创伤弹道学

创伤弹道学（wound ballistics）为终点弹道学的一部分，是研究投射物击中机体后的运动规律及致伤机制的学科，了解创伤弹道学知识，有助于认识火器伤特点，提高诊断和救治水平。

（一）投射物的动能

投射物致伤是向组织传递其所含动能的过程，动能公式如下：

式中KE为动能，m为质量，v为速度，g为重力加速度。

由上式可知，投射物动能的大小主要取决于投射物质量和速度两个因素，动能与质量成正比，与速度成平方关系，速度增加1倍，动能就增加3倍。大多数现代军用枪弹的弹头质量在3.5～12.0g，爆炸预制破片的质量为50mg至数克。

投射物速度的阈值划分无统一规定，有将初速334m/s以下定为低速；334～700m/s为中速；700m/s以上为高速；1 500m/s以上为超速。现代军用步枪弹的枪口速度大多在700m/s以上，手枪弹多在334m/s以下。杀伤人体的最低速度为100m/s，低于50m/s的投射物通常只是造成皮肤的挫伤，而不会穿透皮肤。当投射物的速度超过200m/s时，则可造成各种类型的损伤。

投射物传递给组织的动能多少直接影响组织损伤程度和范围。

式中v1为撞击速度，v2为穿过组织的剩余速度。

（二）投射物能量传递及致伤机制

1.直接切割和挤压 投射物击穿组织后，在其前进和与组织接触的过程中，当作用于局部组织应力超过组织应力阈值时，产生组织切割和挤压，形成所谓的原发伤道，如不直接击中致命器官，所造成挫伤较轻。高速、小质量枪弹击中组织时易破碎，形成继发投射物常造成组织损伤重，此时伤道的出入口均小或只有入口而无出口。投射物击中骨骼、牙齿等坚硬组织时产生的骨、牙碎片或击中体表的某些金属物体（纽扣、带夹等）时产生金属碎片可造成周围组织广泛损伤。如投射物击中颅脑时，骨碎片可沿投射物飞行方向呈扇形向脑组织深层扩散，造成脑损伤程度和范围远重于投射物直接击中的损伤。

2.瞬时空腔 投射物高速射入体内后，向弹道周围组织急剧传递的动能转化为低频高位移的压力波，猛烈向前和向外加速推动局部组织，形成了比投射物直径大10～20倍的空腔（图31-1）。空腔在数毫秒之内达最大，腔内压低于大气压，可将伤道出口处污物、细菌吸至伤道深层，旋即因组织的弹性回缩，腔内压增加，经多次脉动，最后留下永久性的狭窄伤道。每焦耳能量约形成0.7cm3的瞬时空腔。空腔出现在投射物穿过组织后1ms，持续时间为投射物通过组织时间的2 000倍。对于相同的组织来说，吸收能量愈多，瞬时空腔的体积愈大。空腔的脉动收缩造成伤道周围组织的广泛挫伤，甚至距伤道较远的血管、神经也可发生牵拉损伤，伤及骨骼时可发生间接性骨折。瞬时空腔形成过程中的高压可将组织碎片、碎骨片、脂肪、小弹片直接压入大动脉或静脉中造成脉管内并发症。

组织的密度、弹性影响空腔形成。投射物击中肺脏时，由于肺脏密度（0.4～0.5g/cm3）低，肺泡内空气压缩，空腔扩张受限，形成的空腔小；骨骼肌密度为1.02～1.04g/cm3，弹性好，一旦被投射物击中，形成的瞬时空腔较大，搏动后闭合形成的永久伤道容积仅为瞬时空腔的3%。肝脏密度与肌肉相似，为1.01～1.02g/cm3，但组织弹性小，形成的瞬时空腔的大小和永久伤道的容积一致。由于存在比例效应（scaling effect），受伤组织体积和空腔大小成反比。

3.冲击波 投射物高速击中组织时会产生高频低位移的强冲击波，在组织中以水中声速球形传播，其峰压值约为6.01×104kPa（60atm），在组织中持续时间约为1ms。一般认为，冲击波在致伤中的作用不大。自20世纪80年代以来的研究证明，冲击波可引起远离伤道的中枢和外周神经损伤，伤道周围近1/3的组织损伤可能与冲击波作用有关。笔者采用在体和离体实验发现，高速投射物冲击波可损伤伤道外血管内皮细胞的结构，同时可导致血管内皮细胞分泌功能紊乱，血管活性物质内皮素（endothelin）分泌及基因表达发生改变。

