下頜火器傷三維有限元動物模型的建立及生物力學(xué)分析

徐 帥 ， 陳渝斌 ， 張 綱 ， 何海濤 ， 譚穎徽

（1． 陸軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院口腔科，重慶 400037；2． 璧山區(qū)人民醫(yī)院口腔科，重慶 402760；3. 陸軍軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院口腔科，重慶 400042）

口腔頜面部位置突出，缺乏防護(hù)，且易受攻擊， 頜面部占體表面積僅2%，但該部位火器傷發(fā)生率卻達(dá)全身的40%[1]，其中暴力、自殺性火器傷甚至可高達(dá)50%以上[2-3]。 頜面部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，火器傷可導(dǎo)致頜面損傷、呼吸道阻塞、出血性休克，嚴(yán)重者甚至可能會危及生命[3-4]。 因此，無論戰(zhàn)時、平時，頜面部火器傷的研究一直是戰(zhàn)創(chuàng)傷研究的重點和難點。 頜面部火器傷的致傷因素是多樣的，全面深入地對頜面部火器傷的致傷機(jī)制和傷情特點進(jìn)行研究，須精準(zhǔn)模擬火器傷的致傷過程。但是，目前觀察及測量火器傷損傷的方法非常局限， 常用動物、尸體、人工材料建立的火器傷生物力學(xué)模型，不能真實地反映火器傷的致傷過程及生物力學(xué)特點[5-6]。因此，我們需要采用新的研究方法來建立更加有效的頜面部軟硬組織火器傷模型。

三維有限元法FEM 模型能夠分析物體間以及物體內(nèi)部復(fù)雜的力學(xué)變化過程，預(yù)測力學(xué)作用的效應(yīng)，可彌補(bǔ)現(xiàn)今頜面部火器傷研究模型的不足[7-9]。因此，將FEM 運用于頜面部火器傷的模型研究，將有利于頜面部軟硬組織火器傷致傷機(jī)制和傷情特點的深入研究，促進(jìn)頜面部火器傷的診斷、救治和戰(zhàn)場防護(hù)。本課題組前期已將FEM 應(yīng)用于頜面部骨組織火器傷、爆炸傷的研究，取得了良好的實驗效果[10-11]。

本研究擬建立豬咬肌-下頜骨軟硬組織火器傷FEM 模型， 動態(tài)仿真模擬子彈致傷豬下頜軟硬組織的過程，并通過動物的火器傷實驗驗證所建立模型的有效性，為研究頜面部軟硬組織火器傷模型提供新的方法。

1 材料和方法

1.1 實驗設(shè)備與軟件

實驗設(shè)備：64 排雙螺旋 CT（General Electric 公司, 美國）；電腦（聯(lián)想公司，中國）；國產(chǎn) 56 式彈道手槍；國產(chǎn)7.62 mm 制式子彈（鋼芯彈，彈頭質(zhì)量7.92 g）；TST6150 動態(tài)圖像數(shù)據(jù)采集存儲儀 （泰斯特公司，中國）；高速圖像攝影儀（Phantom 4.3, 美國）；Mimics 17.0 仿真模擬軟件 （Materialise 公司，比利時）；ANSA 12.0.3 有限元處理軟件 （BETA 公司，希臘）；LS-DYNA 仿真運算求解軟件（LSTC 公司，美國）。

1.2 豬下頜軟硬組織三維有限元模型的建立

體質(zhì)量約6 kg 的新鮮離體豬頭（陸軍軍醫(yī)大學(xué)動物實驗中心）經(jīng)CT 數(shù)字化掃描，掃描參數(shù)為層厚 0.625 mm， 分辨率 512×512 像素， 像素大小0.533 mm，共獲得掃描數(shù)據(jù)452 張。將CT 數(shù)據(jù)以醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像和通訊格式導(dǎo)入Mimics 17.0 仿真模擬軟件進(jìn)行豬下頜骨、咬肌三維模型的建立。

利用Mimics 軟件中的閾值分割功能，從CT 數(shù)據(jù)中提取下頜骨和咬肌模型（骨閾值：226~3071，肌肉閾值：718~177）， 建立豬咬肌-下頜骨軟硬組織FEM 模型， 將FEM 模型進(jìn)行面網(wǎng)格劃分, 然后導(dǎo)入ANSA 軟件中進(jìn)行體網(wǎng)格劃分， 最后生成FEM實體網(wǎng)格模型。 下頜骨由骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)構(gòu)成, 并將其定性為分段線性彈塑性材料。然后在建立好的下頜骨模型上建立左側(cè)咬肌模型： 首先在Mimics軟件中用軟組織圖像形成以肌肉為主的蒙板，然后利用蒙板編輯功能手動將左側(cè)咬肌逐層填充，最后采用無網(wǎng)格方法得到豬咬肌模型，并將肌肉組織定義為各向同性的黏彈性材料。

