有限元方法在交通損傷中的應(yīng)用及其法醫(yī)學(xué)前景

劉成剛，陸玉軍，高　靜，劉　清（.金昌市公安局，甘肅 金昌 73700；.昆明醫(yī)科大學(xué)，云南 昆明 650500）

?

·綜述·

有限元方法在交通損傷中的應(yīng)用及其法醫(yī)學(xué)前景

劉成剛1，陸玉軍1，高靜1，劉清2
（1.金昌市公安局，甘肅 金昌 737100；2.昆明醫(yī)科大學(xué)，云南 昆明 650500）

摘要：有限元方法（finite element method，F(xiàn)EM）是一種基于計算機(jī)技術(shù)的數(shù)值計算方法，目前已逐漸被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)及生物力學(xué)領(lǐng)域。通過有限元分析，可以研究交通損傷中人體結(jié)構(gòu)的受力過程分析和受傷機(jī)制，為交通損傷的法醫(yī)學(xué)鑒定提供幫助。本文綜述了近年來國內(nèi)外在交通損傷中顱腦、頸椎、胸腹部、骨盆及四肢的有限元建模和分析進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：法醫(yī)病理學(xué)；有限元分析；綜述［文獻(xiàn)類型］；創(chuàng)傷和損傷；事故，交通

有限元方法（finite element method，F(xiàn)EM）是為適應(yīng)計算機(jī)的使用而發(fā)展起來的一種有效的數(shù)值計算方法，目前已成為工程設(shè)計中不可或缺的重要手段，用于結(jié)構(gòu)作用力分析、變形分析等。工程師常運(yùn)用數(shù)學(xué)和力學(xué)的知識將實際問題抽象成他們應(yīng)遵循的基本方程和相應(yīng)的邊界條件，來解決物體具有復(fù)雜幾何形狀及荷載方式的工程技術(shù)問題。近年來，隨著生物力學(xué)的興起和發(fā)展，F(xiàn)EM被越來越多地應(yīng)用于人體結(jié)構(gòu)受力過程的分析，也為法醫(yī)學(xué)交通損傷機(jī)制的研究提供了方法支撐，并為交通損傷與計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合提供橋梁作用。

1　在顱腦交通損傷中的應(yīng)用

對于顱腦模型的建立，已由最初的簡化結(jié)構(gòu)過渡為目前越來越精準(zhǔn)的復(fù)雜顱腦結(jié)構(gòu)。許偉等［1］建立了基于人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的頭部三維有限元模型，詳細(xì)描述了人體頭部的主要解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，包括頭皮、顱骨、硬腦膜、腦脊液、軟腦膜、大腦、小腦、腦室、腦干、腦鐮和腦幕等，具有較好的生物仿真性。Ho等［2］發(fā)現(xiàn)，在模擬沖擊時，具有溝回的顱腦模型應(yīng)變和應(yīng)變率更小，故在建模時應(yīng)考慮腦溝回結(jié)構(gòu)。鄭河榮等［3］設(shè)計出高效的可視化平臺和建模方法，完成兩組MRI斷層腦動脈血管的重建，對局部流體動力學(xué)環(huán)境進(jìn)行研究。除了整體建模外，Zoghi-Moghadam等［4］還進(jìn)行了6mm× 6 mm×6 mm立方體單元的局部建模，包括硬腦膜、蛛網(wǎng)膜、軟腦膜和相應(yīng)的腦組織。

按照交通事故中腦在顱腔內(nèi)的運(yùn)動方式，顱腦損傷通常分為加速性損傷、減速性損傷、旋轉(zhuǎn)性損傷等。許偉等［1］通過建立人頭部三維有限元模型，進(jìn)行不同速度下沖擊器撞擊仿真參數(shù)分析，得到頭部加速度和碰撞側(cè)及對側(cè)顱內(nèi)壓力的數(shù)學(xué)關(guān)系，用以分析研究交通事故中顱腦損傷機(jī)制。裴永生等［5］對顱腦側(cè)面碰撞

2　在頸椎交通損傷中的應(yīng)用

王芳等［13］通過建立人體全頸椎的有限元模型，用于交通事故中揮鞭樣損傷的分析。王方等［14］優(yōu)化了原有的人體頸部有限元模型，包括椎骨和軟組織結(jié)構(gòu)，并分別用不同的單元類型模擬，證明在汽車低速碰撞中具有較好的生物逼真度。郭群峰等［15］建立了帶有顱底的全頸椎三維有限元模型，滿足頸椎有限元分析的幾何相似性和力學(xué)相似性。Tchako等［16-17］建立了預(yù)測損傷的頸椎有限元模型。李雷等［18］將頸枕部的韌帶組織模擬為非線性，并驗證了該模型在實驗分析中的有效性。