4.热效应 投射物能量的一部分可由于摩擦转变为热效应，用已知熔点的金属针插入子弹，从其射击后溶解测知，击中组织弹头的温度可达140～160℃。高温的弹头、破片可造成弹着点处组织灼伤，细胞破坏，蛋白凝固。

（三）影响投射物能量传递的因素

投射物向致伤组织传递能量的多少，除与自身动能有关外，主要取决作用于投射物上的减速阻力。决定减速阻力的因素包括投射物特性和致伤组织器官两个方面，前者如投射物质量、速度、形状、结构成分、稳定性；后者如致伤组织的密度（比重）弹性、坚韧度、黏滞性和含气、含液情况，解剖部位与伤情关系密切。

1.投射物特性

（1）速度和质量：低于组织中声速（1 450m/s）的投射物在组织中的能量释放率与速度成平方关系，当投射物速度超过组织中声速时，投射物在组织中的能量释放率与速度的立方成正比。试验表明，用1.03g钢球射击猪的后肢时，钢球速度由407m/s提高到1 512m/s，增加到原来的3.7倍时，能量传递率增大到37.6倍。

图31-1　瞬时空腔高速X线摄影

5.56mm弹射击狗双后肢，撞击速度约950m/s，射击后2.315ms拍摄

投射物的截面密度（sectional density，即投射物质量/投射物横断面积）越大，击中组织减速力越小，造成的伤道越长。如箭形破片截面密度较钢球大，侵及组织的距离也较相似动能的钢球远。在动能相似的条件下，质轻、截面密度小而速度快的钢球，其能量释放更快，故易造成浅而宽的伤口，伤道常形成倒喇叭形，入口大于出口，致死的几率降低，而致残的几率却大为增加。

（2）投射物形状和结构：弹头有钝圆形（如手枪弹）和尖形（如步枪弹）两种。钝圆形弹头的弹道系数（ballistic coefficient，即克服空气阻力的能力）较小，飞行中阻力大，减速快，进入体内后穿透力差，但传给组织的能量多，因而近距离的致伤力较大；尖形弹头正好相反，大多数步枪弹的有效致伤距离均在1 000m以上。

弹头的结构可分为被甲和弹芯两部分。铜被甲、铅芯结构的弹头较钢被甲、钢芯弹头易破碎，在软组织中铅芯弹头破碎的速度阈值为700m/s。美国5.56mm 193枪弹为铜被甲、铅芯弹，用其射击平均厚度13cm的犬双后肢软组织，约有50%弹头在组织内破碎，破碎弹头传递动能多，所造成的伤腔容积大，复杂伤道（即出口面积与入口面积的比值＞2的伤道）达100%。前苏联5.45mm弹的全弹质量较5.56mm M193弹减轻约10%，初速900m/s，弹尖内留有一段约5mm的中空部分，命中目标后更易翻滚，同时被甲破裂后与弹芯脱离可产生二次侵彻杀伤作用。

我国56式7.62mm弹为钢被甲、钢芯弹，除非直接击中骨骼，一般不会发生变形和破碎现象。以7.62mm弹射击犬双后肢软组织时，贯穿伤道的弹头完整，伤腔容积小，复杂伤道占伤道总数48%。

猎枪弹、运动手（步）枪弹头为部分被甲、铅芯，在击中组织时铅芯易流出，所造成的组织损伤重。

爆炸破片可分为自然和预制、半预制破片，自然破片为炮弹、炸弹、手榴弹爆炸时弹壳破裂形成的破片，自然破片的大小不甚一致，形状也不完全相同，边缘多比较锋利，飞行中的阻力较大。预制破片为弹体制造时预先嵌入一定形状和大小的破片，半预制破片为通过弹体刻槽以期爆炸时获得大小和形状较一致的破片。爆炸破片以及继发投射物（如金属碎片、碎石等）形状不规则，其空气动力学特性差，飞行时多呈漩涡样转动或翻滚式前进，因而减速较快。钢珠质轻、高速、表面光滑，进入体内后易改变方向，可造成多个脏器损伤。对球形、圆柱形、方形和三角形破片的研究表明，在速度和质量相似的条件下，三角形和方形破片的致伤力较强，组织损伤较重，圆柱形和球形破片次之。

