基于有限元法分析顱骨骨折的致傷方式

魏智彬，林海弘，楊超朋，何光龍,*

（1. 公安部鑒定中心，北京 100038；2. 長春市公安局刑警支隊物證鑒定中心，長春 130000）

顱骨骨折是法醫(yī)實際工作中鈍器傷里一種常見的類型[1]，骨折的致傷方式分析往往是法醫(yī)鑒定的難點、焦點，它有助于判定案件性質(zhì)及重建損傷過程[2]，為案件的偵辦及社會矛盾的化解提供技術(shù)支持。以往，致傷方式分析大多基于鑒定人的經(jīng)驗，這一模式過度依賴主觀經(jīng)驗，且由于解釋時過于抽象，難以被非專業(yè)人士理解。因此有必要探索一種更直觀、可量化的方法對致傷方式進行分析。

有限元法（finite element method，F(xiàn)EM）[3]是將一個連續(xù)體離散為有限個單元后進行數(shù)值分析的方法，最初應(yīng)用于工程學(xué)[4]。近年來，隨著有限元分析軟件和人體模型的研發(fā)應(yīng)用技術(shù)愈發(fā)成熟，軟件運行計算結(jié)果更加符合人體真實情況，使得有限元法越來越多地被應(yīng)用到生物工程學(xué)、臨床及基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中[5-8]。目前，在國內(nèi)法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已有學(xué)者運用有限元模型進行肝臟、脾臟損傷機制的研究[9-10]，但對顱骨骨折的致傷方式進行分析的文獻報道較為少見。

本研究采用有限元法對顱骨骨折進行損傷模擬及生物力學(xué)分析，觀察高墜及鋼管擊打情況下顱骨的應(yīng)力云圖，旨在通過生物力學(xué)來分析骨折的致傷方式，為判斷顱骨骨折的致傷方式提供可視化、可量化的新方法、新技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 案例資料

案情：某地下車庫施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)一中年男性死者。

現(xiàn)場情況：車庫地面為水泥地面。尸體北側(cè)15 cm處有一鋼管焊制的梯子，梯子頂部距地面約2.3 m。尸體北側(cè)2 m處有一車庫立柱，靠立柱北側(cè)地上有一根空心鋼管，長77.8 cm、內(nèi)徑3.5 cm、外徑4.1 cm。

尸檢情況：中年男性尸體，尸長173 cm，發(fā)育正常，營養(yǎng)良好。左頂部頭皮見一直徑約5 cm圓弧形裂創(chuàng)，創(chuàng)緣不規(guī)則，創(chuàng)腔見組織間橋，深達帽狀腱膜。左頂部見12 cm×7 cm頭皮下出血。左頂骨結(jié)節(jié)區(qū)見一5 cm ×4 cm類圓形凹陷性骨折，骨折片中央凹陷最深，骨折線呈五邊形，并向外周放射。雙頂葉見12 cm×10 cm蛛網(wǎng)膜下腔出血，左側(cè)為著（圖1）。左肩胛骨上緣處見4 cm×2 cm挫傷。左肩胛骨內(nèi)側(cè)緣處見3 cm×2 cm挫傷。左手背第二掌指關(guān)節(jié)處見2 cm×2 cm挫傷。

圖1 案例照片（A：現(xiàn)場環(huán)境；B：現(xiàn)場鋼管；C：左頂部頭皮圓弧性裂創(chuàng)；D：左頂骨凹陷性骨折；E：左頂葉蛛網(wǎng)膜下腔出血；F：右頂葉蛛網(wǎng)膜下腔出血）Fig.1 Photos from the case (A: the scene; B: the steel pipe on the scene; C: the circular arc laceration on the left top scalp; D: the conave fracture on the left parietal bone; E/F: the subarachnoid hemorrhage at the left/right parietal lobe)

案例焦點：

1）左頂骨凹陷骨折的致傷方式存疑；

2）致傷方式的表達描述過于抽象，非專業(yè)人員（如：死者家屬、報案人）難以理解、接受。

1.2 有限元模型

人體模型采用由豐田汽車公司和豐田中央研發(fā)實驗室聯(lián)合研發(fā)的THUMS4.02（Total Human Model for Safety 4.02）50%分位的站立位人體模型，該模型身高175 cm，體重77 kg，與案例中死者的身高、體型相近。模型元素總數(shù)約200萬。模型包括皮膚、肌肉、骨骼、臟器等結(jié)構(gòu)，且各結(jié)構(gòu)均被賦予相應(yīng)的材料屬性。

建立鋼管模型，模型尺寸與現(xiàn)場空心鋼管尺寸相同，長77.8 cm、內(nèi)徑3.5 cm、外徑4.1 cm，查閱資料，賦予鋼管剛性材料屬性，密度7.8×10-3g/mm3，彈性模量2×105N/mm，泊松比0.28。

