Justification for the initial medical data for the development of an anthropomorphic test dummy

Full Text

Введение. В ходе профессиональной деятельно- сти военнослужащие сталкиваются с ударными пере- грузками (УП). Для защиты от их неблагоприятного действия разрабатываются технические средства защиты, эффективность которых проверяется в ходе испытаний. Особое место среди средств испытаний принадлежит физическому аналогу тела человека - антропоморфному манекену (АМ). В настоящее время в соответствии с международными стандартами в ка- честве основного измерительного АМ в нашей стране в динамических испытаниях применяется зарубеж- ный манекен Hybrid-III [1]. Однако предварительный анализ показал, что его ключевые характеристики, такие как рост и масса, существенно отличаются от соответствующих показателей российских военнос- лужащих, что может искажать результаты оценки за- щитных характеристик, полученных в ходе испытаний. В связи с этим актуальной задачей является создание отечественных измерительных АМ. Для проведения испытаний необходимо использование линейки ма- некенов - тяжелого, легкого и среднего. Эта задача требует получения исходных антропометрических показателей, отражающих морфологические особен- ности российских военнослужащих. Кинематика AM и динамика его взаимодействия с сиденьем и при- вязной системой при действии УП сильно зависит от податливости материала, находящегося под ремнями привязной системы. Для того чтобы смещение частей AM в большей мере соответствовало кинематике тела человека, необходимо максимально полно вос- произвести податливость в зонах проекции ремней привязной системы. Для формирования требований к механическим параметрам моделирующего матери- ала необходимо изучить податливость тела человека в соответствующих частях тела. Цель исследования. Разработать исходные ме- дицинские данные для создания АМ. Материалы и методы. Исследования прово- дились с участием различных категорий российских военнослужащих. Для создания испытательного АМ, предназначенного для динамических испытаний средств защиты, необходимы следующие показате- ли: масса тела, кг; длина тела (рост стоя), см; рост сидя, см; высота надплечий над сиденьем кресла, см; окружность груди третья, см; масса основных сег- ментов АМ (голова и шея; верхняя, средняя и нижняя часть торса; плечо, предплечье, кисть, бедро, голень, стопа), кг. Антропометрические характеристики изуча- лись традиционными способами [3] у 881 десантника и 126 курсантов с помощью медицинских весов, росто- мера, антропометра и гибкой измерительной ленты. 150 2 (62) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Экспериментальные исследования Для увеличения выборки нами была разработана и разослана в войсковые части воздушно-десантных войск анкета, позволившая собрать из медицинских книжек ряд антропометрических характеристик (мас- са тела, рост стоя, окружность груди третья) 10562 военнослужащих. Податливость тела изучалась в исследованиях с участием 10 здоровых испытателей-мужчин в воз- расте от 18 до 40 лет с помощью оригинального мио- тонометра с последующей регистрацией данных на электрокардиографе по показателю механической жесткости. Шток миотонометра создает строго до- зируемую деформацию изучаемого объекта. Одно- временно регистрируется величина усилия, обеспе- чивающая данную деформацию. Поскольку площадь контактной поверхности штока составляет 1 см2, давление, оказываемое на объект, численно равно измеренному усилию. В процессе исследований создавалась деформация мягких тканей испытателей в области грудной клетки, грудины и внутренней по- верхности бедер, равная 0,6; 1 и 1,4 см. Полученные данные обрабатывались традицион- ными методами статистики с использованием про- граммы Microsoft Exсel 2010. Результаты и их обсуждение. Масса тела воен- нослужащих, принявших участие в исследовании, колебалась от 54 до 117 кг. Распределение этого по- казателя характеризуется достоверной правосторон- ней асимметрией - коэффициент As=1,208 (a<1%). Ее причина, по-видимому, связана с неравномерностью возрастного состава обследованной группы, в кото- рой преобладали молодые военнослужащие: более 70% из них имели возраст от 18 до 20 лет. Об этом кос- венно свидетельствует и то обстоятельство, что 65,7% обследованных лиц составили военнослужащие, про- ходящие службу по призыву. Известно, что при прочих равных условиях для молодежи характерна меньшая масса тела, чем для людей старшего возраста. Полученные данные позволяют определить значения массы тела, характерные для легких (5 перцентиль), средних (50 перцентиль) и тяжелых во- еннослужащих (95 перцентиль). Искомые величины составляют соответственно 58, 68 и 88 кг. Эти дан- ные служат основой для формирования требований к АМ. Вместе с тем считаем, что в отношении