1. Введение

В современных условиях ведения военных действий объекты наземной инфраструктуры (промышленные, логистические, медицинские, жилые, командно-штабные) подвергаются интенсивному воздействию средств направленного осколочного действия и минно-взрывных устройств. Минно-осколочные поражения составляют до 60–80% санитарных потерь среди персонала [1], причём доля поражений с вовлечением органов малого таза за последнее десятилетие возросла с 11,2% до 18,7% [9], [10], характеризуются полифокальностью, высокой тяжестью и частым вовлечением висцеральных структур малого таза, что обусловливает необходимость прогнозирования последствий воздействия поражающих факторов для оперативной оценки санитарных потерь, планирования эвакуационных мероприятий и оптимизации медицинского обеспечения. Структурный анализ современных огнестрельных и осколочных ранений живота и малого таза среди гражданского населения подробно представлен в работах В.В. Маслякова и соавторов [16], [17], [18], а также в отдалённых клинических наблюдениях [19].

Существующие подходы к моделированию минно-взрывной травмы в экспериментальных и расчётных системах имеют ряд существенных ограничений. Модели, использующие электродетонаторы или пиротехнические изделия бытового назначения, требуют проведения работ на специализированных полигонах, получения разрешительной документации и отличаются высокой трудоёмкостью подготовительного этапа [2]. Применение строительно-монтажных устройств с размещением в канале поражающих элементов позволяет имитировать направленное действие, однако демонстрирует недостаточную воспроизводимость баллистических параметров и низкую анатомическую прицельность [3]. Большинство описанных методов не обеспечивают прогнозирования специфических висцеральных повреждений органов малого таза, в частности разрыва стенок полых структур с отделением от связочного аппарата и апоневроза Денон-Виллье [4], что снижает трансляционную ценность таких моделей для отработки тактики комплексной помощи и оперативного расчёта санитарных потерь. Прогностические аспекты осложнений при огнестрельных ранениях малого таза ранее рассмотрены в работе М.А. Полиданова и соавторов [22], однако предложенные ими подходы не были интегрированы с расчётом баллистических параметров поражения.

Сравнительный анализ существующих методов моделирования минно-взрывной травмы, обобщённый в таблице 1, демонстрирует низкую воспроизводимость и отсутствие интеграции с прогностическими ИТ-системами органов управления, что обосновывает потребность в разработке альтернативного расчётно-прогностического инструмента.

В связи с этим актуальной научно-практической задачей является разработка доступного, безопасного и высоко воспроизводимого расчётно-прогностического способа моделирования минно-осколочно-направленного действия, обеспечивающего контролируемую градацию тяжести поражения, анатомическую прицельность прогнозных сценариев и соответствие принципам доказательной прогностической медицины.

Цель. Разработать и валидировать расчетно-прогностическую методику оценки тяжести поражения персонала объектов наземной инфраструктуры от минно-осколочно-направленного действия в условиях военных действий, обеспечивающую контролируемую градацию тяжести поражения, высокую воспроизводимость модели висцеральных и мягкотканных повреждений и интеграцию экспериментально-валидированных пороговых значений в аппарат прогнозирования санитарных потерь.

2. Методы и принципы исследования

Исследование выполнено в соответствии с принципами расчётно-прогностического моделирования поражающего действия взрывных устройств. Методика базируется на комбинированном подходе: детерминированном расчёте параметров ударной волны, статистическом моделировании распределения поражающих элементов и логико-лингвистическом прогнозировании тяжести травмы.

В качестве валидированных входных параметров использованы стандартизированные баллистические характеристики направленного осколочного воздействия: условная мощность заряда до 0,5 г порохового эквивалента (порошковый магний + перхлорат калия), калибр поражающих элементов 2 мм, дистанция экспозиции 50±1 см, векторная ориентация на целевую анатомическую зону, учёт эффекта рикошета в ограниченном пространстве (объём 100 л, диаметр 51 см) [4]. Полный перечень входных параметров методики с указанием диапазонов и источников представлен в таблице 2. Экспериментальное обоснование баллистических параметров для модели минно-взрывной травмы органов малого таза уже подробно изложено в работах авторов [4], [22], [23], [24].

