爆炸冲击波作用下人体肺部的损伤*

2022-12-21杨剑波姚李刚何洋扬吕华溢唐吉思许述财张金换

爆炸与冲击 2022年12期

王波，杨剑波，姚李刚，何洋扬，吕华溢，唐吉思，许述财，张金换

（1. 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；2. 中国人民解放军32184 部队，北京 100093）

随着战争形式的改变，爆炸伤已成为现代战争的典型创伤，美军在伊拉克和阿富汗战争中78%的伤亡与爆炸相关[1]。肺部是爆炸冲击波的主要靶器官，肺部损伤也是爆炸伤致死的关键因素[2-3]。黄建钊等[4]和Boutillier 等[5]已开展了关于肺部爆炸伤的研究，但相关研究主要基于生物效应试验，由于动物生理构造与人类差异巨大，通过该类研究较难获得人体胸部各器官的真实响应。周杰等[6-7]建立了胸部模型，基于有限元方法研究了肺部爆炸损伤，但模型过于简化，得到的损伤响应有限。

肺部爆炸损伤评价方法主要有Bowen 损伤曲线[8]、Axelsson 模型[9]及Stuhmiller 模型[10]，3 种方法均需测量作用于胸部的冲击波压力值，再通过与损伤曲线比较或计算损伤指标得到损伤等级。但当穿着个人防护装备时，由于胸部与防护装备直接接触，安装于胸部表面的压力传感器会受到挤压，很难准确测量经防护装备衰减后的冲击波压力，因此无法使用上述方法进行损伤评估。美国NIJ 0117《公共安全排爆服标准》[11]在评价排爆服防护性能时对人体损伤不做考核，因为该标准认为目前尚无成熟、可靠的评价方法。

针对上述问题，本文中基于人体有限元模型，建立人体-爆炸流场数值模型，获得胸部整体的冲击响应，阐明肺部爆炸伤的主要致伤机制；通过改变爆炸当量和距离，得到不同肺部损伤等级，验证常见的胸部损伤指标能否评价爆炸伤，提出不依赖冲击波压力的肺部爆炸损伤评价指标。

1 模型建立

利用LS-DYNA 求解器进行计算，软件版本为R8.1.0 单精度并行版。为获得胸部的完整响应过程，计算时长为50 ms。单元及节点信息输出频率为50 kHz。

1.1 人体有限元模型

选用GHBMC 人体有限元模型，版本号为M50-P-v1.6，人体质量为78 kg，身高为174.9 cm，保持站立姿势。该模型具有详细的解剖学结构，胸部结构包括胸骨、肋（软）骨、胸椎、肺脏、心脏等器官。可输出上述器官的应力及运动信息，用于肺部损伤评价。胸部上方通过颈椎及肌肉等与头部连接，胸部下方通过横膈膜与腹腔脏器接触。图1(a)为整个人体有限元模型，图1(b)为胸部模型，图1(c)为胸部S-S横截面切面。本文中使用整个人体有限元模型进行分析，数值模拟结果已包含头颈部及腹部对胸部损伤的影响，可获得较真实的胸部响应。

图1 有限元模型Fig. 1 Finite element model

GHBMC 人体有限元模型的肺脏采用实体单元网格，使用Vawter[12]提出的肺组织本构模型，其应变能密度函数如下：

式中：I1和I2为应变不变量，Δ=0.1 mm，C0/Δ=11.15 kPa，C1/Δ=10.02 kPa，α=0.213，β=-0.343，C2=2.04。肺组织的密度为288 kg/m3，体积模量为2.66 MPa。

1.2 爆炸流场模型

爆炸流场包括炸药和空气，采用欧拉网格，欧拉域尺寸为3 m×3 m×2.5 m，将人体模型全部包含在欧拉域内。炸药为梯恩梯（TNT）球形装药，炸药距地面高度为1.35 m，与人体胸骨处于同一高度位置，如图1(a)所示。

对TNT 炸药采用Jones-Wilkins-Lee (JWL)状态方程[13]：

使用刚性面模拟地面，位于人体足部下方，与鞋跟接触。将整个人体模型与爆炸流场之间定义耦合作用，选择罚函数耦合算法。在欧拉域外表面设置无反射边界条件。将胸骨对应的胸部表皮受到的爆炸载荷输出，用于肺部损伤评价。

