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水下爆炸試驗艦員及艦體監測分析

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[摘要]目的監測艦艇在遭受水下非接觸爆炸沖擊試驗過程中所受沖擊作用大小及艦員的生理參數變化,為實船水下爆炸沖擊試驗的安全防護提供依據。方法在水面艦艇遭受水下1000kgTNT當量的沉底水雷相距100m的非接觸爆炸沖擊作用時,利用動態多參數生理記錄檢測儀(簡稱生參儀)對處在艦艇不同位置的9名艦員和1名模擬假人進行生理指標(心電圖、心率、呼吸率、體表溫度)及兩軸向加速度值(Gz、Gy)監測記錄;假人只監測Gz、Gy值。同時在艦艇內多個部位安放生參儀檢測盒,監測記錄艦體所受沖擊力的大小。結果人體表心臟水平所受沖擊力Gz值為(0.23~2.17)G,Gy值為(-0.39~0.66)G,在人體可承受的范圍內。假人體胸部所受沖擊力Gz值為(0.13~1.92)G,Gy值為(-0.42~0.85)G,高于同一位置的真人體。艦體所受Gz值為(3.41~>9)G~(-2.90~-5.45)G;Gy值為(0.91~2.98)G~(-0.49~-1.82)G,明顯高于人體所受的沖擊強度。爆炸前、后艦員的心率及呼吸率明顯增快,爆炸前最快心率(107~171)次/min,最快呼吸率(22~29)次/min;爆炸后最快心率(113~155)次/min,最快呼吸率(24~33)次/min,爆炸后30min內平均心率和平均呼吸率均高于爆炸前,平均心率前后對比有統計學意義(t=2.929,P=0.019)。體表溫度爆炸前后無明顯變化。爆炸過程中沒有發生人體損傷。結論水下爆炸沖擊試驗對人體自主神經功能有較大影響,本試驗中艦員所受沖擊作用強度及生理參數變化在安全范圍內。

[關鍵詞]非接觸水下爆炸;艦艇沖擊運動;加速度;心電描記術;心率;評估;人員防護

水面艦艇遭受水下非接觸爆炸作用時,整個艦體將發生劇烈的沖擊運動,尤其以向上的沖擊作用最為猛烈。這種由水下非接觸爆炸引起的艦艇沖擊運動不僅可以對船體、設備造成不同程度的破壞,而且經船體和甲板傳導作用于艦艇上的人員,可導致船員骨骼、內臟和軟組織等不同程度的損傷,嚴重影響艦艇戰斗力[1]。因此,許多國家對此開展了大量的試驗研究。但由于試驗條件的限制,實船試驗報道很少,在爆炸作用的同時對艦員及艦體進行實時監測的研究報道更少[1]。本研究利用人體動態多參數生理檢測儀(簡稱生參儀),開展了艦艇在非接觸性爆炸沖擊過程中艦載真人、模擬假人及艦體的實時監測研究[1],了解艦員及艦體所受沖擊作用的大小,評估艦員的防護狀況,了解水下爆炸沖擊對艦員的生理心理功能的影響,為艦員的抗沖擊防護與生理功能鑒定提供科學依據。

1對象與方法

1.1對象選取某部艦艇士兵4人,指揮官1人,本課題組科研人員4人,統稱艦員,編號1~9,均為男性,年齡21~55歲,身高160~180cm,體質量48~78kg。試驗前對9名艦員進行全面體檢,均身體狀況良好。此外對1名模擬假人及艦體的4個不同部位進行實時監測。