為了獲得更高的模型精度，在擬進(jìn)行子彈射擊的下頜角區(qū)（下頜骨喙突和下頜骨下緣切線的垂線點與頦孔和下頜骨下緣切線平行線的交點）劃出3.0 cm×2.5 cm 范圍（下頜骨骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)、咬肌），進(jìn)行8 節(jié)點六面體單元網(wǎng)格加密劃分， 再通過節(jié)點分離技術(shù)使相鄰單元格以共節(jié)點方式連接。 模型其余部分采用ANSA 軟件中4 節(jié)點四面體單元格劃分，四面體單元及六面體單元之間采用少量楔形單元格填充。為了將咬肌與下頜骨三維有限元模型裝配在一起，咬肌與下頜骨模型對應(yīng)的區(qū)域采用四面體與六面體單元格。 根據(jù)子彈實物幾何尺寸，在ANSA 軟件中繪制出直徑為7.62 mm、 體質(zhì)量為7.89 g 的子彈FEM 模型，并將其劃分為8 節(jié)點六面體單元格。

1.3 豬下頜火器傷致傷實驗

準(zhǔn)備6 個體質(zhì)量約6 kg 的新鮮離體豬頭，將豬頭下頜骨及咬肌解剖分離，分離過程中不破壞咬肌與下頜骨的附著關(guān)系。將標(biāo)本固定于子彈致傷架上，采用7.62 mm 子彈致傷，射擊距離為6 m, 射擊目標(biāo)為下頜角中心點， 入射角度為與中心點垂直（圖1A）。 子彈射擊過程采用TST6150 動態(tài)圖像數(shù)據(jù)存儲儀測量致傷過程中的各種生物力學(xué)參數(shù)，致傷過程采用Phantom 4.3 高速攝影儀記錄， 并通過測試結(jié)果計算出子彈致傷豬下頜的初速度 （V0）和剩余速度（V），以及速度衰減率和致傷能量，速度衰減率＝（V0-V）/V0，EW＝M/2（V02-V2），Ew 為子彈致傷能量，M 為子彈質(zhì)量。 將測試的子彈剩余速度、速度衰減率、 致傷能量的數(shù)據(jù)與豬下頜火器傷FEM 模型仿真獲得的數(shù)據(jù)通過SPSS 17.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，采用配對t 檢驗， P<0.05 表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

1.4 豬下頜火器傷三維有限元仿真及仿真結(jié)果驗證

火器傷模型中7.62 mm 子彈初速度與豬下頜火器傷測試速度相同，射擊點為下頜角中心，子彈入射角度與下頜角中心點垂直（圖1B），子彈激發(fā)時將7.62 mm 模擬子彈設(shè)定為以子彈長軸為對稱軸中心順時針旋轉(zhuǎn)，子彈旋轉(zhuǎn)速度為3 042 r/s（弧度/秒）。

圖1 豬下頜火器傷致傷實驗?zāi)Ｊ綀DFigure 1 Experimental model of gunshot injury to the mandible of pigs

將下頜骨、子彈模型材料定義為各向同性的分段線塑性材料 （LS-DYNA 程序中的*MAT_024 號材料）[12]， 將咬肌模型定義為各向同性的黏彈性材料（LS-DYNA 程序中的 *MAT_006 號材料）[13]。同時將咬肌模型定義為無網(wǎng)格 （element free galerkin method，EFG）的材料[14]，下頜骨單元格采用節(jié)點失效和單元失效算法， 節(jié)點失效應(yīng)變值設(shè)定為0.08，單元格的失效應(yīng)變值為0.44（骨皮質(zhì)）和1.5（骨松質(zhì)）。 咬肌單元格的失效方式采用*MAT_ADD_EROSION 方式， 子彈是由碳素鋼芯及銅金屬外殼組成。因此，本研究中將子彈定義為低碳鋼材料。模型中各種材料的生物力學(xué)參數(shù)詳見表1[15-17]。 材料參數(shù)：咬肌密度1.040 g/cm3，體積模量5 Mpa，剪切模量0.016 8 Mpa，短剪切模量 0.052 8 Mpa，衰減系數(shù)0.035 m/s。

表1 豬下頜火器傷FEM 仿真材料的力學(xué)參數(shù)Table 1 Material properties of the FEM model of gunshot injuries in the mandible of pigs

將完成參數(shù)設(shè)定及算法設(shè)定的豬下頜軟硬組織火器傷FEM 模型導(dǎo)入LS-DYNA 有限元運算軟件[18]中，選用 LS-DYNA 程序中的 **CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE 運算。 子彈與模型單元格間的滑動摩擦系數(shù)為0.1， 靜態(tài)摩擦系數(shù)為0.44[19]。