（3）投射物飞行稳定状态：弹头主要依靠枪膛来复线产生的高度自旋作用保持飞行稳定性，弹头在膛内旋转速度达到每分钟数十万转。弹头离开枪膛时会产生最大为2°～3°偏航角（弹头纵轴与飞行轴线间的夹角），在100m之外减少到1°左右。当空气中飞行的弹头进入较空气密度大800～900倍的机体组织时，阻力陡增，弹头急剧失稳，偏航角加大至90°～180°发生翻滚，迅速将大量能量传递给组织，造成组织严重损伤。在距枪口100m以内，由于在空气中飞行的弹头尚存在一定的偏航角，故击中组织所造成的损伤常较100m以外受伤重。

体内高速翻滚的弹头易发生破裂和变形。钝头手枪弹通常从头部破裂，尖头步枪弹易从底部破裂。其原因是钝头枪弹头部所受应力比尖头枪弹大得多；而尖头尾部受力可能最大，加之弹头的外壳一般在底部敞开，使弹芯材料暴露，故底部常先破裂。实验证明，用5.56mm枪弹射击猪的后肢，当枪弹仅有翻滚时，传给组织的能量平均为230±24J，占总能量的17.9±1.9%，而枪弹发生碎裂或严重变形时，传给组织的能量平均为606±107J，占总能量的46.7±8.0%，对组织的破坏力强。

爆炸产生的破片的阻力系数较高，在飞行中绕质心作无序运动，击中组织时传递能量大，组织损伤重。箭形破片阻力系数小，采用尾翼稳定，飞行距离远，可侵彻防弹背心等防护装具。如击中骨骼，箭体弯折可造成组织严重损伤。球形钢珠飞行稳定，在撞击速度超过2 850m/s时发生破裂。

2.组织器官解剖生理特性 致伤组织密度愈大，投射物遇到阻力越大，释放能量愈多。如采用11.43mm枪弹以252m/s初速射击密度分别为1.09/cm3和2.0g/cm3皮肤和骨骼，传递能量分别为10.89J和73.66J。

骨组织密度大，弹性小，被投射物击中时可形成粉碎性骨折，如吸收的能量较多，常形成许多小的碎骨片，后者成为继发投射物向四周飞散，造成严重的继发损伤。如吸收能量较少，常形成一些较大骨碎片，由于骨膜和周围肌肉、肌膜的限制，碎骨片大多停留在原位。骨骺端因骨松质多，击中时多形成空洞。扁骨为骨松质，贯穿颅骨的动能约为70J，400J动能可致颅骨严重破损。投射物虽然没有直接击中骨骼，但传递动能可致伤道附近的骨骼发生间接骨折，这类骨折多为纵向或斜向的裂缝，很少产生位移。以0.44g三角形破片射击犬双后肢，发现在撞击速度1 250m/s时，距伤道0.5～1.0cm处股骨间接骨折发生率为15%，在撞击速度为1 450m/s，距伤道1.5～2.0cm处股骨间接骨折发生率为20%。

肌肉密度为1.03g/cm3，含水量多，易吸收动能而造成严重损伤，传递1J动能约损伤0.3g肌肉组织。肌肉的功能状态与损伤范围有一定关系，如射击当时肌肉处于收缩状态，则损伤范围较大；如处于弛缓状态，则损伤范围小。肝、肾等实质脏器密度与肌肉相似，弹性小，击中后组织发生碎裂，其大小与瞬时空腔最大容积一致。

胃肠等空腔脏器是否充盈对击中时动能传递关系较大，充盈的胃肠吸收动能较多，并可由于压力波传导致远离部位穿孔或内膜损伤。血管弹性大，除直接击中发生断裂外，压力波的急剧传播可造成远离致伤部位的血管内膜损伤。

肺组织含有大量气体，密度低（0.4～0.5g/cm3），被击中时投射物动能传递较少，损伤较局限，但如直接击中肋骨，由于骨碎片的继发损伤作用，肺脏损伤常十分严重。

由于血管弹性大，除投射物直接击中外血管可造成血管断裂外，击中邻近血管部位，血管可因牵拉发生内膜损伤而形成血栓。

伤道长度与投射物能量传递有很大关系。如5.56mm弹进入机体后6～7cm开始翻滚，7.62mm弹在15～20cm处翻滚，故伤道越长，弹头翻滚的几率越大，能量释放越多，组织损伤越重。若伤道短，弹头平稳穿过组织时，仅释放1%～20%能量，弹头翻滚时释放能量可达50%～70%。

