活体猪模型揭示防弹衣背后钝性创伤的肺损伤风险曲线：区域特异性损伤标准的突破

　　本研究针对防弹衣背后钝性创伤(BABT)缺乏器官特异性损伤标准的问题，通过活体猪模型进行肺部冲击实验，采用模拟硬质防弹衣背部变形特征的冲击头装置，首次建立了基于粘性准则(Viscous Criterion)的肺损伤风险曲线。研究发现Group A（轻度损伤）和Group B（重度损伤）在50%风险水平的粘性准则均值分别为3.65 m/s和5.72 m/s，为BABT肺损伤评估提供了量化标准，对改进人体防护装备设计和提升战伤救治能力具有重要意义。

　　

当子弹撞击防弹衣的瞬间，虽然装甲可能成功阻挡了穿透，但巨大的冲击能量会通过防弹衣传递到人体，造成所谓的"防弹衣背后钝性创伤"（Behind Armor Blunt Trauma, BABT）。这种创伤可能导致肋骨骨折、器官损伤甚至内出血，严重威胁士兵的生命安全。令人担忧的是，当前全球通用的BABT评估标准仍沿用1970年代基于山羊实验确定的44毫米粘土压痕标准，这一标准不仅年代久远，而且未能考虑人体不同器官和区域的损伤特异性。

从结构、解剖和功能角度来看，胸腹区域的各个组成部分具有高度异质性。肋骨保护下的肺部、部分受保护的心脏和肝脏，以及完全暴露的腹部器官，对冲击的耐受能力理应不同。然而现有的Roma Plastilina No. 1粘土穿透标准并未针对特定身体区域进行区分。这种"一刀切"的标准显然无法准确评估不同器官的损伤风险，亟需开发区域特异性的损伤标准来确保评估的准确性。

为了解决这一问题，由Narayan Yoganandan博士领导的研究团队开展了一项创新性研究，使用活体猪模型模拟BABT情况下的肺部冲击损伤，并通过参数生存分析开发了基于速度和变形指标的损伤风险曲线。该研究结果发表在《Military Medicine》期刊上，为BABT肺损伤评估提供了首个基于活体动物实验的量化标准。

研究人员采用了几项关键技术方法：使用定制设计的冲击头（直径100毫米，圆顶高度30毫米）模拟硬质防弹衣的背部变形特征；在活体猪肺部及右心房植入压力传感器（Millar SPR-350和MPR-500）实时监测生理参数；通过高速加速度计（≥100 kHz采样率）记录冲击动力学数据；采用参数生存分析（Weibull、log-logistic和lognormal分布）建立损伤风险曲线；使用标准化置信区间大小（NCIS）评估曲线质量。研究使用28头活体猪（平均体重77±4.6 kg）作为实验对象，所有 procedures 均获得当地机构和美国国防部动物保护使用审查办公室（ACURO）的批准。

动物获取、仪器使用和冲击加载

研究团队在获得相关伦理批准后，从本地供应商获取活体猪并在兽医医疗单元中适应至少48小时。通过气管插管和静脉注射进行麻醉，并在肺部放置压力传感器，通过颈静脉将传感器插入右心房。使用基于硬质防弹衣背部变形特征设计的定制冲击头对动物的肺部区域进行单次冲击，重点关注外侧第四和第五肋骨区域。冲击后对动物进行6小时监测，记录生命体征，最后进行尸检并按照美国创伤协会（AAST）标准对损伤进行评分。

生物力学数据分析

研究人员以≥100 kHz的频率记录来自冲击头的加速度计信号，并使用低通四极Butterworth滤波器以2 kHz进行滤波。通过加速度信号的一次和二次积分获得速度-时间和变形-时间历程。变形-时间历程相对于动物沿冲击轴方向的胸部深度进行归一化处理。通过将变形-时间和速度-时间历程在时域中相乘来计算粘性准则-时间历程信号， combined响应的峰值幅度被称为粘性准则。

