БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ СТЕНД-ИМИТАТОР КОНЕЧНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА

Полезная модель относится к устройствам для оценки защитных свойств средства индивидуальной бронезащиты, а именно к устройствам, имитирующим биологические ткани конечностей человека, в том числе экранированные защитными композициями (ЗК) и применяемым для моделирования объекта защиты при импульсном динамическом воздействии на биологический объект.
Цель изобретения заключается в создании конструкции баллистического стенда-имитатора конечностей человека, моделирующего кожную, мышечную, костную биологические ткани и протекающие при этом в них процессы при импульсном динамическом воздействии, в том числе, заброневую контузионную травму (ЗКТ), имеющую место при непробитии ЗК, экранирующих эти биологические ткани, поражающими элементами (ПЭ).
Сущность полезной модели: Для оценки противопульной, противоосколочной стойкости ЗК и тяжести ЗКТ при воздействии пуль и осколков на конечности человека, экранированные ЗК, разрабатывается экспериментальная модель биологического объекта, содержащая имитаторы тканей, изготовленные из материалов, позволяющих получить информацию об их состоянии после импульсного динамического нагружения.
Поиск аналогов технических решений выполнен по источникам патентной и научно-технической информации России (СССР), США, Германии, Франции, Великобритании, Японии, Италии, Европейского патентного ведомства за период с 1985 по 2010 год. В процессе поиска аналогов выявлены перспективные направления и новые принципы моделирования объектов, содержащих биологические ткани, с целью исследования воздействий на них механических, в том числе и импульсных, динамических нагрузок.
Используемые в настоящее время субъекты изучения ЗКТ по своей природе можно разделить на две большие группы: биологические объекты и небиологические модели.
В качестве биологических материалов используются: подопытные животные, фрагменты человеческих тканей, трупы людей и животных, которые из-за этического фактора, сложности подбора материала, необходимости привлечения к экспериментам медицинского персонала и высокой стоимости проведения экспериментов не являются рациональными и определяющими при проведении испытаний.
В связи с этим для моделирования условий взаимодействия в системе «ПЭ-ЗК-объект защиты» прибегают к имитации объекта защиты с использованием небиологических моделей, которые включают: имитаторы мягких тканей человека; модели-имитаторы фрагментов тела человека.
В настоящее время наиболее полно изученным является процесс взаимодействия ПЭ с туловищем человека, экранированным ЗК, и возникновения в нем ЗКТ при непробитии ЗК. Так, например, ГОСТ Р 50744-95 «Бронеодежда. Классификация и общие технические требования» распространяется на средства индивидуальной броневой защиты, выполненные в виде пальто, накидок, плащей, костюмов, курток, брюк, комбинезонов, жилетов, фартуков, предназначенных для периодического ношения с целью защиты тела человека от холодного и огнестрельного стрелкового оружия, и должен, в соответствии с целевым назначением, в том числе, нормировать допустимые уровни ЗКТ для конечностей, экранированных ЗК, выполненных в виде элементов брюк, плащей, костюмов, курток и т.п. Однако, в ГОСТе, по умолчанию, используется классификация ЗКТ по степени тяжести только для туловища человека, хотя п.п.5.1.1 определяет необходимость защиты, а, соответственно, и нормирования воздействия на тело человека, которое включает в свой состав туловище, голову, шею, верхние и нижние конечности. В связи со сложившейся тенденцией в оценке ЗКТ для туловища, в качестве имитаторов мягких тканей человека традиционно используются блоки, имеющие форму параллелепипеда (например, с размерами 150×200×280 мм), изготовленные из материалов, которые моделируют динамическое воздействие на жизненно важные органы, расположенные на глубине до 8 см. Эти материалы разделяются на две группы, которые принципиально отличаются по своим физико-механическим свойствам: пластичные, сохраняющие остаточную деформацию, и упруго-эластичные, способные восстанавливать свою форму после динамического воздействия [1].
При использовании в качестве имитаторов мягких тканей человека, пластичных материалов, таких как скульптурная глина, баллистический пластилин, глицериновое мыло, оценка ЗКТ производится, после соответствующей тарировки, по величине глубины отпечатка в материале, измеряемой с помощью глубиномера. При использовании в качестве имитаторов мягких тканей человека упруго-эластичных материалов, например желатиновых блоков (ЖБ), оценка ЗКТ производится путем регистрации временной полости (ВП) от динамического воздействия ПЭ в фазе максимального развития с применением импульсной рентгенографии. Критериальными параметрами при этом являются глубина (Н) и площадь (S) теневого изображения ВП на рентгенограмме, по полученным средним значениям которых производится расчет прогнозируемой степени тяжести контузии (СК), например, для тканевых ЗК [2]
СK=-0,409+0,709Н+0,002S.