（四）创伤弹道的病理特点

1.伤道形态分类 可分为贯通伤、盲管伤、切线伤和反跳伤（图31-2）。

图31-2　伤道形态

（1）贯通伤（perforating wound）：既有入口又有出口者称为贯通伤。贯通伤有三种情况：入口大出口小，多见于高速弹片击中组织时，由于弹片阻力增大，减速快，大部分能量释放于入口处组织，造成损伤较重。近距离射击时，因枪弹初速和撞击速度基本一致，产生冲击力大，破坏了入口处皮肤的回缩力，也可造成入口大，出口小。出、入口均小，多见于稳定高速枪弹正位击中机体较薄的部位。应当注意的是，高速枪弹击中骨骼或伤道较长时，弹头易破碎，破碎弹片穿出，可造成出口小的假象。入口小出口大，多见于枪弹伤。由于枪弹穿入人体内可发生翻滚，穿出机体时可造成皮肤撕裂和破碎组织外翻，因而出口增大。

（2）盲管伤（blind wound）：仅有入口而无出口者称为盲管伤。多见于弹片伤和较远距离的枪弹伤。

（3）切线伤（tangential wound）：投射物沿体表切线方向穿过，形成浅表沟槽状伤道者称为切线伤。切线伤伤情取决于投射物侧向传递给组织能量的多少，如传递能量不多，则损伤不重。近距离射击时能量传递一般很多，容易造成深部组织和器官的严重损伤。如背部软组织切线伤可造成肋骨骨折和肺出血；脊柱切线伤容易造成严重的脊髓损伤；颅脑切线伤则容易发生硬脑膜撕裂、脑实质挫伤、脑水肿、硬膜外或硬膜下血肿、脑室和蛛网膜下腔出血等。

（4）反跳伤（rebound wound）：为入口和出口集中于一点的浅表伤口，多是动能较小投射物击中人体某一坚硬部位（如颅骨、肋骨）后被弹回所形成的伤。

2.伤道病理分区 按照伤道病理形态学改变可分为三个区域（图31-3）

（1）原发伤道区：为投射物直接击穿组织或脏器后所残留的空腔，腔内常有坏死组织、凝血块以及吸入的污物等。

（2）挫伤区：紧靠原发伤道的区域，为投射物动能向伤道周围侧向传递，瞬时空腔形成中高度挤压、牵拉肌肉组织发生挫伤的区域。伤后早期（6h）该区组织有20%～30%坏死肌纤维，余为变性肌纤维，并有血管破坏、红细胞溢出，随后由于血液供应障碍，最终全部或大部发生坏死。挫伤区组织宽度取决于投射物的撞击速度和传递能量，一般为0.5～1cm。如速度960m/s的钢球击中时，93%致伤组织挫伤区宽度为0.5cm，而撞击速度为406m/s的钢球致伤时，仅有62%挫伤区宽度达到或超过0.5cm。对挫伤区坏死组织应尽早切除，以改善损伤局部循环，避免发生感染。判定挫伤区组织活力可采用“4C”外科标准，如损伤肌组织颜色（colour）暗紫，致密度（consistency）呈软泥样，无毛细血管出血（capillary bleeding），无收缩力（contractility），可认为是失活组织，应予以切除。

（3）震荡区：挫伤区以外的区域，伤后早期与挫伤区分界不清，数天后炎症反应明显后可分清。肉眼观察，该区与正常组织无明显差异，仅见不同程度的充血。光镜观察，可见震荡区内有灶性肌纤维坏死，主要病变为血循环障碍及其所引起的后果，电镜观察，该区特征性改变为肌原纤维Z线呈阶梯状分布，这可能与投射物压力波作用有关。目前认为改善震荡区的血液供应为火器伤初期外科处理的重点之一，采取的措施包括：切除坏死组织，对伤道周围深筋膜或肌膜充分切开减压，或在局部应用高压氧或抗缺氧、抗氧自由基药物等。

图31-3　伤道病理分区