使用手持三维扫描量化女性躯干前部与软体防弹衣之间的气隙深度

《Applied Ergonomics》：Quantifying air gap depth between the female anterior torso and soft body armor using handheld 3D scanning

　　

本研究采用一种新型三维躯干扫描方法，调查了女性躯干前部与两种软体防弹衣（平面型（planar）和非平面型（nonplanar））之间的气隙（air gap）或余量（ease）。为考虑乳房形态差异，研究人员招募了专业穿戴B、D、F杯胸罩的参与者。在胸罩扫描后，受试者分别穿戴每种防弹衣（无其他底层衣物）进行扫描。将胸罩扫描与防弹衣扫描叠加，在六个标志点（左乳头、右乳头、乳头中点、剑突（xiphoid process）、以及胸罩左右杯带交叉点）处量化两者差异，得到每个点的气隙深度或压缩量。虽然气隙测量值未因胸罩尺寸显著不同，但非平面防弹衣产生的气隙显著大于平面防弹衣，表明针对女性设计的轮廓型非平面结构更能适应乳房形态。这些发现量化了女性与防弹衣之间的气隙深度，为女性躯干前部防弹衣测试协议提供了经验数据。

**论文解读：女性躯干前部与软体防弹衣之间气隙深度的量化研究**

**研究背景与问题**
当前美国国家司法研究所（NIJ）标准0101.07规定的防弹衣弹道测试协议中，背衬见证材料（BWM）采用平坦粘土块，缺乏解剖学真实性，尤其无法模拟女性躯干前部的轮廓。平面型防弹衣（planar armor）在测试时紧贴粘土块，而非平面型防弹衣（nonplanar armor）因具有凹形设计以容纳乳房，需额外填充粘土才能实现全接触，但两者均未考虑实际穿戴时防弹衣与身体之间的气隙（air gap）。已有研究表明，气隙可能影响防弹性能（如Azevedo, 2023；Tilsley et al., 2018），但这些研究仅使用任意设定的5~20 mm间隙，而未量化女性实际穿戴时的气隙深度。因此，本研究旨在填补这一空白，通过测量和分析女性躯干前部与防弹衣之间的实际距离，为改进防弹衣测试协议提供经验数据，并提升女性用户的防护性能。

**研究内容与结论**
研究人员招募了28名生物女性（年龄21~34岁，胸罩尺寸36B、36D、36F），采用手持三维扫描仪（Artec Eva）结合体视学软件（Geomagic Control X）开发了一种可重复的扫描方法，测量了在无底层衣物条件下，平面型和非平面型软体防弹衣在六个解剖标志点（左乳头、右乳头、乳头中点、剑突、左杯带交叉点、右杯带交叉点）处的气隙深度。研究结论表明：非平面防弹衣在所有标志点处的气隙均显著大于平面防弹衣（p<0.001），且平面防弹衣在乳头区域产生负向压缩（平均-17.8 mm左侧，-16.0 mm右侧），而非平面防弹衣保持正向气隙（平均12.3 mm左侧，14.41 mm右侧）。胸罩尺寸（B、D、F杯）对气隙深度无显著影响，但个体乳房形态差异导致测量值存在变异。该研究首次提供了女性躯干前部防弹衣气隙的经验量化值，为NIJ测试协议引入女性特异性解剖数据提供了依据。论文发表在《Applied Ergonomics》。

**主要技术方法**
本研究采用手持三维扫描技术（Artec Eva扫描仪，精度0.2 mm，每秒捕获16帧及1800万点），对28名来自Texas A&M大学、年龄21~34岁的生物女性（胸罩尺寸36B、36D、36F）进行扫描。参与者佩戴统一型号的运动胸罩（Anita Active Momentum）后，依次穿戴平面型和非平面型NIJ认证的HG2软体防弹衣（由Survival Armor提供，尺寸相同）。扫描时参与者站立于固定标记位置，背部靠墙，两侧用半助行器（hemiwalkers）稳定。扫描后，使用Artec Studio 17进行后处理（去除伪影、对齐、渲染），再导入Geomagic Control X软件，以胸罩扫描为参考，将防弹衣扫描与其对齐，并在六个标志点处测量垂直于背壁方向的气隙深度（或压缩量）。

**研究结果**
- **描述性统计**：在六个标志点（左杯带、右杯带、左乳头、右乳头、乳头中点、剑突）处，非平面防弹衣的气隙深度中位数（Q1-Q3）分别为：左杯带37.9 mm（31.5-44.0），右杯带35.7 mm（29.3-42.7），左乳头12.3 mm（6.0-18.3），右乳头14.4 mm（9.0-18.3），乳头中点39.3 mm（32.5-45.1），剑突53.7 mm（48.8-60.5）。平面防弹衣对应值分别为：左杯带22.5 mm（17.7-26.3），右杯带22.3 mm（14.8-29.6），左乳头-17.8 mm（-23.0至-13.7），右乳头-16.0 mm（-20.4至-12.4），乳头中点7.8 mm（1.2-15.8），剑突29.6 mm（20.8-37.2）。
- **统计检验**：因数据违反正态性和方差齐性，采用Kruskal-Wallis检验。非平面防弹衣在左杯带（p=0.071）、右杯带（p=0.202）、左乳头（p=0.484）、右乳头（p=0.033）、乳头中点（p=0.025）和剑突（p=0.960）处，仅右乳头和乳头中点有显著组间差异。平面防弹衣在左杯带（p=0.015）、右杯带（p=0.125）、左乳头（p=0.170）、右乳头（p=0.115）、乳头中点（p=0.020）和剑突（p=0.745）处，仅左杯带和乳头中点有显著组间差异。
- **防弹衣类型比较**：Wilcoxon符号秩检验显示，非平面防弹衣在所有六个标志点的气隙深度均显著大于平面防弹衣（所有p<0.001）。
- **乳房压缩现象**：平面防弹衣在乳头区域产生负向测量值（即压缩），范围从左乳头-32.03至-5.93 mm，右乳头-31.99至-1.49 mm；而非平面防弹衣在乳头区域保持正向气隙（左乳头-1.5至29.07 mm，右乳头1.02至34.07 mm）。

**讨论与结论**
讨论部分指出，防弹衣几何形状（平面型 vs. 非平面型）对气隙深度有显著影响，非平面设计通过轮廓剪裁（darting）为乳房提供了更多空间，从而减少了压缩。然而，乳房形态的个体差异（如形状、位置、体积）导致标志点对齐困难，且胸罩尺寸未显著预测气隙深度，提示需进一步研究乳房体积、表面积等因素的层级关系。此外，平面防弹衣对乳房的压缩可能将组织推向胸骨中点及剑突区域，影响该处气隙测量值，但当前3D扫描无法量化组织位移程度。研究局限性包括仅使用一种防弹衣尺寸、未考虑内衣层的影响，以及胸罩适配的个体差异。

研究结论部分翻译如下：
本研究识别并量化了生物女性躯干前部在平面型和非平面型软体防弹衣下的气隙距离。在所有测量标志点处，防弹衣类型之间均观察到显著差异，表明防弹衣几何形状对身体与防弹衣之间的距离有实质性影响。此外，平面防弹衣在乳头区域产生乳房压缩，而非平面防弹衣通常保持正向气隙。本文报告的测量值提供了首次用于弹道测试的经验气隙深度值。随着执法机构努力增加女性代表比例，将女性特异性解剖数据纳入防弹衣评估对于确保充分防护至关重要。