有限元方法在交通损伤中的应用及其法医学前景

刘成刚，陆玉军，高　静，刘　清（.金昌市公安局，甘肃 金昌 73700；.昆明医科大学，云南 昆明 650500）



·综述·

有限元方法在交通损伤中的应用及其法医学前景

刘成刚1，陆玉军1，高静1，刘清2
（1.金昌市公安局，甘肃 金昌 737100；2.昆明医科大学，云南 昆明 650500）

摘要：有限元方法（finite element method，FEM）是一种基于计算机技术的数值计算方法，目前已逐渐被应用于医学及生物力学领域。通过有限元分析，可以研究交通损伤中人体结构的受力过程分析和受伤机制，为交通损伤的法医学鉴定提供帮助。本文综述了近年来国内外在交通损伤中颅脑、颈椎、胸腹部、骨盆及四肢的有限元建模和分析进展。

关键词：法医病理学；有限元分析；综述［文献类型］；创伤和损伤；事故，交通

有限元方法（finite element method，FEM）是为适应计算机的使用而发展起来的一种有效的数值计算方法，目前已成为工程设计中不可或缺的重要手段，用于结构作用力分析、变形分析等。工程师常运用数学和力学的知识将实际问题抽象成他们应遵循的基本方程和相应的边界条件，来解决物体具有复杂几何形状及荷载方式的工程技术问题。近年来，随着生物力学的兴起和发展，FEM被越来越多地应用于人体结构受力过程的分析，也为法医学交通损伤机制的研究提供了方法支撑，并为交通损伤与计算机技术的结合提供桥梁作用。

1　在颅脑交通损伤中的应用

对于颅脑模型的建立，已由最初的简化结构过渡为目前越来越精准的复杂颅脑结构。许伟等［1］建立了基于人体解剖学结构的头部三维有限元模型，详细描述了人体头部的主要解剖学结构，包括头皮、颅骨、硬脑膜、脑脊液、软脑膜、大脑、小脑、脑室、脑干、脑镰和脑幕等，具有较好的生物仿真性。Ho等［2］发现，在模拟冲击时，具有沟回的颅脑模型应变和应变率更小，故在建模时应考虑脑沟回结构。郑河荣等［3］设计出高效的可视化平台和建模方法，完成两组MRI断层脑动脉血管的重建，对局部流体动力学环境进行研究。除了整体建模外，Zoghi-Moghadam等［4］还进行了6mm× 6 mm×6 mm立方体单元的局部建模，包括硬脑膜、蛛网膜、软脑膜和相应的脑组织。

按照交通事故中脑在颅腔内的运动方式，颅脑损伤通常分为加速性损伤、减速性损伤、旋转性损伤等。许伟等［1］通过建立人头部三维有限元模型，进行不同速度下冲击器撞击仿真参数分析，得到头部加速度和碰撞侧及对侧颅内压力的数学关系，用以分析研究交通事故中颅脑损伤机制。裴永生等［5］对颅脑侧面碰撞

2　在颈椎交通损伤中的应用

王芳等［13］通过建立人体全颈椎的有限元模型，用于交通事故中挥鞭样损伤的分析。王方等［14］优化了原有的人体颈部有限元模型，包括椎骨和软组织结构，并分别用不同的单元类型模拟，证明在汽车低速碰撞中具有较好的生物逼真度。郭群峰等［15］建立了带有颅底的全颈椎三维有限元模型，满足颈椎有限元分析的几何相似性和力学相似性。Tchako等［16-17］建立了预测损伤的颈椎有限元模型。李雷等［18］将颈枕部的韧带组织模拟为非线性，并验证了该模型在实验分析中的有效性。

交通事故中颈椎以挥鞭样损伤最为常见，不仅包括颈椎损伤，还包括韧带或关节囊损伤，严重者可造成关节脱位及颈髓损伤等。张建国等［19］对全颈椎模型进行研究，证明最大相对转角及各软组织最大应力主要发生在颈7至胸1。姜文等［20］以15g加速度载荷施加于头颈部有限元模型的颈部，得出高速冲击下颈6～7间易发生椎间盘突出。薛强等［21］在建立人体颈4～6有限元生物力学模型的基础上，模拟了其在前冲击荷载下的运动趋势，基本反映了人体颈部冲击动力学响应。杜登云［22］对低速后碰撞下的颈部损伤进行了研究，发现颈椎在后碰撞过程中容易出现椎体骨折、侧块骨折以及爆裂性骨折，椎间盘容易产生中央型、侧方型或混合型突出症状，韧带尤其是前纵韧带容易发生撕裂，小关节疼痛也会发生。