2 模型验证

基于本文中构建的有限元模型，以爆炸事故为边界条件开展数值模拟。输出人体胸部受到的爆炸载荷，结合Axelsson 损伤模型[9]判定肺部损伤情况，并与事故实际情况比对，以验证模型的有效性。

2.1 爆炸事故案例

Hamit 等[14]报道了一起发生在韩国的爆炸事故，炸药质量为1.6 kg，现场共有3 人：1 号人员正在炸药附近作业，当场死亡；2 号人员距离炸药3.05 m，当场昏迷；3 号人员距离炸药更远，无明显外伤。2 号人员在送医途中恢复意识，其眼部和耳部受伤严重，顶骨及手部骨折，胸部X 光片显示肺门附近及双肺中下叶有弥漫性浸润影。该患者到医院后，主要处理了外伤，接受了输血，但并未针对肺部进行治疗。事故发生24 h 后该患者停止咳血，13 d 后肺部浸润影消失，肺部损伤自愈。

1 号人员当场死亡，说明其面临较高的致死风险。胸部主要器官包括心脏、肺脏及骨骼（胸骨、肋骨及胸椎等）。对于2 号人员，其心脏及骨骼未见损伤，仅肺部发生损伤。罗伟等[15]认为肺部重伤应满足“肺脏破裂口深入肺实质且必须经手术治疗”条件。2 号人员肺部损伤在13 d 后康复，且未接受肺部治疗，不满足肺部重度损伤的要求，推断其肺部损伤应介于轻伤到中度损伤之间。

2.2 Axelsson 损伤模型

为评估爆炸冲击对人体胸腹部造成的损伤，Axelsson 等[9]建立了由质量块、弹簧及阻尼器构成的胸腔模型（见图2），其数学表达如下：

图2 Axelsson 胸部模型[9]Fig. 2 The Axelsson model of the thorax[9]

式中：M为等效质量，N为阻尼系数，K为刚度系数，Ae为等效面积，p0为环境压力，V0为初始时刻肺部体积，γ 为肺部气体的多方指数，x为胸壁位移，p(t)为胸部受到的爆炸载荷。

测量爆炸过程中作用于胸部的爆炸载荷p(t)，代入式(4)可计算得到胸壁移动速度，选取胸壁移动速度峰值作为胸腹部损伤的评价指标。由于Axelsson 等[9]并未验证该模型与人体胸腔真实响应的关系，因此基于式(4)计算得到的胸壁速度峰值通常被称为胸壁速度预测值（chest wall velocity predictor,vcwp）。Axelsson 等[9]基于动物试验数据，建立了vcwp与胸腹部爆炸伤之间的关系，如表1 所示。北约AEP 55 试验规程[16]正是使用vcwp进行人体冲击波损伤的评价。

表1 胸壁速度预测值与损伤等级的关系[9]Table 1 Injury level as a function of chest wall velocity predictor[9]

2.3 模型验证

由于文献[14] 未给出3 号患者的具体位置，因此以1 号和2 号人员的损伤情况验证模型。1 号人员在炸药附近作业，假定他与炸药的距离L为1.00 m；2 号人员与炸药的距离为3.05 m。假定炸药距地面高度为0.50 m，依据事故的爆炸当量，分别进行爆炸距离为1.00 和3.05 m 工况的数值模拟。由于炸药距离人体较远，将欧拉域尺寸扩大为3 m×3 m×5 m。在求解过程中，输出人体胸部受到的爆炸载荷（见图3），将该爆炸载荷代入式(4)，即可求出胸壁速度的预测值vcwp。

图3 不同爆炸距离工况下胸部爆炸载荷的演化Fig. 3 Evolution of blast load on the thorax at different explosion distances

1 号人员的vcwp为13.6 m/s，由表1 可知其致死率大于50%，面临较高死亡风险。2 号人员的vcwp为7.3 m/s，由表1 可知其损伤介于轻伤到中度损伤之间。由上述分析可知，通过数值模拟结果评估得到的1 号及2 号人员的肺部损伤等级与事故中人员损伤一致（2.1 节），说明本文中建立的有限元模型可用于人体肺部爆炸伤的评估。

