摘要： 為了深入研究爆炸沖擊波作用下生物體肺部的力學響應和損傷特性，首先建立了豬胸部有限元模型，借助新研制的PVDF （polyvinylidene fluoride） 柔性沖擊波壓力傳感器測試了激波管試驗中動物的體表壓力，驗證了有限元模型的準確性。然后，使用已驗證的模型開展了不同比例距離下豬肺部損傷特性研究，分析了在不同強度沖擊波作用下肺部的損傷程度和損傷區(qū)域，并建立了胸肺部表皮壓力峰值與肺損傷的關(guān)系。最后，通過開展爆炸試驗，獲得了不同比例距離下豬的肺部損傷情況和胸部表皮壓力曲線，驗證了所建立的胸肺部表皮壓力峰值與肺損傷關(guān)系的正確性。

關(guān)鍵詞： 動物有限元模型；爆炸沖擊波；肺損傷；壓力峰值

中圖分類號： O383 國標學科代碼： 13035 文獻標志碼： A

自第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束以來，由局部沖突、恐怖襲擊和日常事故（如煤氣、煤礦瓦斯爆炸等）導致的爆炸事件屢見不鮮，給軍事人員和平民的生命安全帶來了嚴重威脅[1-3]。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭和恐怖襲擊中，爆炸性武器所致的沖擊傷占傷員的30.0%～50.4%，是造成戰(zhàn)時傷殘和死亡的主要因素之一[4]。爆炸沖擊波對人體肺部的特征性損傷稱為原發(fā)性爆炸肺損傷（primary blast lung injury， PBLI），由于其發(fā)生率高、病死率高、早期診斷和治療困難，以及外表輕微而內(nèi)部嚴重、病情進展快等特點，因而受到醫(yī)學界的廣泛關(guān)注[5]。根據(jù)阿富汗戰(zhàn)爭的數(shù)據(jù)[6]，PBLI 在幸存?zhèn)麊T中的發(fā)生率為6%～11%[7]，但在死亡傷員中的發(fā)生率高達近80%[8]。

爆炸致傷的人體試驗數(shù)據(jù)十分匱乏，實體試驗研究大多基于動物開展。唐獻述等[9] 分別采用3 和5 kg 的TNT 裝藥，對12 只家兔進行了不同爆炸距離的沖擊波致傷試驗，發(fā)現(xiàn)爆炸沖擊波對動物的內(nèi)臟造成了嚴重的損傷。王海賓等[10] 采用自制的管道式爆炸裝置，對10 只大鼠進行了甲烷氣體爆炸試驗。試驗結(jié)果表明，前端的大鼠灼傷較重，后端大鼠的肺組織受沖擊波損傷更嚴重，肺泡明顯塌陷。肺顯微結(jié)構(gòu)和超微結(jié)構(gòu)顯示，肺部是沖擊波的主要靶器官，對爆炸沖擊波壓力最敏感。Vassout 等[11] 采用水聽器測量了自由場高爆對豬胸壁加速度、內(nèi)壓以及胸肺部損傷的影響，發(fā)現(xiàn)胸壁加速度與肋骨上的反射壓力成正比，這說明胸壁移位可能導致肺表面的損傷。陳海斌等[12] 對60 只家兔和20 只大鼠進行了沖擊波分段加載試驗，發(fā)現(xiàn)肺沖擊傷主要發(fā)生在沖擊波減壓段，而沖擊波壓縮段可能不直接引起明顯的肺損傷。進一步，陳海斌等[13] 采用自制的快速減壓艙對42 只家兔和10 只大鼠分組進行了慢升壓、慢減壓和爆炸減壓試驗。試驗結(jié)果顯示，慢升壓、慢減壓對肺組織無明顯損傷，而爆炸減壓會導致肺損傷，且減壓幅度和時間與傷勢成反比。

研究者們同樣對爆炸致肺損傷的影響因素進行了試驗研究。段維勛[14] 研究了爆炸距離對肺部損傷的影響，發(fā)現(xiàn)傷勢與爆炸距離成反比。王峰等[15] 采用BST-1 型生物激波管，對130 只成年大鼠進行了不同環(huán)境壓力下的沖擊波致傷試驗，發(fā)現(xiàn)環(huán)境氣壓越低，沖擊波導致的大鼠死亡率和肺損傷程度越高。袁丹鳳等[16] 采用BST-1 型生物激波管，對40 只幼年健康大鼠做了致傷試驗。試驗結(jié)果表明，與王峰等[15]的結(jié)果相比（采用相同強度沖擊波），幼年大鼠的肺沖擊傷較輕，即幼年大鼠的肺組織比成年大鼠的肺組織更能耐受沖擊波的損傷。他們進一步分析這種現(xiàn)象的原因是由于幼年生物的肺組織血管更豐富，組織間隙更寬，組織結(jié)構(gòu)彈性和應變能力更好。