К недостаткам использования пластичных материалов в качестве имитатора мягких тканей человека можно отнести: отсутствие достоверной корреляции между величиной остаточной деформации имитатора и тяжестью ЗКТ; зависимость физико-механических свойств и, следовательно, глубины отпечатка от динамического воздействия ПЭ от температуры; невозможность определения и учета скорости деформации, развивающейся в пластичных материалах, которая является важным моментом при определении тяжести повреждений мягких тканей.
ЖБ, как имитаторам мягких тканей человека, также присущи недостатки, выявленные в процессе многолетней практики испытаний ЗК. Они изготавливаются из органического сырья и являются недолговечными. Возможно добавление консервантов, но и это не спасает положение, так как в результате многократных выстрелов с непробитием ЗК, на фронтальной поверхности ЖБ образуются эрозии и микротрещины, которые оказывают влияние, как на процесс формирования деформации, так и на значения параметров импульсных давлений в среде. Кроме этого имеют место недостатки самой методологии проведения испытаний. В зависимости от глубины проникания ПЭ в ЗК изменяется время их взаимодействия, что оказывает влияние па время максимальною развития ВП и предъявляет повышенные требования к выбору задержки срабатывания импульсных рентгеновских трубок.
Анатомическое строение нижних конечностей человека существенно отличается от анатомического строения туловища, так как передняя внутренняя поверхность большеберцовой кости лишена мышечного покрова, прикрыта лишь кожей с подкожной клетчаткой и поверхностной фасцией. В связи с этим использование традиционных методов оценки ЗКТ, к сожалению, недостаточно корректно, поскольку в данном случае ЗКТ обуславливает появление различных типов переломов костей при огнестрельных ранениях голени.
Аналогом заявляемого изобретения является имитатор для оценки поражающего действия пуль, осколков на конечности человека, экранированные ЗК, в том числе тяжести ЗКТ при непробитии ЗК /3/. Имитатор состоит из скелетированной, специально обработанной костной ткани, например, большеберцовой кости, залитой желатином или петролатумом (смесью мазеобразного продукта нефти - пертолатума и парафина). В результате динамического воздействия на имитатор с размещенной на нем ЗК, происходит оценка целостности кости и, как следствие, уровня тяжести ЗКТ. Недостатком данного имитатора является несоответствие механических характеристик «живой» и скелетированной костей. В работе /4/ указано, что прочность свежей кости существенно выше прочности скелетированной кости. Кроме этого, отсутствие в конструкции имитатора субстанции, моделирующей кожный покров, не позволяет оценить пограничные условия внедрения ПЭ в биологические ткани, учесть градиент удельной кинетической энергии ПЭ на пробитие кожи, что определяет некорректность выводов относительно повреждений, наносимых подлежащим мягким тканям, а так же костным тканям.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является моделирующее устройство для испытания пулезащитных бронежилетов [5]. Устройство содержит блоки, моделирующие кожную, мышечную и костную ткани, расположенные последовательно друг за другом. В качестве материала, моделирующего кожную ткань, используется вулканизированная резина. В качестве материала, моделирующего костную ткань, используется текстолит. Мышечную ткань моделирует блок, состоящий из 10…12 специальных сборок толщиной 10 мм каждая. Каждая такая сборка включает регистрирующую часть, содержащую материал с красящим веществом (например, копировальную бумагу), ячеистый материал (например, капроновую сетку) и две подложки, изготовленные из кальки, и моделирующую часть, содержащую не вулканизированную резину, расположенную между подложками. Моделирующее устройство, масса которого составляет около 20 кг, расположено в коробке из тонкого картона.
Конструкция устройства позволяет исследовать поведение кожной, мышечной и костной тканей при динамическом механическом воздействии на них и регистрировать следы физических процессов, происходящих в блоках, моделирующих мышечную ткань. Например, определить напряженно-деформированное состояние среды, максимальные величины параметров продольной волны сжатия и радиальных перемещений.