3 结果及讨论

本文中共进行了39 个爆炸工况的数值模拟。炸药距离地面1.35 m，与胸骨中部处于同一高度。通过改变炸药质量和爆炸距离，使得胸部受到不同量级的爆炸载荷作用，并且确保每个爆炸距离下胸壁速度预测值vcwp的最大值均大于12.8 m/s。选定炸药与胸部水平距离为0.25、0.50、0.75 和1.00 m，对应的TNT 炸药质量范围分别为50～150、50～600、50～1 000 和50～1 000 g。在所有计算工况中，vcwp最小值为1.7 m/s，对应肺部无损伤；vcwp最大值为18.3 m/s，对应致死率高于50%。

3.1 爆炸流场分布

以500 g TNT 距离胸部0.50 m 爆炸为典型工况。图4 为爆炸流场压力云图，可知爆炸冲击波首先在人体胸壁反射，造成胸壁附近流场压力升高，随后绕射至人体背部，即人体胸部和背部均受到爆炸冲击波作用，但背部受到的爆炸载荷远低于胸部的。胸部爆炸载荷的波形与图3 中的曲线类似，压力峰值为3.9 MPa，按式(4)求得vcwp为16.2 m/s。

图4 爆炸流场压力云图Fig. 4 Pressure contours in blast field at different times

3.2 胸腔动力学响应

以500 g TNT 距离胸部0.50 m 爆炸为典型工况。为分析爆炸过程中胸腔的变形和运动情况，选取胸骨代表胸前壁（胸骨、肋软骨、肋骨前段等）的运动速度，选取第8 节胸椎（T8）代表背部的运动速度，两者的位置关系和速度曲线分别如图1(c)和图5 所示。

在OA 阶段，爆炸冲击波作用于胸部，胸前壁在极短时间内获得动量，胸骨速度迅速增加。在AB 阶段，胸前壁高速向后运动挤压胸腔脏器，胸骨速度迅速下降。由于绕射冲击波作用于背部，在此阶段背部（T8）向前运动。在BC 阶段，由于胸骨的速度高于胸椎T8 的速度，胸前壁持续挤压胸腔脏器，致使胸腔脏器推动胸椎及肋骨后段向后运动，胸椎T8 的后向速度逐渐升高，背部向后运动。在C 时刻胸骨与胸椎T8 速度首次相同，此时胸廓压缩量达到最大42 mm，随后胸廓进入扩张阶段（CD 阶段）。在D 和E 时刻胸骨与胸椎T8 的速度相同，表示胸廓分别进入压缩和扩张过程。可使用胸骨与胸椎T8 的相对位移表征胸腔压缩量，当两者相对位移为零时胸腔压缩量为零，胸腔处于平衡位置。胸骨和胸椎T8 的位移曲线如图6 所示，可知胸廓在O1时刻第1 次恢复平衡位置。由图5 可知，此时胸骨和胸椎T8 的速度差为1.6 m/s。而胸廓在O2时刻第2 次恢复平衡位置时，两者速度已接近一致。这表明：胸廓在几次压缩和扩张后，胸部器官的速度逐渐稳定，整个胸部作为整体向后运动。

图5 胸骨及胸椎T8 速度曲线Fig. 5 Velocity-time histories of sternum and thoracic vertebra T8

图6 胸骨及胸椎T8 位移曲线Fig. 6 Displacement-time histories of sternum and thoracic vertebra T8

3.3 肺部损伤机制

以500 g TNT 距离胸部0.50 m 爆炸为典型工况。图7 为肺部压力云图，其中图7(b)～(c)为胸部S-S横截面的压力云图。可知胸前壁运动过程中，肋软骨及肋骨前段的区域最先挤压肺部，在肺部产生应力波。由于肺部被多根肋骨挤压，每一处挤压点都会产生一个应力波，因此肺部的实际应力是多个应力波叠加的效果。应力波在肺组织中的传播速度为30～70 m/s[17]，而在心脏（肌）中的传播速度为1 540～1 580 m/s[18]，且心脏（肌）的密度也大于肺组织的，使得两者的冲击阻抗相差很大。应力波在肺部传播过程中，会在肺脏与心脏的界面发生反射，造成该区域压力升高，如图7(c)所示。通过上述分析可知，肺部压力峰值区域主要集中在胸前壁及心脏附近。