Расчёт избыточного давления во фронте воздушной ударной волны (ΔPВ) осуществлялся по формуле М.А. Садовского [5]:

где C — масса заряда в тротиловом эквиваленте (кг); R — расстояние от центра заряда (м). Для повышения точности расчётов в ближней и средней зонах поражения использована аппроксимация Д.В. Сурина, учитывающая нелинейное затухание фронта и рефракцию в неоднородной среде [6]:

[LATEX_FORMULA]\text{где } \bar{R}=\frac{R}{C^{2/3}}[/LATEX_FORMULA] при α=0,38; β=0,12, что обеспечивает погрешность аппроксимации ε<6% в интервале R̄ ∈ [1,0; 15,0] м/кг1/3 (см. табл. 3).

Распределение поражающих элементов моделировалось с учётом закона подобия, углового рассеивания и коэффициента рикошетного взаимодействия с ограничивающими поверхностями. Плотность осколочного потока ρоск на дистанции R вычислялась по выражению:

где N0 — исходное количество поражающих элементов, kрико — коэффициент сохранения кинетической энергии при рикошете (0,15–0,25), θ — угол падения, λ — коэффициент аэродинамического торможения.

Дополнительно введена интегральная характеристика — доза осколочного воздействия Dоск, агрегирующая плотность потока и поверхность анатомической зоны экспозиции:

где v̄ — средняя скорость осколка после рикошета (≈ 180–260 м/с по результатам калибровки), Tэксп — длительность импульса (≈ 2–4 мс). При стандартных параметрах (N0=150 шт., kрико=0,20, v̄=220 м/с, Tэксп=3 мс) для R=50 см Dоск=12,6 шт.·м/м2.

Тяжесть поражения оценивалась по адаптивному индексу тяжести поражения (ИТП), включающему: площадь дефекта кожи и подкожно-жировой клетчатки, глубину проникающего канала, конфигурацию дефекта мышечно-фасциального слоя, индекс повреждения висцеральных структур и гемодинамические маркеры геморрагического/травматического шока. Композитный индекс вычислялся как:

где wi — весовые коэффициенты, нормированные по клинической значимости (∑wi=1), f, g, h, k — нелинейные функции принадлежности. По результатам экспертной оценки (метод парных сравнений, 7 экспертов, коэф. согласия Кендалла W=0,82) приняты следующие весовые коэффициенты: w₁=0,18 (баротравма); w₂=0,27 (глубина канала); w₃=0,35 (висцеральный компонент); w₄=0,20 (шоковый индекс).

Функции принадлежности для лингвистических термов «низкое / среднее / высокое» построены треугольного и трапециевидного типа:

Модель, составляющая основу методики, базируется на теории вероятности и использовании логико-лингвистического моделирования (ЛЛМ) с применением аппарата нечётких множеств [7]. В модели применяются лингвистические переменные: энергия заряда (x₁), вид взрыва (x₂), удалённость от эпицентра (x₃), рельеф местности/ограниченность пространства (x₄), погодные условия (x₅), степень поражения (баротравма) (x₆), зона поражения (сопутствующие повреждения организма) (y).

Фрагмент базы нечётких правил с MISO-структурой принимает вид: П1: ЕСЛИ «Энергия заряда» есть «средняя» И «дистанция» есть «небольшая» И «ограниченность» есть «высокая» И «степень баротравмы» есть «тяжёлая», ТО «зона поражения» есть «переломы, повреждение внутренних органов, внутренние кровотечения».

Общий объём базы правил составил 81 продукционное правило, охватывающее все сочетания термов входных переменных x₁, x₃, x₄, x₆. Тип логического вывода — Mamdani; операторы min для конъюнкции, max для агрегации; дефаззификация методом центра тяжести (CoG):

Заданная совокупность входных переменных и выходных данных формализована в виде таблицы термов и функций принадлежности треугольного и трапециевидного типа. На основе предложенного подхода с использованием Python v3.12 и библиотек NumPy, SciPy, scikit-fuzzy, Matplotlib авторами разработан программный модуль, позволяющий в автоматическом режиме оценивать масштабы и последствия воздействия минно-взрывных факторов с отображением обстановки на слое электронной карты в геоинформационной системе.

Статистическая обработка данных выполнялась в программном пакете Statistica 10.0 и R v4.3.1 (пакеты pROC, irr). Проверка на нормальность распределения осуществлялась критерием Шапиро–Уилка. Показатели представлены в виде медианы (Me) и межквартильного диапазона (Q1–Q3). Воспроизводимость модели оценивали по коэффициенту вариации (CV). Различия считали статистически значимыми при p<0,05. Дискриминирующую способность модели оценивали методом ROC-анализа с расчётом AUC, чувствительности (Se), специфичности (Sp) и точности (Acc) на k=5 фолдах перекрёстной проверки. ДИ для AUC построены методом DeLong [14]. Объём расчётной выборки: n=240 сценариев (по 80 на каждую градацию тяжести), что обеспечивает мощность исследования 1−β≥0,90 при α=0,05 [15]. Прогнозирование санитарных потерь осуществлялось с применением нечёткой логики и интеграцией в программно-аппаратные комплексы оперативного оценивания обстановки.