2 結(jié)果

2.1 豬下頜三維有限元模型的建立

建立的豬咬肌-下頜骨FEM 模型的單元格數(shù)為674 863 個（四面體單元格616 543 個，六面體單元格50847 個，楔形單元格7473 個），節(jié)點數(shù)為261 997；子彈單元格數(shù)為3 680 個，所有模型單元格均為實體單元。賦予FEM 模型材料力學(xué)參數(shù)后，豬下頜質(zhì)量為6 354.65 g，與離體豬頭質(zhì)量接近，模型與豬下頜解剖結(jié)構(gòu)相似，解剖細(xì)節(jié)損失小（圖2）。

圖2 豬下頜咬肌-下頜骨軟硬組織有限元模型Figure 2 FEM model of masseter muscle and mandibular bone of the pig

2.2 離體豬下頜火器傷致傷實驗

豬下頜火器傷均表現(xiàn)為貫穿性損傷，入口及出口側(cè)彈孔周圍有不規(guī)則缺損斜面。子彈平均初速度為（734.11±11.83） m/s，平均剩余速度為（711.05±14.26） m/s，速度衰減率為（3.14±1.18）%，致傷能量為（131.43±48.47） J。 通過高速攝影發(fā)現(xiàn)，子彈致傷豬下頜的過程中，在入口側(cè)及出口側(cè)均出現(xiàn)細(xì)小的咬肉及下頜骨碎片飛濺的現(xiàn)象，入口側(cè)飛濺的方向與子彈入射方向相反，出口側(cè)與子彈入射方向相同（圖 3A）。

2.3 豬下頜軟硬組織火器傷有限元仿真及仿真結(jié)果驗證

仿真模擬過程中，子彈致傷豬下頜剩余速度為714.19 m/s, 與豬下頜火器傷實測剩余速度接近，經(jīng)SPSS 17.0 軟件單樣本t 檢驗， 差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05，表 2）。 豬下頜軟硬組織火器傷 FEM 動態(tài)仿真結(jié)果與子彈致傷高速攝影結(jié)果相似， 如圖3B所示，表現(xiàn)為子彈入口處及出口處出現(xiàn)明顯的咬肌單元格及下頜骨單元格向子彈入射相反方向飛濺現(xiàn)象，隨后出現(xiàn)一條不規(guī)則的彈道，彈道以不同的速度膨脹， 從而形成一個不規(guī)則的空腔。子彈射穿咬肌時間為250 μs，動態(tài)模擬的咬肌膨脹趨勢與火器傷致傷高速攝影結(jié)果相近，但膨脹幅度相對較小。

圖3 咬肌-下頜骨軟硬組織火器傷仿真結(jié)果與豬下頜子彈致傷高速攝影結(jié)果比較Figure 3 Comparison between experimental and simulation gunshot injury of masseter muscle and mandibular bone of the pig

表2 子彈仿真速度與動物實驗速度比較Table 2 Velocity of entrance and exit of experiment and simulation results

3 討論

頜面部火器傷后，如何在短時間內(nèi)獲取火器致傷信息，詳細(xì)地了解頜面部火器傷傷情，是頜面外科醫(yī)生所關(guān)注的重點。雖然隨著CT 及MRI 等影像技術(shù)的發(fā)展，我們可以判斷頜面部軟硬組織火器傷受傷后的頜面部損傷情況，但影像數(shù)據(jù)只能反映患者火器傷后靜態(tài)的受損狀況，無法直觀、動態(tài)地顯示致傷過程[20]，也很難預(yù)見火器傷后頜面部不同組織可能受到的損壞程度。 因此，我們需要一個理想的頜面部火器傷模型，以動態(tài)、全面地了解火器傷損傷情況，從而指導(dǎo)頜面部火器傷的臨床救治。三維有限元研究是將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的頜面解剖幾何形狀通過數(shù)學(xué)方法劃分，將其簡化為數(shù)量有限的、簡單的、具有相同性質(zhì)的單元格，然后對這些單元格賦予不同的力學(xué)屬性，最后通過計算方程得到相應(yīng)結(jié)果的數(shù)值計算，此方法可用于頜面部火器傷的研究[21]。

三維有限元模型質(zhì)量的高低決定了火器傷動態(tài)仿真的精確度，有限元模型的材料參數(shù)及網(wǎng)格劃分都對火器傷動態(tài)模擬產(chǎn)生重要影響[22]。 因此，本研究以豬頜面部CT 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將影像數(shù)據(jù)直接逆向?qū)隡imics 建模軟件中， 利用軟件的軟硬組織閾值提取功能自動提取頜面部軟硬組織，從而建立豬咬肌-下頜骨FEM 模型。 建立的FEM 三維實體模型與豬真實解剖外形相似，且細(xì)節(jié)損失小。