Greer[19]通过研究肺部爆炸伤，发现压力峰值高于240 kPa 的肺组织会发生严重损伤。由图7 可知，肺部最高压力已达到400 kPa，说明肺部面临极高损伤风险，这与通过vcwp（=16.2 m/s）判断的肺部损伤等级一致。为了解损伤发生的时间，以0.1 ms 为间隔，统计每个时间段中肺部重度损伤单元（压力高于240 kPa）达到压力峰值的数量，再除以重度损伤单元总数，得到对应时间段重度损伤单元所占的百分点，统计结果如图8 所示。可知，肺部损伤主要是发生在AB 阶段，且80%的重度损伤单元是在1.6 ms 之前达到压力峰值，此时尚未达到胸部最大压缩量（图5中C 时刻），这说明肺部的损伤不是由胸腔整体变形挤压脏器造成的，而是由胸前壁高速撞击肺部产生的应力波造成的。在AB 阶段，冲击波的能量转换为肺部的应力波，这可能是AB 段胸骨速度下降较快的原因。

图7 不同时刻肺部压力云图Fig. 7 Pressure contours of the lung at different times

图8 重度损伤单元压力峰值时间统计Fig. 8 Statistics of pressure peak times of severe damaged elements

3.4 肺部损伤指标

Axelsson 已经建立了胸壁速度预测值vcwp与肺部损伤等级之间的对应关系[9]，本节中以vcwp为参考基准建立肺部爆炸损伤评价指标。

3.4.1 胸部压缩量和黏性响应系数

在汽车碰撞领域，常用胸部压缩量Dc和黏性响应系数Vc（viscous criterion）来评价胸部器官的损伤。Dc是指胸腔在前后方向的变形量。Vc定义为胸腔变形速率与压缩率乘积的最大值，压缩率是指胸部压缩量与胸腔初始厚度的比值。由图9～10 可知，随着vcwp的增大，Dc和Vc均呈增大趋势。这是因为vcwp增大代表胸部受到更大的爆炸载荷，胸部的整体响应也会相应增大。 GB 11551—2014 《汽车正面碰撞的乘员保护》[20]中规定的Dc和Vc损伤限值分别为75 mm 和1 m/s。在所计算的爆炸工况中，vcwp的最大值为18.3 m/s，对应的Dc和Vc分别为41 mm 和0.86 m/s，均低于法规限值。若由上述2 个指标判定，则肺部损伤风险较低。而由表1 可知，此时肺部已经发生重度损伤，且死亡风险大于50%。这说明由Dc和Vc判定的胸部爆炸损伤等级远低于实际情况。

图9 胸部压缩量与胸壁速度预测值的关系曲线Fig. 9 Relationship between thoracic deflection and chest wall velocity predictor

在汽车碰撞过程中，撞击物（方向盘）是持续挤压胸部。对于爆炸工况，由于爆炸载荷作用时间极短，胸前壁是在惯性作用下挤压胸腔脏器。胸部碰撞响应的特点是胸腔变形大、变形速率相对较低。而胸部爆炸响应的特点是胸腔变形小、变形速率高，但变形速率下降极快。Dc主要是评估肋骨受到撞击发生变形及骨折的风险，不能反映胸部变形速率的大小，因此Dc不适合用于评价胸部爆炸伤。Vc兼顾胸部变形及变形速率对损伤的影响，常用于评估人体胸部软组织损伤风险。由图5 可知，在爆炸载荷作用下，胸前壁瞬间获得速度（OA 阶段）并撞击胸腔脏器，将能量转化为脏器的应力波后，胸前壁速度快速下降（AB 阶段）。在OA 和AB 阶段，虽然胸前壁速度很高，但由于该阶段时间很短，对应的胸部压缩率较小，致使Vc偏小，因此Vc也不适合用于评价胸部爆炸伤。

图10 黏性响应系数与胸壁速度预测值的关系曲线Fig. 10 Relationship between viscous criterion and chest wall velocity predictor

