人体易损性建模及其评估技术研究

张金洋，温垚珂，陈　箐，王亚平，朱一辉，刘苏苏

(1.南京理工大学 机械工程学院，南京　210094； 2.第三军医大学 大坪医院野战外科研究所，创伤、烧伤与复合伤国家重点实验室，重庆　400042)



人体易损性建模及其评估技术研究

张金洋1，温垚珂1，陈箐2，王亚平1，朱一辉1，刘苏苏1

(1.南京理工大学 机械工程学院，南京210094； 2.第三军医大学 大坪医院野战外科研究所，创伤、烧伤与复合伤国家重点实验室，重庆400042)

摘要：考虑人体结构的复杂性、非均质性，提出了建立具有解剖学结构的人体组织几何模型及其相应的损伤评估算法。利用CVH数据集，应用Photoshop和Matlab建立了基本单位为2mm的立方体、包含123种人体主要组织器官，约652万个单元的高分辨率人体易损性模型。根据实验数据，建立了常规枪弹破片不同速度下侵彻人体形成典型瞬时空腔模型，提出了基于解剖学的损伤评估算法SDI、CDI和NISS。运用HVAssess人体易损性计算程序，获得了典型杀伤元侵彻人体时，各器官的损伤情况，并绘制了损伤分布图。结果表明具有解剖学结构人体易损性模型可用于枪弹、破片侵彻下人体损伤评估，评估结果可为轻武器弹药杀伤效能评价和人体防护设计提供依据。

关键词：易损性；人体组织模型；损伤；评估

1人体易损性模型建立

人体易损性模型由人体组织几何模型、典型瞬时空腔模型、损伤准则和评估算法构成。本文重点研究用于人体易损性研究的基于解剖学结构的人体组织几何模型建立和典型空腔模型建立。

1.1基于解剖学结构的高分辨人体几何建模

CVH数据集，即正常成年中国男性横断面切片，源于可视化中国人体切片数据集中的一例男性尸体。原始切片图像大小3 072 pix×2 048 pix，像素大小0.176 mm。为获得以2 mm为单位的单元组织代码，在保持原图尺寸不变的条件下，采用最邻近插值法nearest，将图像缩放为2 709 pix×1 806 pix，像素大小为0.2 mm。

1.1.1人体组织代码的提取

应用数字图像处理技术对原始图像(图1(a))进行预处理(增加对比度、边缘检测和提取、图像分割等)，完成组织器官的标识配色(图1(b))。

借助Matlab矩阵计算，利用rgb2gray函数将彩色图像转化为灰度图像，然后对图像每个10 pix×10 pix的区域内像素进行计算，获取颜色值大于50%的像素值，从而获得人体组织代码表(图1c)。该代码表实为一大小为270 pix×180 pix的二维矩阵，矩阵中的元素即为构成人体组织器官的代码，空白处的元素为图像背景，不包含任何组织器官。表1为部分代码与组织对应关系。

图1　典型人体头部切片处理过程

组织名称大脑脑部空腔脑脊液脑颅脑部肌肉组织代码N1N4N7B1M1

1.1.2人体模型建立

在国际节能减排的形势下，我国政府积极履行环境责任，减少碳排放量，提出到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降40%～45%的目标，这是我国第一次提出二氧化碳减排的量化指标，也是世界主要国家中第一个把碳减排与GDP指标挂钩的国家。实施绿色GDP的核算有利于将环境问题与GDP的核算相结合，减少碳排放，促进低碳经济的发展。

以下肢最后一张切片的左上角为坐标原点，切片宽度方向为X轴，切片高度方向为Y轴，身高方向为Z轴，按右手系建立坐标系。根据层间距和研究对象身高，选取了877张切片数据，利用1.1.1获得的组织代码表，建立了大小为270×180×878的三维矩阵，该矩阵即为本文所建立的基于解剖学结构的人体易损性模型的数据集，该矩阵中每个单元代表相应坐标下的人体组织，通过自编程的可视化建模程序，可获得各组织部位三维可视化模型。图2为1.1.1中图片所建立的模型，通过逐层叠加原理，建立了人体组织几何模型(图3)。

图2　头部切片对应模型

1.2典型空腔模型的建立

枪弹、破片等小质量高速投射物击中人体后，会在体内形成一个最大直径为投射物直径近十倍到几十倍的瞬时空腔[11-13](图4(a))。瞬时空腔会使人体组织器官压缩、撕裂，从而对器官造成损伤。本文所建立的最大空腔模型数据来源于典型枪弹、破片侵彻10%质量分数弹道明胶实验(表2)。为建模简便，对空腔形态做适当简化，假定步枪弹的瞬时最大空腔近似为一个球体、手枪弹的瞬时最大空腔近似为一圆柱、破片的瞬时最大空腔近似为一圆锥。程序根据表2中数据建立的典型投射物最大瞬时空腔模型(图4(b))。

图3　人体易损性模型

图4　典型投射物最大空腔模型

杀伤元入靶速度v/(m·s-1)空腔最大直径D/mm是否穿透圆锥角近似形状7.62mm步枪弹625185是/球体9mm手枪弹36081是/圆柱体4.8mm球形破片93976.2是8.5°圆锥体

2人体易损性评估算法

人体受枪弹、破片伤，其伤道一般包含多个人体器官组织，换句话说，每次命中人体，造成的损伤是多个器官组织。因此，提出了对每一个器官组织的损伤情况进行判定评估得到单个器官组织的损伤等级SDI (Single Damage Index)[14]；采用平方根，用综合损伤指数CDI(Comprehensive Damage Index)来表征单次杀伤的综合损伤情况。另外，参考医学对多发伤的评价，采用当前使用较为广泛的新损伤严重度评分来表征损伤评估 NISS (New Injury Severity Score)。

