precordium and intracalvarium was elevated at the moment of bullet contact, and the rise was higher in 7.62mm group than in 5.56mm group (P＜0.05).ConclusionsThe biomechanical response and injury characteristics are different of rifle bullets with different structural materials shooting at protected precordium in Landrace. Research of the effect of bullet structural materials on BABT may make a significant contribution to the treatment in battlefield and design of weapon and armor.

armor vest; blunt trauma; bullet body structure; biomechanics

R826.51

A

0577-7402(2013)07-0601-04

2013-01-16；

2013-06-08)

(责任编辑：胡全兵)

全军“十二五”医学科研重点项目(AWS12J002)

王凌青，硕士研究生。主要从事创伤弹道学方面的研究

400042 重庆 第三军医大学大坪医院野战外科研究所(王凌青、赖西南、张波、苏正林、黄艺峰、王丽丽)

赖西南，E-mail：laixinan@163.com