Основным недостатком такого устройства является его ориентация на моделирование биологических тканей, содержащихся в туловище человека, а также воздействие на них высокоскоростных ПЭ, обладающих значительной удельной кинетической энергией. Однако, следует отметить, что подавляющее количество ПЭ, особенно это относится к осколкам, можно отнести к среднескоростным (300…500 м/с) и низкоскоростным (до 300 м/с) объектам [2].
В результате экспериментов было установлено, что вулканизированная резина, используемая в прототипе для моделирования кожной ткани, не соответствует параметрам кожного покрова конечностей, особенно в диапазоне скоростей ПЭ до 400 м/с. В раневой баллистики установлены три степени повреждения кожи [3]:
gr
- первая - ушиб с возможным образованием подкожной гематомы, при этом наблюдается отскок ПЭ или его остановка над кожей; характеризуется пороговой (граничной) скоростью, которая, например, применительно к стальному сферическому ПЭ массой 1,05 г составляет V=68±2,6 м/с;
st
- вторая - внедрение ПЭ в кожу на половину своей длины или диаметра, характеризуется скорость, обеспечивающую разрыв кожи, которая, например, применительно к стальному сферическому ПЭ массой 1,05 г составляет V=78±8,6 м/с;
t
- третья - сквозное пробитие кожи и внедрение ПЭ в подкожную жировую клетчатку и мышцы, характеризуется скоростью, которая, например, применительно к стальному сферическому ПЭ массой 1,05 г составляет V=105±3,3 м/с.
В ходе экспериментальной проверки стрельбой стальными сферическими ПЭ массой 1,05 г установлено, что при попадании в образец вулканизированной резины, моделирующей кожную ткань, имеет место их отскок от объекта испытаний при скорости 131 м/с. Полученный результат не соответствует представлениям раневой баллистики, поскольку при такой скорости должно было произойти сквозное пробитие кожного покрова конечности, а, следовательно, должно быть обеспечено пробитие и его имитатора.
2
3
Известно, что степень сопротивления биологических тканей к ударным нагрузкам определяется рядом их свойств, причем основными из них являются плотность и ударная вязкость, которые обеспечивают тканям амортизационные качества [6]. Для диафиза трубчатой кости ударная вязкость составляет 9,5…10 кДж/м [7, 8], при этом плотность кортикального слоя составляет 1,26…1,62 г/см [9].
2
3
В прототипе в качестве материала, моделирующего костную ткань, используется текстолит, который характеризуется ударной вязкостью 29,5…36 кДж/м и плотностью 1,3…1,4 г/см [10]. Сравнительный анализ параметров показывает, что использование текстолита в качестве имитатора диафиза трубчатой кости является недостаточно корректным, поскольку различие в ударных вязкостях составляет более 360%. Текстолит можно использовать для имитации, например, трабекулярной костной ткани ребер, о чем, косвенно, свидетельствует описание прототипа, где приводится модуль Юнга текстолита при растяжении на уровне 0,04 ГПа. Ребро представляет собой длинную, кость плоской формы, содержащую, в основном, трабекулярный слой толщиной около 5 мм и кортикальный слой, незначительный толщины (менее 1 мм), модуль Юнга которой равен 0,05-0,5 ГПа и соответствует скелетной губчатой кости [9]. Следует отметить, что модуль Юнга для большеберцовой кости составляет 18,1 ГПа /9/, поскольку она в основном содержит кортикальный слой, который является более жестким, нежели трабекулярный. Кроме этого, текстолит, обладая повышенной пластичностью в сравнении с костными тканями, содержащими кортикальный слой, не позволяет зафиксировать поверхностные разрушения структуры, соответствующие сколам кортикального слоя кости. Это обстоятельство существенно снижает достоверность результатов испытаний,
поскольку не учитывается в интегральной оценке тяжести поражения конечностей по шкале «ВПХ-П (ОР)» [11] компонента, составляющая до 20% от предельно допустимого уровня, соответствующему тяжелым повреждениям (третья степень тяжести ЗКТ), которые являются недопустимыми при испытании бронеодежды [12].
Для достижения поставленной цели предлагается баллистический стенд-имитатор конечностей человека (фигура 1), содержащий блоки, моделирующие кожную (1), мышечную (2) и костную ткани (3) конечностей, расположенные последовательно друг за другом.