массы 95-перцентильного АМ необходимо произвести опре- деленную корректировку. Это обусловлено курсом на более широкое привлечение в ряды Вооруженных сил Российской Федерации лиц, проходящих службу по контракту, - людей более старшего возраста, чем призывники, и, следовательно, имеющих большую массу тела. В качестве референтной группы были выбраны лица летного состава. С одной стороны, это офицеры, а с другой стороны, возраст действующих летчиков обычно не превышает 35-37 лет. Как показа- ли обследования 525 летчиков, их средняя масса тела составила 82,1 кг, среднеквадратичное отклонение - 11,1 кг. Таким образом, масса тела 95-перцентильного летчика равна 101,2 кг. Полагаем, что на эту величину целесообразно ориентироваться при формировании требований к 95-перцентильному АМ. Изучение количественных значений габаритных размеров (рост стоя, рост сидя, высота надплечий над сиденьем кресла) показало, что их распределение в исследуемой выборке также отличалось от нормаль- ного. По-видимому, причиной этого, как и в случае с массой тела, служат особенности возрастного соста- ва обследованных лиц. Эмпирические величины роста стоя, роста сидя и высоты надплечий над сиденьем кресла представлены в таблице 1. Распределение третьей окружности груди у обследованных лиц было близко к нормальным значениям данного показателя, соответствующим пятому, пятидесятому и девяносто пятому перцентилю. Таблица 1 Некоторые значения антропометрических размеров обследованных военнослужащих Антропометрический размер Перцентиль Антропометрический размер 5 50 95 Рост стоя, см 165,6 173,0 190,0 Рост сидя, см 86 92,2 96,5 Высота надплечий над сиденьем, см 46 60 65 Третья окружность груди, см 88,8 98,5 101,2 Непосредственное измерение массы частей тела живого человека является очень сложной и дорого- стоящей процедурой. Вместе с тем на основе анализа многочисленных экспериментальных данных В.М. Зациорский и др. [2] разработали достаточно точные способы расчета искомых параметров по доступным антропометрическим характеристикам человека. При оценке массы частей тела, необходимых для проек- тирования измерительного АМ, мы использовали эти способы. Полученные данные представлены в таблице 2. Для формирования требований к механическим параметрам моделирующего материала была из- учена податливость тела человека в зонах, где ремни системы фиксации наиболее плотно прилегают к телу Таблица 2 Масса (кг) сегментов АМ разных размеров ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 2 (62) - 2018 151 Экспериментальные исследования человека: области грудной клетки (2-е межреберье по среднеключичной линии) справа и слева, грудина, внутренняя поверхность бедер в верхней четверти, справа и слева. Между деформацией тканей и уси- лием (давлением) штока существует нелинейная зависимость: по мере роста сжатия тканей экспо- ненциально растет их жесткость. Отмечается широкая индивидуальная вариабельность измеренных показа- телей (табл. 3), коэффициент вариации колеблется от 17,9 до 103%. Оба эти обстоятельства необходимо учитывать при регламентировании характеристик торса и ног АМ. Попарное сравнение аналогичных величин, из- меренных во всех точках как справа, так и слева, по- казало, что податливость в этих точках достоверно не различается (р>0,05 по t-критерию), поэтому вполне Таблица 3 оправданным является представление (см. табл. 3) соответствующих усредненных данных. Не отмечено достоверных различий в податливости мягких тканей бедра и межреберий, что позволяет выдвинуть единые требования по податливости боковых областей груд- ной клетки и внутренних зон бедер (в табл. 3 - «Мягкие ткани»). Вместе с тем отмечается большая жесткость грудины по сравнению с остальными изученными тканями. Эти различия статистически недостоверны только для деформации 0,6 см, при других условиях нагружения разница достоверна (p<0,05). В связи с этим считаем необходимым отдельно регламенти- ровать требования к податливости грудной клетки и области грудины. АМ должен полноценно моделировать смещения сегментов тела под действием внешней нагрузки для придания манекену необходимой позы перед испытаниями и для адекватного отображения инер- Показатели податливости Область тела/ ход штока, см Х, кг/см2 σ, кг/см2 СV, % Межреберье 0,6 0,43 0,14 33,3 1 0,89 0,31 34,7 1,4 1,96 0,64 32,7 Бедро 0,6 0,39 0,17 43,6 1 0,73 0,25 64,1 1,4 1,34 0,24 17,9 Мягкие ткани 0,6 0,41 0,15 36,6 1 0,81 0,29 35,8 1,4 1,65 0,56 33,9 Грудина 0,6 1,65 1,7 103 1 4,33 3,07 70,9 1,4 7,29 4,57 62,7 Примечание: Х - среднее значение, σ - среднеквадратич- ное отклонение, СV - коэффициент вариации. ционного смещения частей тела человека при дей- ствии УП. На первом этапе создания АМ полагаем возможным ограничиться обеспечением адекватных движений лишь основных движений человека, при- чем, с