交通事故中頸椎以揮鞭樣損傷最為常見，不僅包括頸椎損傷，還包括韌帶或關(guān)節(jié)囊損傷，嚴(yán)重者可造成關(guān)節(jié)脫位及頸髓損傷等。張建國等［19］對全頸椎模型進(jìn)行研究，證明最大相對轉(zhuǎn)角及各軟組織最大應(yīng)力主要發(fā)生在頸7至胸1。姜文等［20］以15g加速度載荷施加于頭頸部有限元模型的頸部，得出高速沖擊下頸6～7間易發(fā)生椎間盤突出。薛強(qiáng)等［21］在建立人體頸4～6有限元生物力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，模擬了其在前沖擊荷載下的運(yùn)動趨勢，基本反映了人體頸部沖擊動力學(xué)響應(yīng)。杜登云［22］對低速后碰撞下的頸部損傷進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)頸椎在后碰撞過程中容易出現(xiàn)椎體骨折、側(cè)塊骨折以及爆裂性骨折，椎間盤容易產(chǎn)生中央型、側(cè)方型或混合型突出癥狀，韌帶尤其是前縱韌帶容易發(fā)生撕裂，小關(guān)節(jié)疼痛也會發(fā)生。

3　在胸腹部交通損傷中的應(yīng)用

胸腹部模型的建立不僅要考慮內(nèi)部器官，還要考慮肋骨、胸椎及腰椎等骨骼。蔡志華等［23］建立了具有骨骼及內(nèi)部軟組織的胸部有限元模型，可滿足汽車碰撞安全中胸部損傷機(jī)理與防護(hù)及醫(yī)學(xué)胸部鈍器損傷的仿真研究需要。晏禮等［24］建立的胸12至腰2三維有限元模型幾何相似性好，與其他體外實驗及動態(tài)沖擊試驗所得結(jié)果基本一致。李偉［25］利用非線性動態(tài)顯示FEM構(gòu)建了具有骨骼組織及內(nèi)部組織器官的人體胸腹部生物力學(xué)有限元模型。Vavalle等［26］建立了全身有限元模型，通過驗證，胸腹部的模型具有很好的仿真性。王方等［27］證明，對于車輛碰撞所致沖擊載荷中的肋骨損傷生物力學(xué)研究，其所應(yīng)用的人體模型是較為有效的工具。

蔡志華等［23］利用建立的有限元模型對胸部在不同沖擊速度與不同沖擊方向進(jìn)行仿真分析，研究了汽車碰撞時沖擊載荷下人體胸部的生物力學(xué)響應(yīng)并分析不同損傷指數(shù)對胸部損傷的敏感性。李偉［25］建立的有限元模型可用于汽車碰撞中乘員胸腹部損傷的研究，特別是安全帶約束乘員肋骨和胸骨的骨折損傷情況，為安全帶及其他乘員約束系統(tǒng)的改進(jìn)提供依據(jù)。Golman等［28］通過建立側(cè)面碰撞中人體有限元模型預(yù)測人體最易受傷的部位，包括胸腹部及骨盆。Vavalle等［29］通過肋骨有限元模型驗證了撞擊時肋骨骨折的部位及其當(dāng)時所受應(yīng)力的峰值。

4　在骨盆交通損傷中的應(yīng)用

李正東等［30］建立了包括骶骨、髂骨、雙側(cè)股骨頭、骶髂關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、恥骨聯(lián)合以及韌帶的完整骨盆模型，其幾何外形與CT數(shù)據(jù)高度吻合，且具有真實、有效的骨盆力學(xué)特性。王尚城等［31］構(gòu)建了含動脈的骨盆-股骨-軟組織復(fù)合體的三維有限元模型，可用于沖擊載荷下骨盆動脈的動態(tài)響應(yīng)和損傷分析。

阮世捷等［32-33］研究證明，女性骨盆的密質(zhì)骨厚度越薄，骨盆剛性越低，并且還證明當(dāng)骨盆受到的側(cè)面沖擊力小于3kN時，骨盆不會受到損傷。姜穎飛［34］證明側(cè)面碰撞中髖臼、骶髂關(guān)節(jié)、恥骨支、恥骨聯(lián)合處容易應(yīng)力集中，易受到損傷，并通過男女骨盆側(cè)面碰撞對比，顯示男性骨盆能夠承受的最大撞擊力為4.62kN，女性為3.55 kN，男性骨盆位移比女性骨盆位移小。王冬梅等［35］發(fā)現(xiàn)人體股骨-骨盆復(fù)合體模型受側(cè)摔減速沖擊載荷作用下，股骨頸、大轉(zhuǎn)子及恥骨聯(lián)合處易出現(xiàn)骨折。Bréaud等［36］利用有限元模型分析青少年在騎摩托車時造成的骨盆創(chuàng)傷中尿道損傷的機(jī)制。