Поскольку исследование носит расчётно-прогностический (insilico) характер и не предполагает вовлечения людей или животных, отдельная этическая экспертиза не требовалась. Все исходные баллистические параметры заимствованы из ранее опубликованных и патентно-защищённых работ; принципы биомедицинской этики и положения ГОСТ Р ИСО 31000-2019 [11] соблюдены в полном объёме.

3. Основные результаты

Предложенный расчетно-прогностический подход обеспечил 100% воспроизводимость сценариев направленного осколочного поражения в заданной анатомической зоне. Макроскопически прогнозируемая картина соответствовала множественным входным дефектам с неровными краями, невозможностью сопоставления краев («дефект минус-ткань» по М.И. Райскому), слепому характеру раневых каналов глубиной ~1/3 толщины мышечно-фасциального слоя и звёздчатой конфигурацией дефекта, коррелирующей с размерами первичного поражения.

Установлено, что в 100% расчетных сценариев при заданных параметрах (q≤0,5 г, R=50±1 см, kрико≥0,18) верифицируется полный разрыв стенок полых органов малого таза с отделением от связочного аппарата и от апоневроза Денон-Виллье. Гистоморфологическое прогнозирование выявляет характерные признаки острой механической и термической травмы: неровные края разрыва с выраженной геморрагической инфильтрацией, признаки размозженности тканей и очаги коагуляционного некроза.

Морфометрические параметры продемонстрировали низкую межсценарную вариабельность: площадь прогнозируемых ран кожи и ПЖК, мышечных ран и фасций, а также глубина раневого канала оставались стабильными во всей выборке (CV 8,4–12,7%), что подтверждает высокую стандартизацию методики. Сводные значения морфометрических и гемодинамических параметров для каждой градации тяжести, согласованные с расчётом ИТП по формуле (5), приведены в таблице 5 и визуализированы на рисунке 3.

Выделены три градации тяжести поражения: лёгкая (поверхностное повреждение фасциально-мышечного слоя без вовлечения висцеральных структур), средняя (проникающее ранение с повреждением тазовой фасции и частичным нарушением целостности органов малого таза), тяжёлая (полиорганное поражение с магистральным кровотечением и шоковой реакцией).

Корреляционный анализ выявил сильную положительную связь между расчётной энергией заряда и интегральным ИТП (Spearmanρ=0,89; p<0,001), а также между глубиной раневого канала и объёмом некроза (ρ=0,84; p<0,001). Сводные показатели корреляционной матрицы приведены в таблице 6 и визуализированы на рисунке 4.

Дискриминирующая способность модели оценена путём бинаризации выходного класса «тяжёлое поражение» против объединённой группы «лёгкая + средняя». Площадь под ROC-кривой составила AUC=0,988 (95% ДИ 0,975–0,997). Оптимальный порог по индексу Юдена соответствует ИТП*=0,68, при котором достигаются: чувствительность Se=96,2%, специфичность Sp=96,2% (рис. 5). При применении регламентной границы градации ИТП=0,66 для класса «тяжёлая»: Se=96,2%, Sp=95,0%, общая точность Acc=95,4%, положительная и отрицательная прогностическая ценность PPV=90,6%, NPV=98,1%. Многоклассовая точность классификации (по правилу: <0,35 — лёгкая; 0,35–0,65 — средняя; >0,65 — тяжёлая) составила 89,2%. Операционные характеристики по классам представлены в таблице 7.

На основании выходных данных модели рассчитана прогнозная структура санитарных потерь среди персонала объекта наземной инфраструктуры численностью N=100 чел. при стандартном сценарии минно-осколочного направленного воздействия (q=0,5 г пор. экв., R=50 см, kрико=0,20). Результаты представлены в таблице 8 и на рисунке 6.

Интеграция алгоритма в геоинформационные системы позволила автоматизировать процессы оценивания последствий воздействия минно-взрывных факторов и отображения выходных данных обстановки на электронном слое карты. Предлагаемая программная компонента в составе ГИС обеспечивает оперативную оценку и отображение изменений обстановки при минно-взрывных воздействиях, служит средством поддержки принятия решений органами управления оперативно-тактического уровня.

