人体的耐冲击性与伤害标准(5)

流吹袭致伤率达100%。随着我国新歼飞机弹射速度和救生性能的提高，现有的研究水平和标准既不适应也不能满足目前我国航空救生水平发展的需要，尤其是不适应新歼飞机现有的救生水平的需要。因此研究高速气流吹袭生理耐限和相应的防护措施是目前航空弹射救生中的重要研究内容。本课题研究人上肢有/无防护时对高速气流吹袭的耐受限度，为今后战斗机飞行员弹射救生装备的研制、鉴定、验收提供试验依据。 方 法 飞行员上肢侧向抗拉耐力研究 自行设计拉力装置模拟气流吹袭侧力，测量了126名飞行员上肢侧向脱手力耐限［6］。获得了飞行员右手拉中央环姿态脱手时手上拉力95%置信范围 537.975～602.399 N，平均值570.187 N，最小值 245 N；前臂拉力95%置信范围 933.876～1 007.282 N，平均值 970.5788 N, 最小值467.66 N。 人尸上肢和活猴前肢对模拟冲击载荷耐受限度的研究 研究上肢在防护下对模拟气动载荷的耐受限度。由于不能使用真人作被试者，故用人尸体上肢和活猴作为代用品。使用撞击试验机模拟气动载荷，对17具带肩胛骨、肩关节、锁骨的完整人尸上肢和7只活猴前肢进行挡臂板和限臂网2种防护状态的冲击试验［7］。试验标本用牙托粉将肩胛骨包封在一个特制盒子里，使肩关节正常活动不受影响，并以试验状态固定在试验架上。对上臂和前臂冲击时，上肢以外旋极限位自然下垂，模拟脱手后最危险状态。为观察上肢冲后功能活动情况，又用7只成年活猴，重复上述试验。试验前、后测量尺神经传导速度。活猴留养3 d。人尸标本和活猴最后均进行解剖判断损伤。实验获得了冲击力与人尸上肢、活猴前肢损伤的关系。 人尸肘关节生物力学特性试验研究 对年龄20～30岁-18 ℃下冷冻储藏1个月的10例正常男性新鲜尸体在NJ50B型扭转试验机上进行肘关节扭转试验,试验模拟人脱手后上肢在气流吹袭下外旋甩打状态；在SWD10型电子万能材料试验机上进行肘关节弯曲试验，试验模拟人脱手后上肢在气流吹袭下后伸甩打状态。试验获得了一系列人尸肘关节生物力学参数以及载荷与变形、载荷与损伤关系［8］。 1/5人椅模型跨超声速风洞实验 研究上肢对高速气流吹袭的速度耐限，必须了解上肢气动力特性。为此在29基地FL24 风洞中完成了1/5 人椅模型跨超声速风洞试验［9］，研究了抬腿和不抬腿2种姿态下有/无防护(加挡臂板、导流板、防护网等)时飞行员前臂、上臂、上肢受力情况。试验 M=0.4～2.0,α= 5°～30°,β= 0°～90°。得出了上肢各部的气动力系数，为确定上肢气流吹袭速度耐限提供了数据。1/5人椅实验模型及安装状态见图1。 结 果 人尸体损伤程度分级并过渡到人体 本项研究用新鲜人尸进行试验可明确判断出骨骼、韧带、肌肉等组织在结构上解剖可见的损伤，但无法判断出血、神经麻痹、疼痛和功能活动及进行损伤程度分级。关节生物力学载荷与变形关系曲线不仅表达了载荷与变形的关系，而且也表达了外力所致关节损伤的历程［10］。随着载荷增加，变形越大，损伤越严重，说明关节生物力学特性曲线上的特征点应与临床表现有对应关系。本研究利用人尸体肘关节生物力学试验所获得的生物力学特性曲线和人尸体上肢冲击试验结果进行综合分析，以求得损伤程度分级与冲击力的关系，将人尸体的结果过渡到人体。图2给出了本次试验获得的人尸肘关节生物力学特性曲线。经过对曲线的斜率分析，图中的1、3点是斜率的突变点，表达了组织纤维变形的阶段。图中1点是载荷变形曲线的粘弹性阶段，对应的临床表现是关节日常生活的正常活动生理范围，属无伤；图中2点为对应载荷与变形关系曲线上强度下降50%的点（1-4点间长度的1/2），1-2点间对应曲线拟线性段，组织中有少许纤维断裂，临床表现是有轻度疼痛伴组织少量内出血，属微伤；2-3点间组织纤维部分断裂，对应临床表现是感到明显疼痛，关节完整但有轻度不稳，属临床中伤。图中3点即屈服点，3-4点间组织纤维发生屈服变形，开始发生断裂，对应临床表现是剧痛，关节不稳，属重伤；第4点为应力最高点，即最大强度点，组织纤维崩溃，对应临床关节有不正常运动范围，并已失去负荷能力，属危重伤。将尸体上肢冲击试验重伤的冲击力平均值1.805 kN与第4点对应，按照1，2，3点在曲线上和4点间的比例关系，可计算出人上肢冲击的无伤限、微伤限、中伤限、重伤限、危重伤限的冲击力范围，描绘在图2中，图中A—无伤(<0.602 kN)，B—微伤(<0.602~1.204 kN)，C—中伤(<1.204~1.579 kN)，D—重伤(<1.579~1.805 kN)。对应的临床表现见表1。表2、表3列出了人尸、活猴上肢冲击损伤与冲击力的关系，对上述得出的损伤分级与冲击力关系的可靠性进行了验证。