3.4.2 胸骨速度与胸骨加速度

由3.3 节分析可知，在OA 阶段，爆炸冲击转变为胸前壁动能。在AB 阶段，胸前壁高速撞击胸腔脏器，部分动能以应力波的方式传递给胸腔脏器。由图5 可知，A 时刻胸骨速度为9.82 m/s，B 时刻胸骨速度为4.72 m/s。若以胸骨速度代表胸前壁速度，则在AB 阶段胸前壁动能下降了77 %，该部分能量主要转变为胸腔脏器的应力波。在BC 阶段，胸前壁在惯性作用下持续挤压胸腔及胸腔脏器，C 时刻胸骨速度为3.16 m/s，则该阶段胸前壁动能下降了13 %，这部分能量主要转变为胸腔的变形能和胸部的动能。仅少量的胸前壁动能转化为胸腔变形能，因而胸腔变形较小，这也是爆炸伤患者胸部压缩量较小的原因。AB 和BC 阶段对应不同的肺部损伤机制，前者是应力波致伤，后者是胸腔变形挤压肺脏致伤。胸部压缩量Dc和黏性响应系数Vc可反映BC 阶段胸腔变形挤压造成胸部损伤的风险。肺部爆炸伤主要是由AB 阶段的应力波造成的，应选取可反映应力波大小的指标表征相关损伤。胸骨速度峰值vsp反映了胸前壁与胸腔脏器的撞击速度，胸骨加速度峰值asp反映了爆炸载荷对胸前壁的冲击强度，两者均与肺部应力波存在直接关联，因而选取胸骨速度峰值和胸骨加速度峰值评价肺部爆炸损伤。

由图11～12 可知，胸骨速度峰值与胸壁速度预测值呈线性关系vsp=0.618 48vcwp，胸骨加速度峰值与胸壁速度预测值的关系为asp=12.85v2cwp+47.47vcwp，拟合决定系数（R2）均大于0.99，拟合程度较好。结合表1 可知，胸骨速度峰值及胸骨加速度峰值对应轻度损伤（vcwp=4.3 m/s）的阈值为2.7 m/s 和442g，对应中度损伤（vcwp=7.5 m/s）的阈值为4.6 m/s 和1 079g，对应重度损伤（vcwp=9.8 m/s）的阈值为6.1 m/s 和1 700g，对应致死率大于50%（vcwp=12.8 m/s）的阈值为7.9 m/s 和2 713g。

图11 胸骨速度峰值与胸壁速度预测值的关系曲线Fig. 11 Relationship between sternum velocity and chest wall velocity predictor

图12 胸骨加速度峰值与胸壁速度预测值的关系曲线Fig. 12 Relationship between sternum acceleration and chest wall velocity predictor

3.4.3 胸骨速度峰值与胸壁速度预测值的关系

Axelsson 模型将胸部简化为类似矩形气缸的结构（见图2），活塞等效胸（前）壁。活塞外侧受到爆炸载荷作用，内侧受到弹簧、阻尼及气缸内压力的作用。活塞在内外力差作用下开始运动，胸壁速度预测值vcwp是活塞运动的最大速度。由于爆炸载荷加载速度极快，活塞瞬间达到最大速度，此时对应的活塞位移很小，则式(4)中的弹簧力及气缸压力变化可以忽略，因此vcwp的主要影响因素是等效质量M。人体胸部的情况类似，胸骨速度峰值vsp的主要影响因素是胸前壁（包括骨骼、皮肤、肌肉、脂肪等）的质量。vsp与vcwp之间的系数则主要反映了2 个模型中胸前壁等效质量的差异。

3.5 局限性

本文中的研究内容和结论均基于正面爆炸。对于侧面爆炸、背部爆炸，由于爆炸载荷加载方向和作用于人体的部位不同，其肺部损伤响应和评价指标仍需进一步研究。另外，当人体佩戴胸部防护装备时，胸部除了受到透射、绕射过装备的冲击波作用，防护装备在爆炸载荷作用下也会撞击胸部，可能产生其他致伤机制，尚不确定本文中提出的肺部爆炸伤评价指标能否适用于该工况。