5　在四肢交通損傷中的應(yīng)用

Silvestri等［37］建立了包括骨質(zhì)和肌肉的下肢有限元模型，并將肌肉和皮膚的質(zhì)量分配到相應(yīng)的骨骼表面節(jié)點(diǎn)上。李正東等［38］建立了完整的下肢有限元模型及分析方法，可用于法醫(yī)學(xué)損傷機(jī)制的分析與研究。韓勇等［39］提出的人體下肢有限元模型，在驗證汽車-行人碰撞時具有較好的生物逼真度和生物力學(xué)響應(yīng)。Kiapour等［40］建立了膝關(guān)節(jié)的有限元模型來研究膝關(guān)節(jié)的損傷機(jī)制。Yue等［41-42］建立的下肢模型可以更好地反映交通事故中正面碰撞時下肢的損傷機(jī)制和損傷閾值。Shin等［43］建立了車輛碰撞時腳和腳踝的有限元模型。

Chang等［44］通過有限元分析預(yù)測了正面碰撞時腿部肌肉對臀部、大腿及膝蓋的影響。蔡志華［45］分別就碰撞器的高度、剛度和初始速度等參數(shù)，通過對比不同參數(shù)下的沖擊力曲線，分析了各參數(shù)對行人下肢損傷的影響。穆文浩［46］通過對低速碰撞行人有限元模型分析，提出了對前保險杠系統(tǒng)的優(yōu)化，提高對車外行人的安全保護(hù)?；粲丽危?7］利用FEM模擬碰撞過程對Pilon骨折進(jìn)行分析，通過不同的應(yīng)力分布，探究易發(fā)生骨折的部位。Mo等［48］利用三點(diǎn)彎曲測試研究了脛骨的損傷機(jī)制。

6　應(yīng)用前景

交通損傷是法醫(yī)學(xué)鑒定中的常見內(nèi)容，傳統(tǒng)的鑒定通常以肉眼觀察為主，以經(jīng)驗判斷損傷的致傷方式。隨著生物力學(xué)的興起以及各學(xué)科之間的日益融合，交通事故中力的作用、傳導(dǎo)，受力載體的應(yīng)力變化、生物力學(xué)響應(yīng)等方面的問題逐漸受到研究人員的重視。人體交通損傷雖然有不同的表現(xiàn)方式，但從力學(xué)角度分析都有著相似的發(fā)展過程。因此利用應(yīng)力的作用、分布及應(yīng)變特點(diǎn)分析交通損傷的致傷機(jī)制，有助于疑難案例的法醫(yī)學(xué)鑒定，F(xiàn)EM恰恰起到橋梁作用，滿足人體交通損傷的力學(xué)分析。

目前，由于人體組織的生物力學(xué)特性及響應(yīng)性的差別，F(xiàn)EM只能在給定的邊界條件、荷載及材料參數(shù)下相對地、近似地應(yīng)用于問題分析，且以預(yù)測最大受力點(diǎn)和改進(jìn)交通安全設(shè)施為主要目標(biāo)。但是隨著研究內(nèi)容的拓寬、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和研究手段的豐富，F(xiàn)EM將會成為法醫(yī)學(xué)交通損傷鑒定中的有力工具，增加法醫(yī)鑒定時判斷的準(zhǔn)確性。

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（本文編輯：劉寧國）

中圖分類號：DF795.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1004-5619.2016.03.009

文章編號：1004-5619（2016）03-0196-04

作者簡介：劉成剛（1968—），男，副主任法醫(yī)師，主要從事法醫(yī)病理及損傷研究

通信作者：劉清，男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事毒（藥）物分析研究；E-mail：liuq1206@aliyun.com過程進(jìn)行仿真，通過分析顱腦碰撞過程中各個時期的應(yīng)力云圖，得到頭部所能承受損傷外力的極限。胡浩［6］認(rèn)為，通過分析頭部傷害指數(shù)（head injury criteria，HIC）及與損傷生物力學(xué)相關(guān)的物理參數(shù)，能夠更全面有效地反映車輛碰撞時顱腦損傷情況。徐臣等［7-8］通過建立有限元模型，分別研究了交通事故中顱腦減速傷和顱腦加速傷的損傷機(jī)制。戴繼明［9］通過事故重建發(fā)現(xiàn)，由于頸部作用力而引起頭部邊界條件以及動力學(xué)響應(yīng)的改變，會使頭部顱腦損傷參數(shù)有較大差別。Rowson等［10-12］通過有限元分析來預(yù)測腦震蕩及軸索損傷，對交通事故中顱腦損傷的分析也有一定幫助。

收稿日期：（2015-04-10）

Application of Finite Element Method in Traffic Injury and Its Prospect in Forensic Science

LIU Cheng-gang1，LU Yu-jun1，GAO Jing1，LIU Qing2
（1.Jinchang Public Security Bureau，Jinchang 737100，China；2.Kunming Medical University，Kunming 650500，China）

Abstract：The finite element method（FEM）is a numerical computation method based on computer technology，and has been gradually applied in the fields of medicine and biomechanics.The finite element analysis can be used to explore the loading process and injury mechanism of human body in traffic injury.FEM is also helpful for the forensic investigation in traffic injury.This paper reviews the development of the finite element models and analysis of brain，cervical spine，chest and abdomen，pelvis，limbs at home and aboard in traffic injury in recent years.

Key words：forensic pathology；finite element analysis；review［publication type］；wounds and injuries；accidents，traffic