В качестве материала, моделирующего кожную ткань конечностей (1), используется эластичный материал (например, полиэтиленовая пленка). В качестве материала, моделирующего мышечные ткани конечностей (2) используется пластичный материал (например, мягкий пластилин с плотностью
3
1,1 г/см). Причем толщина блока (2) переменная величина и зависит от ориентации в пространстве относительно ПЭ моделируемой конечности. Так, например, для фронтальной поверхности голени толщина блока (2) составляет 5 мм, а для дорсальной поверхности голени 50 мм. В качестве материала, моделирующего костную ткань (3), используется материал с ударной вязкостью, близкой к ударной вязкости кортикального слоя диафиза длинной трубчатой кости (например, полиакрилат). Дорсальная поверхность полиакрилата покрыта вязким материалом (например, прозрачным скотчем) для фиксирования на месте трещинообразования возможных оскольчатых обломков материала, возникающих при ударном взаимодействии с ПЭ.
Порядок проведения испытаний с использованием баллистического стенд-имитатора конечностей человека заключается в следующем:
1. Баллистический стенд-имитатор конечностей человека размещается на испытательной трассе (фигура 2).
2. На баллистическом стенде-имитаторе конечностей человека размещается защитная композиция (фигура 3).
3. Производятся испытания стрельбой по защитной композиции бронеодежды, расположенной на баллистическом стенде-имитагоре конечностей человека. При непробитии ЗК производится осмотр фронтальной поверхности стенда-имитатора с целью оценки целостности имитаторов кожного покрова и мягких тканей (фигура 4)
4. Производится осмотр дорсальной поверхности стенда-имитатора на предмет целостности имитатора костной ткани конечностей (фигуры 5, 6).
Совокупность полученных повреждений имитаторов тканей конечностей создает реальную картину динамического механического воздействия на моделируемый биологический объект.
Сравнительные испытания, проведенные с использованием предлагаемого баллистического стенда-имитатора конечностей человека и соответствующего костно-мышечного препарата при одинаковых уровнях динамического воздействия, подтвердили сходимость полученных результатов по уровню воздействия на биологические ткани и их имитаторы.
Литература
1. Логаткин С.М. Существующие критерии и методы оценки бронежилетов по параметру заброневого динамического воздействия / С.М.Логаткин. - ВОТ. - Серия 16, №3-4. - 2007. - С.23-29.
2. Байдак В.И. Концептуальные основы создания средств индивидуальной защиты. Часть I. Бронежилеты / В.И.Байдак. О.Ф.Блинов, В.А.Знахурко, С.М.Логаткин, Ю.А.Лопаткин, В.Г.Михеев, A.M.Орел, Т.С.Романова [и др.]; под общ. ред. В.Г.Михеева. - М.: Межакад. изд-во «Вооружение. Политика. Конверсия», 2003. - 340 с.
3. Озерецковский Л.Б. Механизм огнестрельных ранений и особенности повреждений современными ранящими снарядами: Дис… д-ра мед. наук. - Л., 1989. - 348 с.
4. Парашин В.Б. Критерии повреждения организма человека при ударных воздействиях / В.Б.Парашин. - Конверсия в машиностроении, 1993. - №1. - С.31-39.
5. Мирзебасов Т.А. Моделирующее устройство для испытаний пулезащитных жилетов / Т.А.Мирзебасов, Д.О.Белов, М.В.Тюрин // Симпозиум по средствам индивидуальной защиты PASS-98 (8-11 сентября 1998 г.): тез. докладов. - Колчестер, Великобритания.
6. http://meduniver.com/Medical/Biology/348.html.
7. Гордон Дж.. Почему мы не проваливаемся сквозь пол / Дж.Гордон. - Пер. с англ. С.Т.Милейко. - "Мир", Москва, 1971. С.114.
8. Молнн Ю.А. Судебно-медицинская оценка силы тупой травмы, вызывающей механические повреждения / Учебное пособие для врачей слушателей и судебно-медицинских экспертов. - СПб, Издательский дом СПбМАПО, 2003. - 33 с.
9. Хлусов И.А. Основы биомеханики биосовместимых материалов и биологических тканей: учебное пособие / И.А.Хлусов, В.Ф.Пичугин, М.А.Рябцева // Изд-во Томского политехнического университета. - Томск: 2007. - 149 с.
10. ГОСТ 5-78. Текстолит и асботекстолит конструкционные. Технические условия. - М. - 27 с.
11. Озерецковский Л.Б. Раневая баллистика / Л.Б.Озерецковский, Е.К.Гуманенко, В.В.Бояринцев. - «Калашников». - СПб: 2006. - 374 с.
12. ГОСТ Р 50744-95. Бронеодежда. Классификация и общие технические требования. - М. - 8 с.