1.2試驗設備及方法1.2.1試驗設備采用空軍特色醫學中心(原空軍航空醫學研究所)研制的動態多參數生理記錄檢測儀(簡稱生參儀)進行生理參數及沖擊加速度檢測。檢測儀呈一體式帶狀結構,由主帶、副帶、數據記錄卡、時間設置卡及分析系統組成。佩帶要求部位一致,胸帶上緣距乳頭下2cm(男性),檢測盒位于胸部中央。檢測指標包括:心電圖、心率、呼吸率、體表溫度、人體Gz、Gy值、艦體Gz、Gy值。加速度檢測范圍為+9G~-9G。加速度測試的采樣頻率為25Hz,濾波截止頻率10kHz。假人臀部鑲嵌傳感器。1.2.2試驗科目實施在預試驗的基礎上確定1000kgTNT當量的沉底水雷在距離正常航行艦艇100m處實施引爆。艦員均穿戴專用防護靴、防護背心和防護頭盔,在艦艇上分別處于指揮室、駕駛室、主機艙控制室、后甲板等位置。1.2.3生理指標及所受沖擊力檢測除位于指揮室的1號艦員取坐姿外,其余8人均為立姿。模擬假人置于指揮室1號艦員旁,取坐姿。爆炸前10s倒計時報警后,要求立姿者統一采取屈膝姿勢。生參儀分別佩戴于艦員及假人的胸壁心臟水平。另將4個生參儀記錄盒分別固定在指揮室、機艙控制室、后甲板及機艙主機旁地板上。爆炸前30min開機開始記錄,爆炸后30min停機摘下生參儀。1.2.4問卷調查爆炸試驗結束后被試人員統一填寫調查問卷,內容包括試驗過程中所處位置;佩帶檢測儀的主觀感覺(明顯不適感、稍有不適感、無不適感、其他);爆炸臨近時感覺呼吸及心率的變化(明顯增快、稍有增快、基本不變、其他);爆炸后心率、呼吸恢復時間(很快、一般、較慢、其他);佩帶生參儀對操作的影響等。試驗后對9名艦員再次進行身體檢查。1.3統計學處理對爆炸點前后30min的生理信號及沖擊作用曲線進行回放分析,分別記錄9名艦員在爆炸前后30min內的心率、呼吸率及體表溫度變化(包括最大值、最小值、平均值),以及9名艦員、1名假人及4處不同艦體部位所受沖擊作用的大小(Gz、Gy)。應用SPSS13.0軟件對數據進行統計分析,計量資料進行自身配對t檢驗,以P<0.05為差異有統計學意義。

2結果

2.1爆炸前后艦員的生理指標變化在結果顯示,爆炸前30min部分試驗人員心率明顯增快,最快瞬時心率增至107~171次/min,相當于最大心率的55%~96%[最大心率按(220-年齡)計算],最快心率(125.67±14.26)次/min,最高心率值出現于試驗指揮人員。爆炸后30min最快瞬時心率113~155次/min,相當于最大心率的60%~88%,最快心率(129.44±14.26)次/min,與爆炸前比較差異無統計學意義(t=0.838,P=0.426),最高心率值出現于科研負責人員。爆炸后30min平均心率較爆炸前30min明顯增快。9名艦員爆炸前30min有3人出現8次室性期前收縮,爆炸后30min有4人出現5次室性期前收縮。爆炸前后30min呼吸率均有增快,爆炸前30min最快呼吸率22~28次/min,爆炸后30min,最快呼吸率24~33次/min。爆炸后的最快呼吸率(28.00±2.74)次/min,高于爆炸前的(25.89±2.57)次/min。但爆炸前后最慢、最快及平均呼吸率自身對比差異均無統計學意義。爆炸前后體表溫度變化差異無統計學意義(表1)。

2.2沖擊作用及強度人體表心臟水平所受沖擊作用Gz值為(0.23~0.63)G~(1.29~2.17)G,Gy值為(-0.18~-0.39)G~(0.00~0.66)G。坐姿假人臀部鑲嵌傳感器測得最大Gz值為4.47G,Gy最大值為0.01G;胸部佩帶生參儀記錄Gz值為(0.13~1.92)G,Gy值為(-0.42~0.85)G。坐姿假人胸部最大Gz值高于鄰近位置的坐姿真人。艦體所受Gz、Gy值均明顯高于人體所受的沖擊強度(表2)。

2.3試驗后問卷調查佩帶檢測儀的主觀感覺:無不適感7人,稍有不適感2人。爆炸臨近時:心率明顯增快5人,稍有增快2人,基本不變2人;呼吸明顯增快3人、稍有增快3人、基本不變4人。爆炸后:心率恢復很快3人、一般2人、較慢4人;呼吸恢復很快4人、一般2人、較慢2人。爆炸后9名艦員均無受傷,除自感心率、呼吸增快以外無其他不適;艦體及檢測儀器設備均無受損。