4. Обсуждение

Разработанная методика преодолевает ключевые ограничения существующих моделей минно-взрывной травмы: хаотичное рассеивание осколков, отсутствие анатомической прицельности, низкая межсценарная воспроизводимость [3], [8]. В отличие от методов, требующих полигонных условий и специальных разрешений, предложенный способ базируется на калиброванных баллистических параметрах направленного осколочного воздействия, обращение с которыми не требует специальных знаний, а проведение прогнозного расчёта возможно в лабораторных и оперативных условиях при соблюдении базовых норм безопасности.

Уникальной особенностью метода является возможность прогнозирования специфического висцерального компонента травмы — разрыва стенок полых органов малого таза с отслоением от связочного аппарата и апоневроза Денон-Виллье. Данная анатомическая локализация критически значима для отработки тактики экстренной хирургической помощи, оценки эффективности гемостатических матриц при повреждении тазовых вен и тестирования методов damage control surgery в условиях ограниченных ресурсов полевого этапа эвакуации [9], [10]. Использование замкнутого пространственного модуля позволяет контролировать вектор разлёта осколков, моделировать эффект рикошета и обеспечивать направленное избыточное давление, что максимально приближает баллистический профиль к реальным условиям минно-осколочного направленного действия. Накопленный клинический опыт хирургического лечения огнестрельных и осколочных ранений малого таза у пациенток в условиях локального военного конфликта [19], [20], [21] подтверждает практическую востребованность точного прогнозирования глубины висцерального компонента травмы до этапа оперативного вмешательства.

Высокая межсценарная воспроизводимость (CV<15%) и стабильность морфологических параметров позволяют использовать модель для количественной оценки эффективности раневых покрытий, сравнительного анализа гемостатических средств и валидации хирургических алгоритмов первичной обработки ран.

Ограничения исследования. Предложенный подход имеет ряд методических ограничений, которые подлежат учёту при практическом применении. Во-первых, модель валидирована на ограниченном интервале калибра поражающих элементов (2 мм) и заряда (≤ 0,5 г пор. экв.); экстраполяция за пределы этого диапазона требует дополнительной калибровки. Во-вторых, аппроксимация Сурина даёт погрешность ε ≈ 6% в среднем диапазоне (R̄=5–15 м/кг1/3) и до 11% в дальней зоне (R̄>25). В-третьих, висцеральный компонент модели валидирован преимущественно для органов малого таза; распространение на грудную и брюшную полости требует пересмотра весов wi и набора правил. Наконец, баллистические параметры заимствованы из экспериментов на лабораторных животных [4] и требуют дальнейшего сопоставления с клиническими данными военно-полевой хирургии.

Указанные ограничения компенсируются высокой стандартизацией методики, низкой вариабельностью прогнозных параметров и применением аппарата нечёткой логики для учёта неопределённости исходных параметров. Сопоставление с данными зарубежных ретроспективных исследований [1], [9], [10] подтверждает согласованность прогнозируемой структуры санитарных потерь (доля тяжёлых поражений 16–19%) с реально наблюдаемой при минно-осколочных воздействиях в современных вооружённых конфликтах. Перспективным направлением развития предложенной методики является её сопряжение с алгоритмами машинного обучения (в частности — градиентного бустинга), показавшими высокую эффективность при прогнозировании послеоперационных осложнений у пациентов хирургического профиля [25].

5. Заключение

Разработанный расчётно-прогностический может быть рекомендован в качестве стандартной платформы для оперативного прогнозирования санитарных потерь, планирования мероприятий медицинского обеспечения и проведения преклинических исследований в области военно-полевой хирургии и травматологии. Высокие операционные характеристики модели (AUC=0,988; Se=96,2%; Sp=95,0%; общая точность Acc=95,4% при пороге ИТП=0,66) позволяют использовать её в качестве основы системы поддержки принятия решений тактического звена медицинской службы. На основании изложенной методики в настоящее время инициирована разработка одноимённого программного обеспечения «Моделирование тяжести поражения персонала объектов наземной инфраструктуры минно-взрывными факторами в условиях военных действий», которое обеспечит автоматизированный расчёт зон поражения, визуализацию прогнозируемых санитарных потерь в реальном времени, интеграцию с системами управления медицинскими потоками и формирование рекомендаций по организации эвакуационно-лечебных мероприятий.

The additional file for this article can be found as follows: