人體胸廓骨骼三維有限元模型的構(gòu)建及生物力學(xué)分析

邵 煜 ，黃 平 ，李正東 ，劉寧國(guó) ，萬(wàn) 雷 ，鄒冬華 ，陳憶九

（1.復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院法醫(yī)學(xué)系，上海 200032；2.司法部司法鑒定科學(xué)技術(shù)研究所 上海市法醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200063）

胸廓骨性結(jié)構(gòu)作為胸腔器官的主要保護(hù)性結(jié)構(gòu)，在胸部損傷時(shí)常首先受累[1-2]，遭受外力作用后可形成打擊性骨折和擠壓性骨折，損傷后的胸廓結(jié)構(gòu)失去完整性，喪失了對(duì)體內(nèi)重要器官的保護(hù)作用，骨折斷端甚至可能直接對(duì)內(nèi)部器官造成嚴(yán)重?fù)p傷。通過(guò)對(duì)胸廓骨性結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變趨勢(shì)分析，有助于闡明胸部損傷的致傷機(jī)制，可為法醫(yī)損傷學(xué)研究提供參考依據(jù)。本研究根據(jù)尸體胸部多層螺旋CT（multislice computed tomography，MSCT）掃描圖像數(shù)據(jù)，探索性地運(yùn)用有限元建模及分析軟件構(gòu)建人體胸廓三維有限元模型并進(jìn)行胸部應(yīng)變趨勢(shì)分析。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)標(biāo)本：成年男性尸體1例，發(fā)育正常，體型中等，排除生前患有骨骼系統(tǒng)疾病。尸體軀干部影像學(xué)圖像采集方案經(jīng)家屬知情同意，并經(jīng)上海市法醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

軟件環(huán)境：Windows 7 64 bit，Mimics 13.0（比利時(shí) Materialise公司），ANSYS Workbench 12.0（美國(guó)ANSYS 公司），LS-PrePost 3.0（美國(guó) LSTC 公司）。

硬件環(huán)境：Inter?XeonTME5520 CPU 2.27 GHz，內(nèi)存DDR3 1333共8G，圖形加速卡 Nvidia FX580。CT掃描：40排MSCT（德國(guó)SIMENS公司）。

1.2 方法

1.2.1 MSCT掃描

將尸體用專(zhuān)用裹尸袋包裹，取仰臥位放置于檢查床上進(jìn)行全身掃描。掃描范圍取顱頂至第5腰椎與骶骨交界處平面，掃描條件設(shè)置為管電壓120kV，管電流 380 mA，層厚 5 mm，螺距 0.55∶1。 重建參數(shù)：層厚0.6mm，層距0.4mm，重建視野200mm，骨窗算法（窗寬1500HU，窗位450HU）高分辨率重建。以像素為1024×1024的.dic文件格式圖像輸出。

1.2.2 有限元建模

應(yīng)用Mimics 13.0軟件的圖像分割功能進(jìn)行操作，設(shè)定骨骼閾值范圍（96～3071）后填補(bǔ)骨骼蒙罩中的像素空洞，并選取第7頸椎至第4腰椎范圍進(jìn)行后續(xù)編輯；采用區(qū)域增長(zhǎng)操作生成新的胸廓骨骼蒙罩并構(gòu)建初步的三維模型，使用三維視圖蒙罩編輯及CT圖像蒙罩編輯功能對(duì)模型進(jìn)行精加工（去除殘留的肩胛骨胸鎖關(guān)節(jié)、軟組織及器官等圖像）后，進(jìn)行平滑及包裹操作，生成最終胸廓骨骼三維模型；對(duì)胸廓骨骼三維模型進(jìn)行網(wǎng)格化，通過(guò)設(shè)定三角片形狀質(zhì)量閾值、最大幾何學(xué)誤差等參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量控制，四面體網(wǎng)格最大邊長(zhǎng)限制為10mm，最終生成胸廓骨骼三維有限元模型，以.cdb文件格式導(dǎo)出。

1.2.3 有限元分析前處理

在ANSYS Workbench 12.0軟件中導(dǎo)入胸廓骨骼三維有限元模型，依據(jù)文獻(xiàn)[3]對(duì)胸廓賦予相應(yīng)的彈塑性骨骼材料屬性，定義材料塑性破壞應(yīng)變極限值為0.02。建立拳頭大小的圓柱體打擊物，將其定義為剛體并賦予骨皮質(zhì)材料屬性，設(shè)定打擊物以4、6及8 m/s的速度與胸廓右季肋部正面碰撞，同時(shí)對(duì)胸廓模型的第4腰椎進(jìn)行固定，進(jìn)行有限元計(jì)算。

1.2.4 有限元分析后處理

在LS-PrePost 3.0軟件中觀測(cè)胸廓有限元模型在遭受不同速度和方向的打擊時(shí)的形變、位移情況并考察范米斯應(yīng)力（Von-Mises stress）及最大主應(yīng)變（maximum principal strain）等生物力學(xué)指標(biāo)的整體分布及局部變化情況。

2 結(jié) 果

2.1 胸廓骨性結(jié)構(gòu)三維模型及有限元模型的構(gòu)建

應(yīng)用Mimics 13.0軟件結(jié)合MSCT掃描影像學(xué)數(shù)據(jù)完成正常人體胸廓骨性結(jié)構(gòu)的三維重建，生成包括胸骨、肋骨、脊柱在內(nèi)的三維有限元實(shí)體模型（圖1A、B），模型由617381個(gè)四面體單元及153529個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，單元最大邊長(zhǎng)為10mm，平均質(zhì)量＞0.7，符合有限元人體生物力學(xué)分析要求。模型細(xì)致逼真，完整地再現(xiàn)及保留了重要的解剖學(xué)特征。打擊物模型由55 143個(gè)單元及9998個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，打擊物與胸廓之間定義為滑動(dòng)摩擦（圖1C）。

圖1 胸廓有限元模型以及有限元打擊物模型的構(gòu)建

2.2 胸廓有限元模型應(yīng)變趨勢(shì)分析

模擬胸廓模型右季肋部遭受4、6及8m/s的打擊物正面打擊的過(guò)程，結(jié)果顯示胸廓在遭受正面打擊后的5ms內(nèi)，碰撞部位的肋骨發(fā)生局部彎曲，帶動(dòng)胸廓發(fā)生整體變形并向后位移，胸廓移動(dòng)到一定程度后發(fā)生回彈。胸廓模型的應(yīng)變分布圖（圖2～3）顯示，碰撞發(fā)生后碰撞點(diǎn)肋骨的打擊側(cè)與打擊對(duì)側(cè)首先產(chǎn)生應(yīng)變集中，隨后應(yīng)變同時(shí)沿肋骨向兩側(cè)傳播，在近胸骨處及肋骨后側(cè)產(chǎn)生應(yīng)變集中，隨后在肋骨上發(fā)生應(yīng)變?cè)俜植?，最終隨著胸廓的回彈其應(yīng)變值亦逐漸減小。4 m/s的打擊過(guò)程中，胸廓未發(fā)生骨折；6 m/s的打擊過(guò)程中，打擊點(diǎn)肋骨于2.3ms時(shí)發(fā)生骨折，骨折處單元最大主應(yīng)變達(dá)到0.020，范米斯應(yīng)力值為138MPa；8 m/s的打擊過(guò)程中，打擊點(diǎn)肋骨于0.8 ms時(shí)發(fā)生骨折，骨折處最大主應(yīng)變達(dá)到0.026，最大范米斯應(yīng)力值達(dá)到 131MPa（圖 4）。

圖2 以4m/s速度正面打擊下胸廓有限元模型應(yīng)變分布情況（平視圖）

圖3 以4m/s速度正面打擊下胸廓橫斷面應(yīng)變分布情況（俯視圖）

圖4 以8m/s速度正面打擊下胸廓應(yīng)變分布情況

3 討 論

有限元方法（finite element method，F(xiàn)EM）是一種求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的方法，距今已有60多年的發(fā)展歷史。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和醫(yī)學(xué)影像水平的提高，有限元方法與CT三維重建技術(shù)及其他虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合已逐漸應(yīng)用于生物工程學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，并日漸成為生物力學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)手段，可以有效地分析人體結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)，如受外力作用時(shí)人體組織的外部沖擊響應(yīng)及內(nèi)部應(yīng)力分布等，在損傷發(fā)生預(yù)測(cè)、損傷程度評(píng)估、不同致傷方式造成的損傷辨別方面展現(xiàn)了其有效性[4-5]。目前，有限元方法應(yīng)用于人體骨性結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)研究，主要集中于顱骨、脊柱、骨盆及下肢骨骼等部位[6-12]，對(duì)于肋骨的損傷生物力學(xué)研究亦有開(kāi)展[3，13-14]，而對(duì)于胸廓整體的研究則較為少見(jiàn)，相關(guān)研究主要應(yīng)用于汽車(chē)安全、生物工程及臨床醫(yī)學(xué)等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域[15-19]，而運(yùn)用有限元方法對(duì)法醫(yī)損傷學(xué)進(jìn)行研究較少見(jiàn)。

3.1 模型建立

本研究運(yùn)用建模軟件Mimics、有限元分析軟件ANSYS Workbench以及有限元前后處理軟件LSPrePost等數(shù)字仿真技術(shù)構(gòu)建高質(zhì)量的胸廓骨骼三維有限元模型并進(jìn)行應(yīng)變趨勢(shì)分析。研究構(gòu)模過(guò)程中運(yùn)用Mimics軟件將CT圖像閾值設(shè)定在96～3071范圍內(nèi)可基本囊括胸廓骨性結(jié)構(gòu)及極少量胸、腹壁軟組織與器官，非骨性部分可通過(guò)區(qū)域增長(zhǎng)操作去除，同時(shí)經(jīng)三維視圖蒙罩編輯操作去除殘留肩胛骨圖像、分離胸鎖關(guān)節(jié)，整個(gè)胸廓結(jié)構(gòu)得以獨(dú)立成像。但經(jīng)過(guò)上述操作構(gòu)建的三維模型精細(xì)度較低，存在大量表面縫隙、毛刺及內(nèi)部空洞，影響應(yīng)變分析。在研究過(guò)程中通過(guò)像素調(diào)節(jié)操作填補(bǔ)內(nèi)部空洞，并對(duì)每一層CT圖像手動(dòng)編輯擦除模型表面毛刺，使用平滑及包裹功能填補(bǔ)表面縫隙并進(jìn)行平滑，經(jīng)加工后形成高質(zhì)量的胸廓三維模型。

由于直接將Mimics軟件形成的胸廓三維模型網(wǎng)格化，生成的有限元模型往往存在四面體網(wǎng)格大小不一、分布不均以及數(shù)量過(guò)多的缺陷，可導(dǎo)致后續(xù)有限元分析耗時(shí)較長(zhǎng)、產(chǎn)生誤差，甚至引起報(bào)錯(cuò)導(dǎo)致計(jì)算提前終止。本研究對(duì)三維模型劃分體網(wǎng)格前，先行平滑與減少三角片等優(yōu)化操作以均衡網(wǎng)格大小、減少網(wǎng)格數(shù)量，并在此過(guò)程中設(shè)定多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量控制，如最大幾何學(xué)誤差、成角設(shè)定閾值等。優(yōu)化操作后模型仍可能存在網(wǎng)格倒錯(cuò)、畸形等潛在問(wèn)題，本研究使用修復(fù)向?qū)Чδ苓M(jìn)行檢查與修復(fù)，再進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，在設(shè)定單元最大邊長(zhǎng)為10mm的情況下，即可得到單元平均質(zhì)量＞0.7的模型。研究中，曾嘗試將單元最大邊長(zhǎng)設(shè)定為5 mm，生成的有限元模型單元平均質(zhì)量較10mm單元略高，但該模型單元數(shù)量巨大，顯著增加模型的軟件讀取及計(jì)算時(shí)間，不適用于本次研究。

3.2 力作用變化趨勢(shì)分析

本研究使用LS-PrePost軟件進(jìn)行有限元計(jì)算結(jié)果的分析，該軟件作為目前國(guó)際上主流的有限元分析前后處理軟件，能夠?qū)τ邢拊治鼋Y(jié)果中諸如形變、位移、應(yīng)力、應(yīng)變等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析處理，其數(shù)據(jù)可以靜態(tài)圖像、動(dòng)畫(huà)及時(shí)程圖等形式顯示（圖2～4），結(jié)果形象、生動(dòng)。此外，本研究將附有組織破壞極限指標(biāo)的材料屬性引入有限元模型中，通過(guò)在骨骼材料屬性賦值過(guò)程中直接定義破壞極限數(shù)值，使有限元軟件在計(jì)算過(guò)程中自動(dòng)對(duì)超出損傷極限值的骨骼單元進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分離、失效或刪除操作，以顯示骨折形態(tài)，使損傷形態(tài)表現(xiàn)更為直觀，且在計(jì)算過(guò)程中即時(shí)失效或刪除被破壞的骨骼單元，可避免該破壞單元對(duì)相鄰正常單元及模型整體生物力學(xué)響應(yīng)造成的影響，使得計(jì)算結(jié)果更趨真實(shí)性。

此外，有限元分析結(jié)果顯示，遭打擊的肋骨在擊打處發(fā)生局部向內(nèi)彎曲，打擊側(cè)胸廓承受沖擊能量并發(fā)生明顯的整體變形與位移，移動(dòng)一定距離后發(fā)生回彈，該運(yùn)動(dòng)方式符合傳統(tǒng)骨骼生物力學(xué)響應(yīng)規(guī)律；胸廓模型的應(yīng)變分布情況（圖2～3）顯示，打擊處肋骨首先出現(xiàn)應(yīng)變集中，且分布在肋骨打擊側(cè)與打擊對(duì)側(cè)，分別對(duì)應(yīng)受力側(cè)的壓應(yīng)變與受力對(duì)側(cè)的拉應(yīng)變，隨后應(yīng)變沿肋骨內(nèi)外兩側(cè)向胸骨及脊柱傳播，在相應(yīng)位置形成應(yīng)變集中，符合肋骨受到直接外力與間接外力后的生物力學(xué)響應(yīng)方式。肋骨不同位置的應(yīng)變分布時(shí)程圖顯示打擊處肋骨與肋骨后側(cè)部位的有效應(yīng)變最大值近似，略高于近胸骨處肋骨的有效應(yīng)變最大值；在6m/s與8m/s的打擊過(guò)程中，當(dāng)肋骨受力后產(chǎn)生應(yīng)變超過(guò)其極限強(qiáng)度時(shí)，即在相應(yīng)位置發(fā)生骨折，且骨折發(fā)生時(shí)該部位單元的范米斯應(yīng)力值同樣超出相應(yīng)的極限強(qiáng)度，符合傳統(tǒng)骨骼損傷機(jī)制理論[2]。

4 展 望

本研究基于MSCT圖像構(gòu)建胸廓有限元模型，其外形具備較高的解剖學(xué)精確度與幾何學(xué)仿真度。為了減輕計(jì)算負(fù)擔(dān)，本研究在模型的分割及材料屬性賦值方面進(jìn)行了一系列簡(jiǎn)化操作，如將整個(gè)胸廓定義為整體，未分離出肋軟骨及椎間盤(pán)結(jié)構(gòu)；將胸廓骨質(zhì)定義為均質(zhì)，并對(duì)其賦予肋骨骨皮質(zhì)的材料屬性，未分離出骨松質(zhì)；本模型僅僅構(gòu)建了胸廓骨骼的有限元模型，未構(gòu)建胸、腹壁軟組織及相關(guān)韌帶等結(jié)構(gòu)。上述因素導(dǎo)致有限元模型與真實(shí)人體胸廓在生物力學(xué)特性方面存在一定偏差，如本次有限元分析結(jié)果顯示遭受打擊部位肋骨僅在外側(cè)受壓部位發(fā)生骨折，而對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)受拉部位未發(fā)生骨折，不符合肋骨較易在拉應(yīng)力集中部位發(fā)生損傷的規(guī)律。通過(guò)后續(xù)研究可將胸廓模型分割為不同的組織結(jié)構(gòu)如鎖骨、肋軟骨、肋骨、脊柱、椎間盤(pán)等，并可分離骨皮質(zhì)與骨松質(zhì)、纖維環(huán)與髓核等，對(duì)其分別賦予相應(yīng)的材料屬性可以使整個(gè)胸廓模型的生物力學(xué)仿真度及仿真計(jì)算的可信度大大提高，進(jìn)一步為法醫(yī)學(xué)損傷機(jī)制研究提供方法。