учётом специфики реакции тела на действие УП продольного и поперечного направлений, движений только в одной плоскости - сагиттальной. Для этого необходимо, чтобы объем движений сегмента «голова - шея» относительно торса, верхней части туловища относительно нижней части туловища (граница со- ответствует разграничению грудного и поясничного отделов позвоночника), подвижность тазобедренного, коленного, голеностопного, плечевого и локтевого суставов были близки к аналогичным показателям человека. Необходимые требования для объема и амплитуды движений в крупных соединениях тела человека представлены в таблице 4. Обращаем внимание на величину сгибания головы, которая превышает приводимые обычно в справоч- ной литературе характеристики. В экспериментах с биоманекенами (трупами) было показано, что дина- мическое сгибание головы относительно торса при величине 90-95о не вызывает повреждений мягких тканей [4]. В связи с этим считаем, что АМ должен Амплитуда движений в крупных соединениях тела человека, о (по [6], с изменениями) Таблица 4 Часть тела Соединение (сустав) Движение Часть тела Соединение (сустав) сгибание разгибание Голова+шея Соединение шеи с торсом ≥95* 90** Грудной отдел позвоночника Соединения позвоночного столба -50 55 Поясничный отдел позвоночника Соединения позвоночного столба -40 30 Бедро Тазобедренный 150 -15 Голень Коленный -160 10 Стопа Голеностопный -30 30 Плечо Плечевой 120 -30 Предплечье+кисть Локтевой 150 0 Примечание: * - оригинальное требование; ** - суммарный объем движений атлантозатылочного сустава и шейного отдела позвоночника. 152 2 (62) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Экспериментальные исследования иметь, по крайней мере, не меньшую подвижность. Известно, что тело человека представляет собой вяз- ко-упругую структуру, обладающую соответствующими характеристиками, которые в значительной мере опре- деляют характер деформации тела при ударе. Особенно важно знать и моделировать эти характеристики, чтобы получить адекватную реакцию при действии ударной перегрузки «голова - таз» - основного вектора ударного воздействия при взрыве противотранспортной мины. Для этого соединение средней и нижней части торса АМ должно обладать следующими характеристиками упруго-демпфированной механической модели: частота собственных колебаний - 8,4 Гц; постоянная времени затухания - 0,084 с. Эти характеристики соответству- ют параметрам широко распространенной как у нас в стране, так и за рубежом и используемой для оценки травмобезопасности ударных воздействий модели динамической реакции тела человека [5]. АМ должен быть удобен в эксплуатации. Его кон- струкция должна позволять легко надевать на манекен штатное обмундирование - летнее и особенно зимнее. При этом датчики и другое контрольно-записывающее оборудование не должно повреждаться. Должна быть предусмотрена возможность размещения АМ внутри объекта испытаний. Это непростая задача, поскольку люки машины имеют ограниченные размеры, а АМ, как следует из приведенных выше материалов, будет весьма габаритен и тяжел. По-видимому, для решения данной задачи необходимо будет предусмотреть возможность использования вспомогательных средств (краны, подъ- емники и т. п.). Чтобы эффективно пользоваться такими средствами, на манекене следует предусмотреть специ- альные приспособления, за которые можно будет его захватить (крюки, петли и т. д.). Однако эти приспосо- бления не должны сколько-нибудь заметно влиять на масс-габаритные параметры АМ и на его кинематику и динамику. Они не должны мешать одеванию и снятию штатного снаряжения с АМ соответственно до и после испытаний. АМ должен быть транспортабельным, желательно на легковом автомобиле. АМ должен отличаться высокой надежностью и живучестью. Он не должен повреж- даться и должен сохранять работоспособность при действии УП, которые несколько превышают значения, характерные для испытаний систем приземления бое- вых машин (БМ), а именно УП «голова - таз» - не менее 30 единиц; УП «спина - грудь» или «грудь - спина» - не менее 40 единиц; УП «бок - бок» - не менее 20 единиц. АМ должны быть взаимозаменяемыми между собой при проведении испытаний противоударной защиты экипажей БМ. Части манекена должны быть взаимозаменяемыми между собой при подготовке к испытаниям противоударной защиты экипажей БМ. Представленные данные могут быть использо- ваны при проектировании серии измерительных АМ («легкого», соответствующего 5-перцентильному военнослужащему, «среднего», соответствующего 50-перцентильному военнослужащему, и «тяжелого», соответствующего 95-перцентильному военнослужа- щему), предназначенных для динамических испыта- ний средств противоударной защиты.

About the authors

Yu B Moiseyev

Email: ybmn@rambler.ru

S P Ryzhenkov

References

Supplementary files