建立地面模型，查閱資料，賦予地面剛性材料屬性，密度1.8×10-3g/mm3，彈性模量2.07×104N/mm，泊松比0.3。

1.3 模擬方法

1.3.1 模擬高墜

根據(jù)現(xiàn)場梯子頂部距地面的高度，利用MADYMO軟件（荷蘭TNO公路汽車研究學(xué)會）計算人體著地時的瞬時速度為8.04 m/s。將地面模型與人體模型導(dǎo)入LS_Prepost軟件（美國LSTC公司），限制地面模型的移動，調(diào)整人體與地面的空間位置，賦予人體模型重力及著地時的速度8.04 m/s，將兩者定義為面面接觸，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.5。將完成的模型組導(dǎo)入LSTC Program Manager軟件（美國LSTC公司）中求解，然后利用LS_Prepost軟件進行后處理，提取等效應(yīng)力（von mises stress）等參數(shù)（圖2A）。

1.3.2 模擬鋼管擊打

利用高速攝像機測算成年男性實驗人員模擬持握同種鋼管戳擊時的最大速度為5.8 m/s。將鋼管模型與人體模型導(dǎo)入LS_Prepost軟件，限制人體模型的移動，調(diào)整鋼管與人體模型頭部的空間位置，確保打擊位置與模擬頭部著地部位相同，賦予鋼管接觸頭部時的速度5.8 m/s，將兩者定義為面面接觸，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.4。將完成的模型組導(dǎo)入LSTC Program Manager軟件中求解，然后利用LS_Prepost軟件進行后處理，提取等效應(yīng)力等參數(shù)（圖2B）。

圖2 損傷模擬示意圖（A：模擬高墜；B：模擬鋼管擊打）Fig.2 Schematic for simulation about damage (A: simulated falling from high; B: simulated hitting with a steel pipe)

2 結(jié)果

2.1 模擬高墜

模擬高墜的應(yīng)力云圖顯示，當左頂部與地面接觸后，等效應(yīng)力最先集中出現(xiàn)在左頂骨與地面接觸區(qū)中心點，隨著顱骨的凹陷，應(yīng)力向四周擴散，中心區(qū)應(yīng)力逐漸減弱，四周應(yīng)力不斷增強，范圍擴大，最終形成類圓形的應(yīng)力區(qū)（圖3）。

圖3 高墜時顱骨應(yīng)力云圖（A：0 ms時；B：4 ms時；C：5 ms時；D：6 ms時；E：7 ms時；F：8 ms時）Fig.3 Stress nephogram during simulated falling from high at (A: 0 ms; B: 4 ms; C: 5 ms; D: 6 ms; E: 7 ms; F: 8 ms)

2.2 模擬鋼管擊打

模擬鋼管擊打的應(yīng)力云圖顯示，當鋼管與頭部接觸后，等效應(yīng)力最先集中在管壁與顱骨的接觸區(qū)，并且應(yīng)力呈弧形或環(huán)形持續(xù)集中分布在接觸區(qū)，鋼管未接觸的顱骨中心區(qū)應(yīng)力始終分布不明顯（圖4）。

圖4 鋼管擊打時應(yīng)力云圖（A：0ms時；B：0.5ms時；C：1ms時；D：1.5ms時；E：2ms時；F：3ms時）Fig.4 Stress nephogram during hitting with a steel pipe at (A: 0ms; B: 0.5ms; C: 1m; D: 1.5ms; E: 2ms; F: 3ms)

2.3 高墜、鋼管擊打模擬結(jié)果比較

對比兩者應(yīng)力云圖，高墜的應(yīng)力最先從受力區(qū)中心點開始，隨著顱骨塌陷后，應(yīng)力向四周傳導(dǎo)，最后形成類圓形應(yīng)力區(qū)；空心鋼管擊打時，應(yīng)力最早呈弧形或環(huán)形分布在管壁接觸區(qū)并持續(xù)存在，而鋼管未接觸的顱骨中心區(qū)應(yīng)力始終分布不明顯。

2.4 結(jié)合案例分析

利用有限元法模擬，結(jié)果顯示：高墜情況下，顱骨的突起部位（左頂部結(jié)節(jié)區(qū)）接觸地面后，應(yīng)力最早出現(xiàn)在左頂骨與地面接觸的部位，并隨著顱骨的凹陷逐漸由中心向四周傳導(dǎo)，最終形成類圓形應(yīng)力區(qū)；空心鋼管擊打情況下，應(yīng)力最早呈弧形分布在管壁接觸區(qū)并持續(xù)存在，而鋼管未接觸的顱骨中心區(qū)應(yīng)力始終分布不明顯。結(jié)合案例顱骨凹陷骨折形態(tài)呈錐體形，提示受力是由圓心向內(nèi)推擠形成，與有限元法模擬高墜時應(yīng)力的分布、傳導(dǎo)過程一致，分析認為案例中的顱骨凹陷性骨折符合高墜形成（圖5）。