在有限元分析中， 單元網(wǎng)格劃分是其重點，網(wǎng)格劃分越細(xì)便越接近頜面部解剖形態(tài)；然而過細(xì)的網(wǎng)格會加大計算量。因此，為了減少模型運算時間，提高模型的解剖精準(zhǔn)度和計算效率，我們采用四面體與六面體單元格結(jié)合的方式建立火器傷有限元模型。 將擬子彈致傷的下頜角區(qū)域進(jìn)行單元格加密，從而提高火器傷仿真模擬精準(zhǔn)度。 模型的每一個單元節(jié)點都有自己獨立的編號，2 個單元之間以共節(jié)點方式相連，這些共節(jié)點在不受力時或受力小于設(shè)定閾值時保持連接。 一旦節(jié)點間受力超過閾值，共節(jié)點連接破壞，釋放相鄰單元格，從而產(chǎn)生類似咬肌及骨碎片“飛濺”的現(xiàn)象。

本課題組前期利用有限元建立了豬下頜骨火器傷FEM 模型， 通過該模型驗證了有限元方法在豬下頜骨火器傷研究中的可靠性[23]。但是子彈致傷頜面部時需經(jīng)過皮膚、肌肉等軟組織才能到達(dá)骨組織，單純對骨組織進(jìn)行模擬分析并不能真正反映頜面部火器傷受傷情況，而軟組織在火器傷中損傷往往更為嚴(yán)重，救治更困難。 因此，本研究建立了咬肌-下頜骨火器傷FEM 模型。 豬咬肌-下頜骨火器傷FEM 模型動態(tài)仿真結(jié)果與子彈致傷高速攝影結(jié)果相似，說明所建立的模型真實可靠，可用于頜面部火器傷生物力學(xué)分析及火器傷救治研究。

肌肉組織的生物力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜，子彈致傷時，肌肉組織不僅要變形、收縮，還要吸收能量，進(jìn)而導(dǎo)致肌肉撕裂。肌肉的生物力學(xué)材料模型需要準(zhǔn)確地反映出肌肉的黏彈性、各向異性和收縮等特性[24]。 因此，肌肉的生物力學(xué)研究是具有吸引力和挑戰(zhàn)性的。 鑒于咬肌在被子彈高速致傷時處于松弛狀態(tài)， 所以在模擬過程中忽略了咬肌的收縮性能，并將肌肉組織定義為各向同性的黏彈性材料。

在FEM 模型中， 子彈致傷會對軟硬組織單元格產(chǎn)生很大形變，單元網(wǎng)格往往產(chǎn)生嚴(yán)重畸形甚至扭曲變形，導(dǎo)致仿真模擬失敗。 為了克服有限元研究的不足， 本研究將咬肌模型定義為無網(wǎng)格模型。無網(wǎng)格法是在對于一個問題域建立離散的系統(tǒng)方程時不用事先定義好網(wǎng)格的一種數(shù)值方法，能避免有限元研究中單元格畸變和負(fù)體積產(chǎn)生的影響。因此，該方法在高速沖擊、大變形、爆炸力學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[25]。我們在咬肌組織的火器傷仿真過程中對無網(wǎng)格法進(jìn)行初步探索，本研究采用有限元方法和無網(wǎng)格法進(jìn)行咬肌-下頜骨火器傷仿真模擬，仿真結(jié)果在一定程度上符合動物火器傷實驗結(jié)果，克服了單純采用有限元研究的不足。

FEM 中單元格的材料參數(shù)對火器傷模擬至關(guān)重要， 應(yīng)能真實反映頜面部軟硬組織的生物學(xué)行為，若材料參數(shù)選擇錯誤會嚴(yán)重影響頜面部爆炸傷仿真結(jié)果[6]。 因此，本研究通過火器傷動物實驗獲得豬下頜投射物速度、子彈致傷能量、子彈侵徹過程高速攝影等數(shù)據(jù)來設(shè)定模型的力學(xué)載荷、邊界條件等， 從而保證了火器傷FEM 仿真模擬結(jié)果的有效性和可靠性。

綜上所述，本研究成功建立了豬咬肌-下頜骨軟硬組織火器傷FEM 模型， 并通過離體動物火器傷實驗驗證了所建模型的準(zhǔn)確性，為軟硬組織火器傷模型研究提供了新方法。采用無網(wǎng)格法與有限元法聯(lián)合建立的豬咬肌-下頜骨火器傷模型，其仿真結(jié)果與動物火器傷實驗結(jié)果接近，說明無網(wǎng)格法在肌肉組織火器傷仿真模擬中具有較好的應(yīng)用前景。