3討論

水下爆炸沖擊試驗是軍事人-機-環境工程領域中的重大科研活動,目的是驗證艦船設計是否符合作戰要求,以及是否滿足艦員作業及防護的要求。水下沖擊波經艦船底部向上傳導引起艦船甲板瞬時響應,不僅可以直接造成艦船的損傷和破壞,也可能造成艦員的機體損傷、功能下降、心理障礙,甚至危及艦員生命,從而影響戰斗力的發揮[2-3]。為此,許多國家開展了相關研究。但由于實船爆炸試驗的危險性及復雜性,以往對沖擊損傷的研究往往通過非直接方法(尸體測試、動物測試、計算機模擬、碰撞假人試驗等)來進行[4-7],并且多為對組織器官損傷的研究,對人體志愿者在實船試驗過程中生理及心理指標變化的研究鮮見報道。此外,由于水下爆炸的巨大沖擊及其危險性預期引起的焦慮情緒,也可以可能對艦員的生理、心理功能產生重大影響[8-9],監測艦員在不同航行階段、不同作業科目以及不同應激環境下的生理、心理指標變化,評定其在不同情況下生理心理負荷的變化規律,特別是在艦船遭受水下非接觸爆炸沖擊這種特殊危險情況下,了解艦員所受爆炸沖擊力的大小及生理心理指標變化規律,對保護艦員的生命安全、保證有效戰斗力、了解艦員防護狀況,具有重大的理論和現實意義。然而,受傳統的生理參數檢測設備使用環境和設計參數的限制,以往不能方便地在爆炸試驗現場和在不影響艦員作業情況下對人體進行實時監測,也缺少沖擊性加速度的檢測方法,致使該類研究受到不同程度的影響。本研究借鑒航空醫學的研究經驗[10-11],將適用于飛行狀態的生理參數記錄檢測儀,用于航行中的艦船遭受水下非接觸爆炸的沖擊試驗中,獲得了9名艦員在實船試驗中所受沖擊作用的強度,心率、呼吸率、體表溫度等生理指標變化,以及模擬假人及多處艦體所受沖擊作用大小等指標。從試驗結果可知,生參儀能夠準確記錄爆炸過程中艦員生理參數變化的全過程和受沖擊作用的強度,并能準確確定爆炸時間點,為分析受爆炸沖擊作用前后時間段內的人體生理參數變化提供了準確依據。分析爆炸前后艦員心率、呼吸率等生理指標變化發現,9名艦員于爆炸前及爆炸后的心率、呼吸率普遍增快,個別人出現室性期前收縮,表現出較高的交感神經興奮水平,表明受試人員處于緊張應激狀態[12]。爆炸后30min內平均心率甚至高于爆炸前,但是最高瞬時心率趨于平均化,不同艦員之間的差別縮小。爆炸前后的最高瞬時心率均出現于肩負重大責任的指揮人員中,特別是爆炸前,最高瞬時心率甚至達到人體最大心率的95%以上,表明責任的重大使試驗人員表現出更高的交感神經興奮水平和腦力負荷[13]。分析本次爆炸試驗所產生的沖擊作用可知,人體所受沖擊作用的強度均在安全范圍內[13],明顯低于艦體所受的沖擊作用強度。坐姿假人從臀部到胸部Gz值有明顯減小,而胸部Gz值高于鄰近位置的相同坐姿真人,表明沖擊波通過假人體有一定程度的衰減,而防護設施和人體組織的彈性對沖擊波的緩沖作用更為明顯。與人體及假人體比較,剛性無防護的艦體沖擊響應較大,達到了可造成人體損傷的強度,特別是置于艦艇主構架上的1號檢測盒,所檢測到的沖擊加速度遠遠超出了檢測盒的檢測范圍,提示,剛性構架對沖擊力的緩沖作用小,人員在爆炸過程中應避免靠近剛性構架。由于艦船的生命力是一個極其復雜的問題,對于艦船本身來說要在敵方武器的破壞下保持有效的戰斗能力,對于艦船人員來說必須保持足夠的安全,保有有效操作艦船武器系統的能力。因此,本試驗在以往試驗研究基礎上,確定在非損傷級暴露水平下進行,受試人員在測試過程中采取了一些防護性姿態[2,8]。本研究結果表明,艦員通過穿戴防護裝備和掌握正確的防護姿勢,可以有效防護本次試驗當量級的沖擊作用損傷。

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作者:曹淑玉 郭云 黃士霖 吳靜波 呂曉東 葛宏 景百勝 單位:空軍特色醫學中心

空軍醫學雜志責任編輯:張雨    閱讀:人次
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