冲击波作用有/无防护颅脑靶标动态响应规律

熊漫漫， 覃彬， 徐诚， 安硕， 伍杨,

(1.南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094；2.中国兵器工业第208研究所 瞬态冲击技术重点实验室， 北京 102202)

0 引言

冲击波致创伤性脑损伤(bTBI)，又称冲击波脑损伤，是指由爆炸性武器、武器发射产生的冲击波直接导致的脑损伤。颅脑作为人体重要的中枢神经系统和生存维持敏感器官，其损伤直接影响士兵作战能力。爆炸和膛口冲击波引起的颅脑损伤已经成为现代战场单兵的主要致伤形式，但相关的致伤机理和防护理论尚不明确。开展冲击波作用下颅脑响应研究，明确冲击波致脑损伤机制，对于单兵防护装备研发、士兵作战能力提升意义重大。

国内外学者针对冲击波致颅脑损伤已经开展了大量研究，并提出了几种致伤机制。有人认为冲击波会通过颅骨腔隙或眼窝、筛骨、枕大孔等空洞直接进入脑组织，或者通过颅骨透射进入脑组织，引起脑组织位移和形变而产生损伤；另外，冲击波进入颅骨和脑组织，压缩波在颅骨处反弹，在脑脊液和组织内形成拉伸波，颅脑组织材料的非对称性形成剪切波，由压缩波、剪切波协同作用造成脑组织损伤，以及冲击波引起声阻抗失谐，导致脑组织中冲击泡沫效应。很多人还认为冲击波在低阻抗的边界反射产生负的拉伸波，随着脑脊液产生空化与湮灭，形成局部高压点，造成脑组织损伤。栗志杰等在开展爆炸冲击波作用颅脑损伤机理数值分析时建立爆炸冲击波作用头部流- 固耦合模型，分析了头部在正面冲击工况下流场压力分布、脑组织压力、颅骨变形与加速度等动态响应过程，构建了颅骨局部弯曲变形与脑组织压力之间的内在联系。Neveen等开展冲击波作用模拟颅骨靶标动态响应测试研究，通过在颅脑靶标上布排不同类型的传感器获得了冲击载荷下加速度、颅内压分布、颈部弯曲角度等动态响应参数。Ganpule等开展冲击波作用颅脑动态响应的数值仿真和试验研究，试验使用RED仿真假人作为颅脑靶标，以激波管发射冲击波，对颅骨变形和颅内压力进行分析，认为颅骨弯曲和组织空化是可能的损伤机制。以往主要通过数值仿真和激波管试验模拟冲击波作用颅脑，获得一维冲击波作用下的颅脑响应。考虑到实际作战中冲击波复杂工况，这两种方法并不能完全反映真实工况下颅脑响应特性。

为探究真实工况下颅脑动态响应特性，本文开展单兵火箭弹膛口冲击波作用有/无防护情况下颅脑靶标试验研究，分析颅内不同位置的压力特性和演化历程，以及防护对颅内压力特性的影响规律。

1 试验方法

1.1 颅脑模拟靶标

颅脑模拟靶标主要包括颅骨模型、模拟脑组织、防弹头盔。其中颅骨模型为可拆卸医学模型，由PVC材料制成，结构尺寸1∶1模拟真实人颅骨，头盖骨可拆卸安装，以便于提前布排传感器及后期浇注模拟脑组织，如图1所示。模拟脑组织为质量分数10%的弹道明胶，明胶制作方法参考文献[18]，以浇注形式与颅骨模型复合。浇注完成后，对颅骨模型拆卸缝隙处作热熔胶封处理。头盔为03式头盔，无头盔颅脑靶标编号为AU，带头盔颅脑靶标编号为AC。表1所示为颅脑靶标不同测点编号。

表1 颅脑内压力测点编号Table 1 Measurement points for intracranial pressure

图1 颅脑模拟靶标Fig.1 Head surrogate

1.2 传感器及其安装固定方法

根据颅内压力的典型分布特征以及脑组织不同区域对冲击的敏感特性,颅脑模拟靶标内安装4个KISTLER IEPE型壁面压力传感器，分别位于大脑前额、大脑后枕、小脑、脑干位置，如图2所示。其中前额处传感器敏感面朝向额骨，距离额骨距离 1 cm 左右；后枕处传感器敏感面朝向枕骨，距离枕骨 1 cm 左右；小脑处传感器敏感面朝向顶骨侧面，距离顶骨侧面4 cm左右，两个颅脑模拟靶标的小脑处传感器关于中线对称放置；脑干处传感器朝向脑组织内部。传感器提前使用金属铝支架固定在颅脑内部，然后将固定好传感器的颅骨与头盖骨装配好，使用保鲜膜缠紧密封，并仅保留进胶口。然后将制备好的弹道明胶溶液冷却一段时间后，浇灌于颅骨模型中，并将靶标置于4 ℃保温箱中保温，至试验前将颅脑模拟靶标从保温箱中取出。