盡管動物試驗從量效關(guān)系的角度在一定程度上揭示了沖擊波致肺損傷的力學影響，但是對其致傷規(guī)律和力學機理并沒有完全澄清。近年來，有限元仿真技術(shù)也被廣泛用于生物體的建模和分析。與動物試驗相比，有限元模型具有可追蹤動態(tài)響應和定量分析參數(shù)等優(yōu)點，可以提供比動物試驗更豐富的信息，為從力學角度研究沖擊波致傷過程提供了便利。張良[17] 構(gòu)建了一個貴州小香豬胸部的三維有限元模型，并運用該模型探究了小型豬右側(cè)胸部受撞擊時的應力響應特點和應力集中部位，但該模型對爆炸沖擊研究的適用性存疑。楊春霞[18] 構(gòu)建的羊肺臟有限元模型具有準確的肺部結(jié)構(gòu)，可以獲得爆炸沖擊載荷下肺部的應力響應，但對該模型的驗證工作較為簡單。目前可用于爆炸沖擊傷分析的動物有限元模型比較欠缺，尤其是經(jīng)過試驗驗證的模型更是稀少，因此，有必要建立專門針對爆炸沖擊研究的動物胸肺部有限元模型，并通過試驗驗證其有效性。

豬在解剖學和生理學上與人類有很多的相似之處，同屬于“高耐受性組”的哺乳動物，因此，在爆炸致傷研究中，許多試驗和研究都是在豬身上進行的。本文中，以豬的胸肺部為研究對象，首先建立一個幾何結(jié)構(gòu)準確、生物逼真、適用于爆炸沖擊波致傷研究的豬肺部有限元模型，并加以驗證；然后，通過這個有限元模型進行不同比例距離下豬肺部的力學響應分析，建立豬胸肺部表皮壓力峰值與肺組織損傷的關(guān)系；最后，通過爆炸試驗驗證得到豬胸肺部表皮壓力峰值與肺組織損傷的關(guān)系。

1 豬胸部有限元模型構(gòu)建與有效性驗證

1.1 豬胸部有限元模型構(gòu)建

首先對一頭質(zhì)量約25 kg 的豬胸部開展高精度CT （computed tomography） 掃描，根據(jù)CT 圖像的灰度值，使用Mimics 軟件提取胸部的肌肉、骨骼和器官以得到ASⅡ點云數(shù)據(jù)，對點云數(shù)據(jù)進行去噪、濾波和光滑等處理。進而使用Geomagic 將各區(qū)域的ASⅡ點云數(shù)據(jù)按照指定的精度擬合成曲面，根據(jù)胸部肌肉、骨骼和肺的曲面曲率變化，將其劃分為多個區(qū)域，并將各區(qū)域的曲面擬合成CAD （computer aideddesign） 幾何模型。最后，使用Hypermesh 軟件對幾何模型進行修復處理，得到一個封閉的幾何模型。本文中建立的豬胸部有限元模型由外圍皮膚、肌肉、骨骼和內(nèi)部器官組成，如圖1 所示。由外向內(nèi)來看，胸廓表皮覆蓋著外部肌肉，外部肌肉與肋骨、肋間肌、脊椎、胸骨、肋間軟骨、肝臟和胃部接觸，再向內(nèi)是被肋骨和肋間肌保護在內(nèi)的左右肺與心臟。當有外部沖擊載荷作用在胸部時，應力波會沿著胸部表皮、肌肉組織、肋間肌肉和肋骨傳至肺部，肋間肌肉和肋骨對肺組織的擠壓作用，以及肺組織與肝、心臟等器官的接觸和擠壓均可能會造成肺部損傷。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體部件用六面體單元和四面體單元劃分網(wǎng)格，殼部件用四邊形和三角形單元劃分網(wǎng)格。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建模工作完成后，在整個胸肺部外面覆蓋上一層較厚的軟組織，用來模擬豬表面的肌肉。該組織用體單元模擬，并在表層增加一層殼單元模擬皮膚，以方便在之后的爆炸沖擊波模擬過程中實現(xiàn)與空氣域的流固耦合。整個模型共655 000 個單元，435 000 個節(jié)點。模型的運算基于顯式有限元軟件LS-DYNA，網(wǎng)格劃分采用H y p e r m e s h 軟件， 前后處理采用L S -PREPOST 軟件。

由于豬與人類在解剖學和生理學上有很多的相似之處，而豬的生物組織材料參數(shù)研究較少，因此，近似采用文獻[19-26] 中人的各組織材料參數(shù)作為豬胸部有限元模型的輸入?yún)?shù)。用彈塑性材料模擬骨骼結(jié)構(gòu)的材料特性，骨骼結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)見表1。根據(jù)文獻[19-25] 中的方法和數(shù)據(jù)，將胸肺部的軟組織器官定義為簡化的橡膠/泡沫材料，具體材料特性參數(shù)見表2，模型各部分之間的接觸均采用面面接觸，由LS-DYNA 關(guān)鍵字Contact_Automatic_Single_Surface 控制。

1.2 豬胸部有限元模型有效性驗證

為驗證建立的豬胸部有限元模型的有效性，開展了激波管沖擊豬胸肺部的試驗。激波管的構(gòu)成 見圖2（a），高壓段（A 段）長0.34 m，低壓段（B 段）長8.2 m，激波管口徑為100 mm。將豬放置于減壓艙C 中，胸部緊貼激波管口。激波管距離端口100 mm 處布置PCB 傳感器，用于測量出口處的入射和反射波。試驗中，將豬的右肺部對準炮口，其放置姿態(tài)如圖2（b） 所示。將帶有PVC （polyvinyl chloride） 基底的低壓力PVDF（polyvinylidene fluoride） 柔性沖擊波傳感器[27] 布置在豬胸部表面，測量胸肺部表皮壓力。

在同一工況下共進行3 次重復試驗，數(shù)據(jù)重復性如圖3（a）～（b） 所示，可以看到，PCB 傳感器測量在峰值和正壓作用時間上都具有良好的重復性，PVDF 傳感器測量在峰值上具有良好的重復性，而在正壓作用時間上測量波動較大。豬體表PVDF 傳感器測到的壓力曲線與激波管口PCB 傳感器測得的數(shù)據(jù)對比如圖3（c） 所示，可以看到，豬胸肺部表面的壓力峰值近似等于激波管口的反射波壓力峰值，且脈寬也具有較好的一致性。從PCB 傳感器測試結(jié)果可以看出，本次試驗的入射壓力峰值約為125 kPa，反射壓力峰值約為300 kPa。試驗結(jié)束后，解剖豬，取出肺部觀察致傷情況。

參考激波管沖擊豬肺試驗，建立相同工況的有限元仿真模型如圖4 所示。A 段表示激波管低壓段，B 段表示減壓艙，A 段左端面（圖4 紅圓框）為激波管壓力作用區(qū)域。放大圖標注的3 個單元位置分別對應為激波管試驗中傳感器PVDF1～PVDF3 的粘貼位置。模型使用PIFALE（prescribed inflow and arbitrary Lagrangian-Eulerian method） 模擬沖擊波，由激波管試驗所得入射沖擊波壓力-時間曲線轉(zhuǎn)化而來的溫度-時間曲線和單位體積-時間曲線作為輸入邊界條件。

模型中導出這些單元位置的壓力-時間曲線與3 次試驗中傳感器實測的壓力-時間曲線進行對比，如圖5 所示。3 個位置的傳感器上測得的壓力峰值均與仿真所得的壓力峰值相近，最大誤差僅為6.56%，表明仿真結(jié)果和試驗結(jié)果在宏觀壓力峰值上表現(xiàn)出較好的一致性。

進一步對激波管試驗中豬肺損傷位置和程度與有限元模型計算結(jié)果進行對比，如圖6 所示。從圖6（a）可以看出，沖擊損傷后肺部正面沿肋骨分布有條紋狀出血，肺部背面與胃部接觸的區(qū)域有塊狀出血。按照AIS （abbreviated injury scale） 肺部損傷評分，處于輕度損傷的范疇。圖6（b） 的有限元計算結(jié)果顯示了與條紋狀出血位置一致的條紋狀壓力集中區(qū)域，且最大壓力約為150 kPa。由Greer[28] 的研究可粗略通過肺部壓力峰值判斷150 kPa 對應的損傷也處于輕度到中度范圍，這與試驗結(jié)果基本一致。試驗與數(shù)值模擬結(jié)果在損傷位置和損傷程度上也表現(xiàn)出較好的一致性。

2 不同比例距離下豬肺部損傷特性分析

2.1 不同比例距離下爆炸沖擊波的參數(shù)計算

基于1.1 節(jié)建立的豬胸部有限元模型，開展不同比例距離Z 下爆炸沖擊波對豬肺部力學響應的研究。球形或接近球形的TNT 裸裝藥在無限空間爆炸時，超壓峰值（Δpm， kPa）根據(jù)薩道夫斯基公式[29] 計算：

式中：R 為爆心到迎爆面的距離，m；WTNT 為TNT 的裝藥質(zhì)量，kg。正壓作用時間（τ+ ，ms）可通過下式計算[29]：

沖擊波加載仍然使用PIF-ALE 方法，輸入理論計算的等效超壓峰值和正壓作用時間，表示不同比例距離的沖擊波。根據(jù)本實驗室完成的激波管試驗，比例距離為2.27 m/kg1/3 時，豬肺出現(xiàn)輕微損傷。因此，本文中分別研究比例距離Z=2.27， 2.00， 1.66， 1.48 m/kg1/3 下豬肺的損傷。不同比例距離對應的等效超壓峰值和正壓作用時間見表3。

2.2 沖擊波作用下豬胸肺部的力學響應

圖7 顯示了比例距離Z=1.48 m/kg1/3 時應力波在豬胸部中傳播并引起胸肺壓縮變形的過程。爆炸沖擊波首先到達豬胸部的表面，形成應力波在肌肉中傳播（如圖7 中t=0.54 ms）；在應力波作用下，肌肉壓縮變形，并向肋骨方向運動，肌肉和肋骨相互碰撞、擠壓，應力波傳播到肋骨（t=1.43 ms）；此后，肋骨在應力波作用下繼續(xù)向肺部方向運動（t=1.56 ms），并最終擠壓肺臟在其上產(chǎn)生明顯的條紋狀壓力集中區(qū)域（t=1.83 ms）。在肋骨擠壓肺臟變形的同時，沿肋間間隙分布的肌肉也進一步向肺組織運動，對肺臟產(chǎn)生擠壓。肺部受壓后將會進一步與心臟、后部肋骨和肌肉發(fā)生碰撞和擠壓變形。

肺部外面被肋骨保護，肋骨的具體排列如圖8（a） 所示。圖8（b）～（e） 給出了4 種不同比例距離下，肺部條紋狀壓力集中區(qū)域隨時間的變換情況，并根據(jù)Greer[28] 的研究可以判斷傷情范圍。由圖8（b） 可以看到，Z=2.27 m/kg1/3 時豬肺壓力始終低于20 kPa，僅在與肋骨接觸的位置出現(xiàn)條紋狀高壓力區(qū)，沒有損傷出現(xiàn)。而當Z=2.00 m/kg1/3 時（圖8（c）），沖擊波作用豬肺0.1 ms 時，豬肺壓力較高的區(qū)域在與肋骨接觸的表面。繼續(xù)作用至0.5 ms 時，肺臟與肋間肌肉接觸的區(qū)域也出現(xiàn)較大壓力，說明肺臟也受到肋間肌肉的擠壓。隨著沖擊波的持續(xù)作用，肺臟上條紋狀壓痕更明顯，并在1.0 ms 時傳播至肺臟背面，在整個過程中高壓區(qū)域壓力在100～200 kPa 之間，肺部出現(xiàn)輕中度損傷。由圖8（d）～（e） 可以看出，當Z=1.66， 1.48 m/kg1/3時，豬肺壓力較高的區(qū)域與Z=2.00 m/kg1/3 時的變化趨勢基本相同，但肋間區(qū)域的高壓力現(xiàn)象更加明顯，高壓力區(qū)域由Z=2.00 m/kg1/3 時清晰的條紋狀變?yōu)橐徽?，壓力峰值分別升至300 和400 kPa，對應肺部將出現(xiàn)嚴重至致死性損傷。

2.3 豬肺表皮壓力峰值與肺部損傷評估

對于肺沖擊損傷的評估，目前已有多個模型獲得廣泛應用。Axelsson 等[30] 基于羊的爆炸實驗提出了最大胸廓運動速度與肺部損傷的對應關(guān)系，如表4 的第1、3 列所示。在動物爆炸試驗中，利用PVDF 傳感器，胸部表皮壓力比胸廓運動速度更容易測得。如果可以建立胸肺部表皮壓力與肺部損傷的關(guān)系，將具有更實際的用途。本文中，基于所建立的豬胸部有限元模型，計算得到各個爆炸比例距離下的胸廓最大運動速度v 和表皮壓力峰值p，對其進行了擬合，如圖9 所示，得到了如下關(guān)系式：

p = 43：434 19v1：310 5 （3）

基于式（3），忽略不同動物的差異性，直接借用Axelsson 損傷模型中胸廓運動速度與肺部損傷關(guān)系，可以初步建立豬胸肺部表皮壓力峰值與肺部損傷的關(guān)系，如表4 的第2～3 列所示。

3 肺部沖擊波損傷驗證試驗

為了驗證本文提出的胸肺部表皮壓力峰值與肺部損傷的關(guān)系，進一步開展了豬的外場爆炸試驗。通過試驗測量的豬胸部表皮壓力預測其受損情況，并與實際解剖結(jié)果進行對比，驗證肺損傷關(guān)系模型的準確性。

3.1 試驗設置

爆炸試驗選用質(zhì)量為（25±3） kg 的豬，體長約500 mm，健康狀況良好，無外傷和疾病，在試驗時呈臥姿麻醉放置在動物支架上。每只測試豬的胸肺部正對來流方向，粘貼2 個PVDF 柔性沖擊波傳感器測量胸肺表皮壓力（圖10（a））。試驗采用10 kg TNT 炸藥柱，立式放在托彈架上且起爆端向上。以TNT 安置點為圓心，在不同半徑處沿圓周方向錯位放置試驗動物、PCB 超壓傳感器，試驗場地布置如圖10（b） 所示。3 次爆炸試驗工況見表5。

3.2 試驗結(jié)果分析與驗證

圖11 給出了不同爆距下豬胸肺表面的壓力歷程曲線?？梢钥闯?，相近位置粘貼的2 個PVDF 傳感器測得的表皮壓力曲線呈現(xiàn)良好的重復性（圖11（a））。從圖11（b） 可以看出，隨著爆距的增大，豬的表皮壓力峰值迅速降低，由2.5 m 的1 600 kPa 下降到7.0 m 的128 kPa，其中2.5 m 爆距下的數(shù)據(jù)僅采集到初始峰值（1 600 kPa），其后由于傳感器破壞未采集到完整的曲線。

試驗完成后，對豬進行解剖。圖12 給出了不同爆距下受損肺部的圖片，觀察豬肺部的出血和水腫等損傷情況如表6 所示。當爆距大于等于5.0 m 時，豬肺部沒有明顯損傷或者出現(xiàn)輕微損傷，而隨著爆距的減小，豬肺部逐漸出現(xiàn)出血和氣管血沫堵塞，并且癥狀隨著爆距的減小而加重。

本文中，基于Axelsson 損傷模型建立了豬胸肺部表皮壓力峰值與肺部損傷的關(guān)系。帶有PVC 基底的低壓力PVDF 柔性沖擊波傳感器可以方便地在爆炸試驗中實測動物體表壓力峰值，并借助上述關(guān)系對動物肺部沖擊傷進行預測和評估。解剖結(jié)果和由體表壓力峰值預測結(jié)果的對比如表7 所示，可以看出，兩者一致性較好。

4 結(jié) 論

建立了豬胸部有限元模型，并通過測量激波管試驗中動物體表的壓力對有限元模型進行了驗證，研究了沖擊波作用于胸部的力學過程，建立了肺部損傷與體表壓力的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并結(jié)合爆炸試驗的結(jié)果對該關(guān)系進行了驗證，得到的具體結(jié)論如下。

（1） 建立了豬胸部三維有限元模型，將模擬結(jié)果與豬的激波管致傷試驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)模擬得到的壓力峰值與試驗結(jié)果吻合較好，肺部壓力集中區(qū)域也與試驗解剖的出血位置吻合較好，驗證了所建有限元模型的合理性。

（2） 研究了不同比例距離下爆炸沖擊波對豬胸肺部的損傷特征。沖擊波進入動物體后以應力波的形式逐級擠壓肌肉、肋骨和肺組織。爆炸沖擊波強度較低時，肺組織的損傷位置主要集中在肋骨和肺組織接觸的區(qū)域。爆炸沖擊波強度較高時，肺組織的損傷除了出現(xiàn)在肋骨接觸區(qū)域，也會出現(xiàn)在肋間肌肉和肺組織接觸的區(qū)域。同時，也基于模型計算結(jié)果和Axelsson 損傷模型建立了胸肺部表皮壓力峰值與肺部損傷的關(guān)系。

（3） 開展了豬的爆炸試驗，通過測試體表壓力峰值預測了豬的肺損傷情況，將預測結(jié)果與解剖得到的肺損傷結(jié)果進行對比，兩者一致性較好，驗證了所建立的胸肺部表皮壓力峰值與肺損傷關(guān)系的正確性。

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（責任編輯 張凌云）