（本研究得到復(fù)旦大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助。）

[1]Tariq UM，F(xiàn)aruque A，Ansari H，et al.Changes in the patterns，presentation and management of penetrating chest trauma patients at a levelⅡtrauma centre in southern Pakistan over the last two decades[J].Interact Cardiovasc Thorac Surg，2011，12（1）：24-27.

[2]閔建雄.法醫(yī)損傷學(xué)[M].第2版.北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2010：73-126.

[3]Li Z，Kindig MW，Kerrigan JR，et al.Rib fractures under anterior-posterior dynamic loads：experimental and finite-element study[J].J Biomech，2010，43（2）：228-234.

[4]陳憶九，鄒冬華，邵煜.有限元方法在法醫(yī)損傷鑒定中的應(yīng)用[J].中國(guó)司法鑒定，2010，（5）：28-32.

[5]邵煜，鄒冬華，劉寧國(guó)，等.有限元方法在法醫(yī)學(xué)顱腦損傷分析中的應(yīng)用[J].法醫(yī)學(xué)雜志，2010，26（6）：449-453.

[6]Raul JS，Deck C，Willinger R，et al.Finite-element models of the human head and their applications in forensic practice[J].Int J Legal Med，2008，122（5）：359-366.

[7]遲增德，李春海，劉尚禮.有限元分析在脊柱外科生物力學(xué)的應(yīng)用[J].生物骨科材料與臨床研究，2009，6（4）：14-17.

[8]Li Z，Kim JE，Davidson JS，et al.Biomechanical response of the pubic symphysis in lateral pelvic impacts： a finite element study[J].J Biomech，2007，40（12）：2758-2766.

[9]Orwoll ES，Marshall LM，Nielson CM，et al.Finite element analysis of the proximal femur and hip fracture risk in older men[J].J Bone Miner Res，2009，24（3）：475-483.

[10]黃平，李正東，邵煜，等.基于MSCT和Mimics軟件構(gòu)建人體顱骨三維有限元模型[J].法醫(yī)學(xué)雜志，2011，27（1）：1-4，8.

[11]李正東，鄒冬華，劉寧國(guó)，等.人體骨盆有限元模型的建立及其在法醫(yī)學(xué)鑒定中的應(yīng)用價(jià)值[J].法醫(yī)學(xué)雜志，2010，26（6）：406-412.

[12]鄒冬華，李正東，黃平，等.股骨有限元模型的建立及損傷生物力學(xué)驗(yàn)證[J].法醫(yī)學(xué)雜志，2011，27（4）：241-245.

[13]del Pozo de Dios E，Kindig M，Arregui-Dalmases C，et al.Structural response and strain patterns of isolated ribs under lateral loading[J].International Journal of Crashworthiness，2011，16（2）：169-180.

[14]Kindig M，Lau AG，Kent RW.Biomechanical response of ribs under quasistatic frontal loading[J].Traffic Inj Prev，2011，12（4）：377-387.

[15]Ruan J，El-Jawahri R，Chai L，et al.Prediction and analysis of human thoracic impact responses and injuries in cadaver impacts using a full human body finite element model[J].Stapp Car Crash J，2003，47：299-321.

[16]Ward E，Merkle A，Harrigan T，et al.Comparing blast effects on human torso finite element model against existing lethality curves[C].Oregon：34th DDESB Seminar Portland，2010.

[17]Shigeta K，Kitagawa Y，Yasuki T.Development of next generation human FE model capable of organ injury prediction[C].Toyota Motor Corporation，Japan，2009.

[18]王萑，史儀凱，唐博，等.一種胸廓CT圖像預(yù)處理與三維建模方法的研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27（6）：812-816.

[19]胡輝瑩.人體胸廓胸外按壓的生物力學(xué)測(cè)試與有限元分析[D].廣州：南方醫(yī)科大學(xué)，2008.