图2 传感器安装Fig.2 Sensor layout

1.3 试验方法

试验系统包括冲击源、颅脑模拟靶标、传感器、数据采集系统、三角支撑架。其中冲击源为单兵火箭弹发射器，构建图3所示模拟火箭弹发射工况下冲击波入射火箭手颅内压力测试系统，图4为试验现场图。两个颅脑模拟靶标用三角支撑架固定，三角支撑架高度可调节。其中一个靶标佩戴防弹头盔，另一个不佩戴头盔，分别置于单兵火箭筒两侧，并与单兵火箭筒高度齐平，模拟火箭弹发射时的冲击波入射方向。冲击源与颅脑模拟靶标距离通过移动三角支撑架调节。

图3 试验布置图Fig.3 Test setup

图4 试验现场Fig.4 Test site

2 结果与讨论

2.1 颅脑内压力分布特性

图5～图9所示为膛口冲击无防护颅脑内不同位置压力时程曲线。从图5～图9中可以看出：颅脑内超压上升速度较慢，持续时间较长，时程曲线表现出非典型冲击波特征；冲击波正压先到达P2-AU，然后到达P3-AU、P4-AU，其次到达P1-AU，主要是由颅脑靶标位置在膛口冲击波发射场相对位置和冲击波场特性决定；P1-AU、P2-AU、P4-AU压力曲线表现出正负压交替振荡效应，且随时间振幅逐渐降低，振荡周期为1 ms左右；后枕处的颅骨在冲击波作用下发生变形并引起局部振动，该处的局部变形振动会沿着颅骨传播，从而使冲击波源由后枕处的“单一波源”逐步发展为整个颅骨的“多处波源”，这些波源共同决定脑组织压力的演化历程；颅骨变形引起的不断内凹和外凸致使脑组织沿着颅骨内表面出现拉伸、压缩交替状态，即正负压交替。另外研究表明，爆炸冲击波致使颅骨发生的局部高频振动，其频率与该处脑组织压力的波动频率相一致，即压力振荡与冲击波在颅内复杂传播反射路径以及颅骨自身振动频率有关。

图5 膛口冲击无防护颅脑压力曲线Fig.5 Intracranial pressure with armour uncovered

图6 膛口冲击无防护颅脑压力曲线(P1-AU)Fig.6 Intracranial pressure with armour uncovered (P1-AU)

图7 膛口冲击无防护颅脑压力曲线(P2-AU)Fig.7 Intracranial pressure with armour uncovered (P2-AU)

图8 膛口冲击无防护颅脑压力曲线(P3-AU)Fig.8 Intracranial pressure with armour uncovered (P3-AU)

图9 膛口冲击无防护颅脑压力曲线(P4-AU)Fig.9 Intracranial pressure with armour uncovered (P4-AU)

对比不同位置的压力特征，P1-AU位于冲击对侧，压力曲线以负压开始，主要是因为冲击波引起颅骨和脑组织沿着冲击方向位移，由于颅骨与脑组织的惯性力差异，颅骨加速度明显大于脑组织加速度，前额颅骨的运动位移大于脑组织运动位移，使得脑组织产生相对拉伸位移，脑组织处于拉伸状态，形成负压。随后正压到达，形成正负压交替振荡，即负压- 正压- 负压，且振幅逐渐降低。而P2-AU和P4-AU位于冲击侧，压力曲线均以正压开始，初始正压之后出现压力振荡，即正压- 负压- 正压，且振幅逐渐降低。而P3-AU以持续正压为主，且振幅较低，主要由于脑干位于颅脑靠近中心位置，与颅骨不接触，负压拉伸效应较低。

表2为3次试验P1-AU两个振荡周期内的压力峰值与冲量对比。由表2可知：第1个振荡周期内负峰值压力平均值为-38.007 kPa，标准偏差17.512%，而冲量平均值为-8.031 Pa·s，标准偏差5.849%；第1个振荡周期内正峰值压力平均值为53.681 kPa，偏差15.381%，而冲量平均值为15.304 Pa·s，标准偏差2.974%。对比压力峰值和冲量的标准偏差，冲量值相对稳定，更能反映颅脑内压力动态响应特性。表3为3次试验颅脑不同位置的超压峰值，可见超压峰值前额>脑干>后枕>小脑；脑组织不同位置，压力峰值差异显著，但冲量大小比较接近。结果表明，冲击对侧除了表现出显著的负压特征，其正压力峰值也超过冲击侧近1倍。因此若以压力响应来评估颅脑损伤程度，则冲击对侧的损伤程度可能超出冲击侧，与已有研究中对冲伤致伤机制是一致的。

表2 P1-AU大脑前额压力特性Table 2 Pressure characteristics of P1-AU brain (forehead)

表3 无防护颅脑不同位置压力特性Table 3 Intracranial pressure of different points with armour uncovered