表2、表3结果表明,在冲击力(0.602±1.204)kN范围内，有2具人尸标本和4只活猴数据。尸体标本未见损伤。4只猴有 2只不愿用被试前肢抢夺食物，表明有疼痛感，这与微伤标准相符。在冲击力(1.204±1.579)kN范围内，有4具人尸和5只活猴数据。3具人尸没发现损伤,1具出现肱尺关节囊横向小裂口。猴有4只冲击后挣扎，握物无力，不愿用被试验的前肢拿东西，冲头接触区有皮下瘀血现象，表明猴有明显疼痛感，对前肢活动有轻微影响，这与中伤标准相符。冲击力(1.579±1.805)kN范围内，有6具人尸和1只活猴数据。6具人尸中1例没有肘关节囊损伤，5例有肘关节囊损伤并伴尺骨鹰咀软骨撕脱。1只猴受冲击后尖叫,呲牙咧嘴表情痛苦，说明有剧痛，握物无力，不拿东西，说明被试前肢活动功能已受影响，同时还发生尺骨鹰咀皮下出血现象，这与重伤标准相符。表1 限臂板防护下人体前臂冲击损伤程度分级（略）表2 挡臂板防护下冲击载荷与活猴前肘损伤的关系（略）表3 挡臂板约束下人尸前臂冲击试验结果（略） 人上肢耐受高速气流吹袭速度耐限 速度耐限是人上肢受到气动力达到生理耐限时的当量空速，使用的公式是本研究导出的气动阻力和气动侧力公式［9］。气动阻力一般表示为：D = S·CD·q ， q = 0.5·ρ V2(1)式中:S—人上肢参考面积；CD—人上肢气动阻力系数；q—气流动压, kgf/m2；ρ—气流密度，kg/m3；V—气流速度, m/s 。在航空医学中，动压q 进行压缩性修正后为qC , 这时气动阻力D可表为:D= CL·S·qC(2)式中:CL—人上肢低速不可压流的阻力系数, 为常数。qC 的表达式为:M≤1qc=P1+γ-12M2γγ-1-1+32·γγ+1M(21ε+2)·f(ε)(3)M≥1qc=P2γγ+1M2-γ-1γ+1-1γ-1·γ+12M2γγ-1- 2γγ+1M2-γ-1γ+1+2γγ+1M2·1-1M2·1+γ-12M2γM2-γ-1235ε2+1.4M5+0.41.4M5+1f(ε)(4)式中M─马赫数；qc─ 压缩性修正后的气流动压；P─ 自由流静压;γ─ 等熵指数(对空气γ＝1.4)；ε,f(ε)─ 上肢/上臂阻力系数计算参数。 气动升力或气动侧力一般用下式表示：D=S·Cy·q，或D=S·Cz·q， q =0.5·ρ V 2(5)式中CY ,Cz─人上肢气动升力和侧力系数。经计算分析，Cy, Cz 可用下式表示：Cy = TA + TB·MTc·eTD·M，CZ = PA + PB·MPc·ePD·M(6)式中TA、TB、TC、TD ──升力系数根据本研究的风洞试验数据计算获得的。按照上述的公式，阻力脱手速度耐限无防护时按GJB 56888的生理耐限数据1.942 kN进行计算；36座椅挡板内压力0.392 kN考虑；有挡臂板防护时考虑了挡臂板内压力，按前苏联K侧力脱手速度耐限根据126名飞行员中最低的上肢侧向抗拉耐力0.245 kN计算。计算表明，上肢高速气流吹袭侧力脱手速度耐限大于阻力脱手速度耐限，这说明上肢在阻力作用下易于脱手。上肢一旦脱手，有挡臂板防护时前臂若处于外旋位易损伤。损伤生理耐限根据前臂无伤限0.602 kN, 微伤限0.602～1.204 kN计算。仅以α=17°,β=0°和 α=22° , β=0°为例。 讨 论 冷冻尸体实验数据的应用价值 冲击创伤的实验研究带有很大危险性，尸体和动物已成为常用代用品。对尸体试件来说，尸体标本通常是冷冻的, 冷冻贮藏对组织结构和力学性质的影响是关系到能否将尸体结果应用到人体的问题。冷冻对组织力学特性的影响国外已有报导［11］。试验证明在-20 ℃以下存贮3个月的兔子断肢的骨-韧带-骨联合体生物力学特性参数与新鲜不冷冻的没有显著区别；在 -18 ℃下存贮5～60 d的人前叉韧带仅刚度有微小增加；在4 ℃下存贮1夜或-80 ℃下冷冻3～5周，猴前叉韧带结构和力学性质没有很大区别。而研究者一致认为对力学特性起关键作用的是冷冻前要特别注意保护试件免于脱水。韧带的贮藏应适当留下肌肉与关节周围的结缔组织，每一试件都要密封在塑料袋中。本次试验标本是人死亡2 h内取下整肢, 用塑料袋密封在-20℃下冰箱储存，标本均在2个月内完成试验。根据国外研究报导，可认为本次试验冷冻储藏的尸体标本力学性质与新鲜标本无显著差别。因此用此标本获得的试验数据是有价值的，其中发生的骨骼、韧带在解剖上可见的损伤可以直接运用到人体。 服装的影响 1/5人椅模型跨超声速风洞试验的模型为裸体模型，未模拟服装影响。现据我们在 FL06 风洞中完成的1/10 人椅模型跨超声速风洞试验结果，分析服装对人上肢气动阻力的影响。该试验是用模型上肢穿皮袖套来模拟服装影响。经分析计算，用K表示穿衣与不穿