统计分析

研究选择参数生存分析来开发损伤风险曲线，使用R软件（版本4.4.2）。无损伤和损伤结果分别被视为右删失和非删失数据，这是类似冲击生物力学研究中的标准程序。选择Weibull、log-logistic和lognormal分布作为候选分布，使用校正的Akaike信息准则确定最优分布。计算估计或平均损伤风险曲线的95%置信区间（CI）边界，并定义标准化置信区间大小（NCIS）作为在特定损伤概率水平下置信区间宽度与平均值的比率。

结果

损伤分布和冲击动力学

在28头猪中，5头没有损伤，13头遭受Group A（轻度）损伤，6头遭受Group B（重度）损伤。峰值速度范围从12 m/s到64 m/s，峰值归一化变形范围从7%到31%，峰值粘性准则范围从0.4 m/s到7 m/s。通过视频图像分析冲击运动学，发现冲击头沿其纵向运动轴加载肺部区域，视频图像中没有明显的冲击头扭转现象。根据 adipose组织的厚度和力学特性、动物质量和冲击速度的大小，标本遭受的损伤范围从无损伤或完整状态到严重的肺部创伤。

损伤风险曲线和质量指标

在50%风险水平下，Group A损伤的粘性准则为3.6 m/s（CI范围：2.8-4.4 m/s），Group B损伤为5.7 m/s（CI范围：5.0-6.4 m/s）。Group A的质量指标范围从5%损伤概率的边际到10%和25%概率的公平，以及>50%概率的良好。对于Group B，指标在5%概率为公平，在10%或更高概率为良好。两个组在离散概率水平上的NCIS数据均显示了曲线质量的定量评估。

讨论与结论

本研究首次通过活体动物实验开发了BABT肺损伤标准，使用模拟硬质防弹衣对人类替代物背部变形特征的冲击头施加冲击载荷。开发的损伤风险曲线可作为BABT应用的初步肺耐受标准，也可用于改进当前和未来防弹衣的评估，提高作战人员对肺部损伤的安全性和医疗准备状态。

研究团队 justified了使用活体猪模型的合理性，指出猪与人类具有相似的生理反应，包括肺部结构和功能。虽然最初的BABT研究人员使用山羊，但在粘土标准化后的研究中多使用猪。背部变形作为防弹衣的主要加载机制，虽然以往研究使用实弹冲击猪，但不允许在弹丸内部放置加速度计等传感器。而在定制冲击头中引入加速度计使得计算粘性准则指标成为可能。

粘性准则考虑了动物对加载的响应，这种 combined指标的时变特性适应了胸廓和内部结构的变形。器官损伤最好通过速度和压缩的乘积来表征，并包括粘弹性。虽然压缩数据进行了归一化，但由于动物体重在一个小范围内（平均值：77±4.6 kg），没有对动物质量进行归一化。

估计的平均粘性准则2.5 m/s和5.0 m/s分别代表Group A和B在25%风险下的阈值。汽车胸部损伤标准阈值为1.0 m/s。不考虑损伤严重程度，BABT粘性准则指标超过了这个限制。这意味着来自其他学科的损伤风险曲线和阈值可能不适用于BABT肺损伤。加载速率较高、冲击头质量以及与胸腔外表面的接触面积不同、能量传递到胸腔的机制差异等因素可能是造成损伤标准大小不同的原因。

该研究存在一些局限性：专注于肺部并使用一种冲击头设计；需要延长生存窗口以检查生理反应的任何衰减；开发基于致死性的风险曲线可能允许与之前的山羊测试进行比较；虽然最初使用AAST评估损伤，但为了更好的临床潜在现场适用性，本研究使用轻度和重度分类开发损伤风险曲线；所有动物在同一肺部区域接受单次BABT冲击；其他结构（心脏和血管）可能吸收了外部能量；BABT联盟正在进行针对心脏和肝脏区域的测试，以描述区域胸腹损伤标准。

总之，这项研究代表了BABT损伤评估的重要进展，为开发针对特定胸腹部区域的增强医学损伤标准（EMIC）奠定了基础，最终将有助于改进人体防护装备的设计和评估，提高作战人员的安全性和生存能力。