2.2 防护具对颅脑压力特性影响规律

2.2.1 有防护颅脑内压力分布特性

图10～图14所示为膛口冲击下有防护颅脑内不同位置压力时程曲线。由图10～图14可见：颅脑内超压上升速度较慢，持续时间较长，时程曲线表现出非典型冲击波特征；冲击波正压几乎同时到达P2-AU、P3-AU和P4-AU，其次到达P1-AU，正压起始时间比其他位置延迟0.5 ms左右，主要由于P1-AU位于冲击对侧；对比不同位置的压力特征，P2-AU、P3-AU、P4-AU在初始正压之后出现压力振荡，即正压- 负压- 正压，振荡周期1 ms左右；P1-AU压力波动曲线区别于其他位置，出现正压高位振荡，起始一段时间内未表现出明显的负压特性。

图10 膛口冲击有防护颅脑压力曲线Fig.10 Intracranial pressure with armour covered

图11 膛口冲击有防护颅脑压力曲线(P1-AC)Fig.11 Intracranial pressure with armour covered (P1-AC)

图12 膛口冲击有防护颅脑压力曲线(P2-AC)Fig.12 Intracranial pressure with armour covered (P2-AC)

图13 膛口冲击有防护颅脑压力曲线(P3-AC)Fig.13 Intracranial pressure with armour covered (P3-AC)

图14 膛口冲击有防护颅脑压力曲线(P4-AC)Fig.14 Intracranial pressure with armour covered (P4-AC)

表4所示为3次试验有防护颅脑不同位置的超压峰值。由表4可见：大脑后枕、小脑、脑干3处的超压峰值比较接近，均为30 kPa左右，均大于冲击对侧P1-AC大脑前额处的压力峰值，但冲量大小略有差异，大脑前额>大脑后枕>小脑>脑干，即有防护后颅脑冲击侧的压力峰值大于冲击对侧，但冲量小于冲击对侧。

表4 有防护颅脑不同位置压力特性Table 4 Intracranial pressure of different points with armour covered

2.2.2 头盔防护对颅脑压力特性影响规律

图15～图18所示为有/无防护颅脑不同位置压力时程曲线对比，可见二者有显著差异，一是表现在曲线趋势差异较大，带头盔后前额的负压区消失，正压峰值和冲量显著降低，同时“负压- 正压- 负压”振荡趋势消失。表5所示为头盔对颅脑不同位置压力衰减特征对比。由表5可见：带头盔后大脑后枕的压力时程曲线趋势几乎不变，正压幅值没有显著降低；带头盔后小脑出现显著的正压峰值增强；带头盔后脑干处压力时程曲线趋势没有明显变化，同时压力峰值也没有显著降低。总体看来，头盔对于脑组织内不同位置的压力衰减幅度并不相同，甚至有可能有增强效果。带头盔后冲击对侧颅脑区域压力峰值和冲量衰减较明显，并且会削弱或抑制负压效应，而对冲击侧颅脑区域衰减不明显，甚至有个别区域颅脑压力峰值有一定增强。考虑头盔的设计结构可能会对冲击波具有汇聚增强的效果，因此在防护头盔设计时除了要满足抗弹需求还应考虑防冲击波。

图15 膛口冲击下有/无防护压力对比(大脑前额)Fig.15 Intracranial pressure curves with armour covered/uncovered (cerebrum forehead)

图16 膛口冲击下有/无防护压力对比(大脑后枕)Fig.16 Intracranial pressure curves with armour covered/uncovered (cerebrum occiput)

图17 膛口冲击下有/无防护压力对比(脑干)Fig.17 Intracranial pressure comparison curves with armour covered/uncovered (brainstem)

图18 膛口冲击下有/无防护压力对比(小脑)Fig.18 Intracranial pressure comparison curves with armour covered/uncovered (cerebellum)

表5 防护后不同部位压力衰减特征对比Table 5 Pressure attenuation at different points with armor covered %

3 结论

本文通过开展单兵火箭弹膛口冲击波作用有/无防护下颅脑靶标试验，分析了颅内不同位置的压力特性和演化历程，并对比了有/无防护下颅脑内压力变化，给出了防护对颅脑内压力特性影响规律。得出以下主要结论：

1)膛口冲击无防护颅脑内超压上升速度较慢，持续时间较长，时程曲线表现出非典型冲击波特征，并表现出正负压交替振荡效应，振荡周期为1 ms左右，压力振荡与冲击波在颅内复杂传播反射路径以及颅骨自身振动频率有关。

2)膛口冲击无防护颅脑内不同位置，压力峰值差异显著，冲击对侧表现出显著的负压特征，其正压峰值超过冲击侧近1倍，但不同位置的冲量大小比较接近。

3)带头盔后冲击对侧颅脑区域压力峰值和冲量衰减较明显，并且会削弱或抑制冲击对侧的负压效应，而冲击侧颅脑区域衰减不明显，甚至有部分区域颅脑压力峰值有一定增强，即头盔防护后颅脑内不同位置的压力衰减率差异显著，在头盔防护设计时应综合考虑。