(1)单个器官受枪弹伤后损伤等级 SDI ，公式如下：

(1)

其中：

(2)

式中：F(i)为体积系数；ΔV(i)为第i组织的损伤体积；α为第i组织的临界体积系数；Vt(i)为第i组织的总体积；DMin(i) 为第i组织的最小损伤等级，可由损伤数据表查得；DMax(i) 为第i组织的最大损伤等级，可由损伤数据表查得。

SDI的范围为1～6，分别对应轻度伤、中度伤、较重伤、严重伤、危重伤和极重伤。

(2)综合损伤指数 CDI (Comprehensive Damage Index)

(3)

CDI 值越大，表示人体组织器官损伤越严重，反之，表示损伤越不严重。

(3)新损伤严重度评分NISS(NewInjurySeverityScore)

(4)

NISS 分值的范围从1～75。分值75可见于两种损伤情况：三个AIS分值都是5，或者一个AIS分值为6。只要有一个AIS分值为6，不论其他的损伤情况如何，其NISS分值就自动确定为75。当NISS<16时，为轻伤；NISS≥16时，为重伤，NISS≥25时，为严重伤。该方法可迅速判定单次杀伤人体损伤情况，实用性较强。

3算例

使用人体易损性评估程序HVAssess[X]，以∅4.8mm破片侵彻头部为例，程序运行界面如图5，计算并评估人体损伤情况。

图5　人体易损性评估软件界面

3.1初始条件设置

条件设置：杀伤元为∅4.8mm破片，着弹点坐标为(120，15，800)，入靶速度为1 051 m/s，战斗角色为：进攻5′。

3.2评估结果

通过计算可知，获得了头部损伤组织信息，包括头部组织损伤种类、损伤数目、形状等，输出伤道损伤单元可视化数据(6)，并依据易损性模型中的损伤准则和评估算法计算此次综合损伤指数CDI、损失严重度NISS(图7)，得到了人体损伤情况的定量描述，各组织详细损伤体积分布如表3。

图6　直径4.8 mm球形破片侵彻头部伤道

图7　评估结果

序号12345组织名称脑颅面颅颈椎1颈椎2椎间盘1损伤体积3924895150551055403序号678910组织名称大脑小脑脑干脊神经椎动脉损伤体积6254365369467序号1112131415组织名称颅内动脉颈内动脉颈外动脉颈总动脉颈静脉损伤体积4215075121605序号1617181920组织名称窦道系统咽喉面部肌颈部肌头部皮肤软组织损伤体积6642227562772623210644

3.3结果分析

由评估结果可知，破片命中杀伤人体面颌部位，损伤了多达20种组织。其中，包括致命性的大脑、脑干、小脑和颅内动脉，并且损伤体积较大，从而导致总体损伤非常严重。 CDI 计算结果为17.776 4，数值较大，也说明了损伤较为严重。 NISS 计算结果为75，主要是脑干、大脑、小脑的 SDI 都为6，直接判断为极重，计算结果与实际符合。

4结论

本文利用CVH数据集，建立了基于解剖学结构的高分辨率中国人人体组织几何模型、典型瞬时空腔模型；参考医学损伤评估，提出了基于解剖学的损伤评估算法 SDI 、 CDI 和 NISS 。依据人体损伤准则、评估算法进行枪弹、破片侵彻下人体各器官损伤分析。结果与实验数据具有可比性，与专家评估结果基本吻合。本文建立的基于解剖学结构的人体易损性模型可用于枪弹破片侵彻下人体易损性评估研究，评估结果可为武器杀伤效能评价，人体防护设计和生存力设计提供依据。同时，通过建立其他杀伤元(如冲击波)损伤等级与器官损伤之间的映射关系，该模型亦可作为其他杀伤元人体易损性研究。

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(责任编辑杨梅梅)

本文引用格式：张金洋，温垚珂，陈箐，等.人体易损性建模及其评估技术研究[J].兵器装备工程学报，2016(4):165-168.

Citation format:ZHANG Jin-yang, WEN Yao-ke, CHEN Jing, et al.Study on Human Vulnerability Modeling and Assessment Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):165-168.

Study on Human Vulnerability Modeling and Assessment Technology

ZHANG Jin-yang1, WEN Yao-ke1, CHEN Jing2,WANG Ya-ping1, ZHU Yi-hui1, LIU Su-su1

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2. State Key Laboratory of Trauma, Bums and Combined Injury, Institute of Surgery Research, Daping Hospital,Third Military Medical University, Chongqing 400042, China)

Abstract:Considering the complexity and heterogeneity of human anatomy, human body vulnerability model with anatomical structures and assessment algorithm was proposed. Based on the CVH (Chinese Visible Human) data set and using Photoshop and Matlab, high-resolution model of human vulnerability was constructed. It contains 123 kinds of human tissues and about 6.52 million cube units which length is 2 mm. Based on experiment data, the typical cavity model of bullet penetrating body at different speeds was established. Injury assessment algorithm SDI, CDI and NISS were proposed. Using the vulnerability calculation program HVAssess, injury level and distribution diagram of organs was obtained when typical kill elements penetrate body. The result shows that human body vulnerability model with anatomical structural could be used to human body injury assessment under bullets and fragments penetrating. Assessment results could provide a basis for weapon effectiveness evaluation, human body protection design and survivability design.

Key words:vulnerability; human tissue model; injury; assessment

文章编号：1006-0707(2016)04-0165-04

中图分类号：TP391.1

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.039

作者简介：张金洋(1990—)，男，硕士，主要从事基础理论与应用研究。

基金项目：国家自然科学基金(11502119)

收稿日期：2015-11-12；修回日期：2015-11-30

【军事医学与卫生装备】