圖5 模擬結(jié)果與實際案例比較（A：模擬高墜，應(yīng)力最先集中出現(xiàn)在左頂骨與地面接觸區(qū)中心點；B：模擬高墜，隨著顱骨凹陷,應(yīng)力由中心向四周擴散形成類圓形應(yīng)力區(qū)；C：實際案例，顱骨凹陷骨折形態(tài)呈錐體形,提示受力由圓心向內(nèi)推擠）Fig.5 Comparison between simulation results and those from the actual case (for the simulated falling from high, A: the stress first concentrated on the center point of the contact area between the left parietal bone and the ground, B: then spread from the center point to the periphery along with the skull being pressed inward, having formed a quasi-circular stress area finally; C: with the actual case, the skull showed a concave shape-conical fracture, suggesting that the force had been pushed towards to the center of the circle)

利用有限元法模擬得到的結(jié)論與實際調(diào)查情況相吻合，并在解釋致傷方式時得到了死者家屬的理解與認同，為后續(xù)工作的順利開展提供了關(guān)鍵性技術(shù)支持，同時有效化解了社會矛盾。

3 討論

顱骨凹陷性骨折（depressed skull fracture，DSF）[11]是指鈍器造成顱骨骨折，骨折塊向內(nèi)移位，骨折的外板位于內(nèi)板的正常解剖位置下方[12]的損傷，多發(fā)生于顱骨被具有較大動能但接觸面較小的物體撞擊時[13-14]。此外，由于顱骨自身解剖結(jié)構(gòu)的特殊性，頂結(jié)節(jié)區(qū)最為突起，當該部位與大平面物體接觸時，頂結(jié)節(jié)區(qū)最先接觸平面物體，發(fā)生向內(nèi)的凹陷變形，進而形成顱骨凹陷性骨折。本研究案例中，由于顱骨損傷形態(tài)的特殊性以及現(xiàn)場有一橫截面與死者頭皮創(chuàng)口形態(tài)、大小類似的空心鋼管，加之傳統(tǒng)致傷方式的分析、介紹模式過于抽象，非專業(yè)人士難以理解，因此對死者顱骨凹陷骨折的致傷方式產(chǎn)生疑慮，從而影響后續(xù)工作的順利進行。

為鑒別高墜與空心鋼管擊打，直觀地展示損傷形成過程，本研究利用有限元法分別模擬這兩種情況，同時，為了增強模擬結(jié)果的準確性，本研究采用與死者身高、體型相仿的人體有限元模型，并根據(jù)現(xiàn)場地面材質(zhì)及空心鋼管的材質(zhì)、尺寸建立工具模型，通過MADYMO軟件計算從梯子上墜落著地瞬時速度并通過真人模擬實驗獲得鋼管擊打最大速度，進行有限元計算。結(jié)果顯示：高墜時顱骨的應(yīng)力最早出現(xiàn)在左頂骨與地面接觸的部位，并隨著顱骨凹陷向四周傳導(dǎo)，最后形成類圓形應(yīng)力區(qū)；而鋼管作用的受力中心區(qū)應(yīng)力分布不明顯，應(yīng)力最早呈弧形分布在管壁接觸區(qū)并持續(xù)存在。案例顱骨凹陷骨折形態(tài)呈錐體形，提示受力是由圓心向內(nèi)推擠形成，與有限元法模擬高墜時應(yīng)力的分布、傳導(dǎo)過程一致，加之顱骨頂結(jié)節(jié)區(qū)最為突起，該部位與大平面物體接觸時發(fā)生向內(nèi)的凹陷變形，因此，綜合分析認為案例顱骨凹陷性骨折符合高墜形成，空心鋼管擊打難以形成。

在法醫(yī)的實際工作中，時常需要對顱骨骨折致傷方式進行分析判斷，但目前該判斷主要是通過觀察分析骨折的位置、形態(tài)等特征，并結(jié)合法醫(yī)本人經(jīng)驗產(chǎn)生的。一方面，該方式存在主觀差異，對法醫(yī)的經(jīng)驗性要求高，不同經(jīng)驗水平的法醫(yī)可能就同一損傷產(chǎn)生不同的判斷；另一方面，該方式使得在解釋結(jié)論時由于表述過于抽象，難以被非專業(yè)人士理解、接受，導(dǎo)致工作效率低，甚至產(chǎn)生社會矛盾。而利用有限元法及有限元人體模型研究、分析致傷方式，可通過設(shè)置力學(xué)等參數(shù)進行損傷量化分析，并以圖片、動畫的形式將損傷直觀、形象地進行展示，實現(xiàn)致傷方式分析由經(jīng)驗化、抽象化到量化、可視化的躍升，便于非專業(yè)人士理解、接受，使之成為法醫(yī)進行致傷方式分析、闡釋的重要輔助手段。

雖然目前在實際損傷案件中涉及的條件因素具有很大不確定性，有限元法難以實現(xiàn)對損傷的完全模擬，但為了提高模擬結(jié)果的準確性，應(yīng)盡量排除可控因素的干擾，比如選擇合適尺寸的人體模型避免身高、體型的影響等。此外，有限元法作為致傷方式分析的輔助手段，需與法醫(yī)的專業(yè)分析相結(jié)合，進而增強模擬結(jié)果的準確性。