3　在胸腹部交通损伤中的应用

胸腹部模型的建立不仅要考虑内部器官，还要考虑肋骨、胸椎及腰椎等骨骼。蔡志华等［23］建立了具有骨骼及内部软组织的胸部有限元模型，可满足汽车碰撞安全中胸部损伤机理与防护及医学胸部钝器损伤的仿真研究需要。晏礼等［24］建立的胸12至腰2三维有限元模型几何相似性好，与其他体外实验及动态冲击试验所得结果基本一致。李伟［25］利用非线性动态显示FEM构建了具有骨骼组织及内部组织器官的人体胸腹部生物力学有限元模型。Vavalle等［26］建立了全身有限元模型，通过验证，胸腹部的模型具有很好的仿真性。王方等［27］证明，对于车辆碰撞所致冲击载荷中的肋骨损伤生物力学研究，其所应用的人体模型是较为有效的工具。

蔡志华等［23］利用建立的有限元模型对胸部在不同冲击速度与不同冲击方向进行仿真分析，研究了汽车碰撞时冲击载荷下人体胸部的生物力学响应并分析不同损伤指数对胸部损伤的敏感性。李伟［25］建立的有限元模型可用于汽车碰撞中乘员胸腹部损伤的研究，特别是安全带约束乘员肋骨和胸骨的骨折损伤情况，为安全带及其他乘员约束系统的改进提供依据。Golman等［28］通过建立侧面碰撞中人体有限元模型预测人体最易受伤的部位，包括胸腹部及骨盆。Vavalle等［29］通过肋骨有限元模型验证了撞击时肋骨骨折的部位及其当时所受应力的峰值。

4　在骨盆交通损伤中的应用

李正东等［30］建立了包括骶骨、髂骨、双侧股骨头、骶髂关节、髋关节、耻骨联合以及韧带的完整骨盆模型，其几何外形与CT数据高度吻合，且具有真实、有效的骨盆力学特性。王尚城等［31］构建了含动脉的骨盆-股骨-软组织复合体的三维有限元模型，可用于冲击载荷下骨盆动脉的动态响应和损伤分析。

阮世捷等［32-33］研究证明，女性骨盆的密质骨厚度越薄，骨盆刚性越低，并且还证明当骨盆受到的侧面冲击力小于3kN时，骨盆不会受到损伤。姜颖飞［34］证明侧面碰撞中髋臼、骶髂关节、耻骨支、耻骨联合处容易应力集中，易受到损伤，并通过男女骨盆侧面碰撞对比，显示男性骨盆能够承受的最大撞击力为4.62kN，女性为3.55 kN，男性骨盆位移比女性骨盆位移小。王冬梅等［35］发现人体股骨-骨盆复合体模型受侧摔减速冲击载荷作用下，股骨颈、大转子及耻骨联合处易出现骨折。Bréaud等［36］利用有限元模型分析青少年在骑摩托车时造成的骨盆创伤中尿道损伤的机制。

5　在四肢交通损伤中的应用

Silvestri等［37］建立了包括骨质和肌肉的下肢有限元模型，并将肌肉和皮肤的质量分配到相应的骨骼表面节点上。李正东等［38］建立了完整的下肢有限元模型及分析方法，可用于法医学损伤机制的分析与研究。韩勇等［39］提出的人体下肢有限元模型，在验证汽车-行人碰撞时具有较好的生物逼真度和生物力学响应。Kiapour等［40］建立了膝关节的有限元模型来研究膝关节的损伤机制。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时下肢的损伤机制和损伤阈值。Shin等［43］建立了车辆碰撞时脚和脚踝的有限元模型。

Chang等［44］通过有限元分析预测了正面碰撞时腿部肌肉对臀部、大腿及膝盖的影响。蔡志华［45］分别就碰撞器的高度、刚度和初始速度等参数，通过对比不同参数下的冲击力曲线，分析了各参数对行人下肢损伤的影响。穆文浩［46］通过对低速碰撞行人有限元模型分析，提出了对前保险杠系统的优化，提高对车外行人的安全保护。霍永鑫［47］利用FEM模拟碰撞过程对Pilon骨折进行分析，通过不同的应力分布，探究易发生骨折的部位。Mo等［48］利用三点弯曲测试研究了胫骨的损伤机制。

6　应用前景

交通损伤是法医学鉴定中的常见内容，传统的鉴定通常以肉眼观察为主，以经验判断损伤的致伤方式。随着生物力学的兴起以及各学科之间的日益融合，交通事故中力的作用、传导，受力载体的应力变化、生物力学响应等方面的问题逐渐受到研究人员的重视。人体交通损伤虽然有不同的表现方式，但从力学角度分析都有着相似的发展过程。因此利用应力的作用、分布及应变特点分析交通损伤的致伤机制，有助于疑难案例的法医学鉴定，FEM恰恰起到桥梁作用，满足人体交通损伤的力学分析。

目前，由于人体组织的生物力学特性及响应性的差别，FEM只能在给定的边界条件、荷载及材料参数下相对地、近似地应用于问题分析，且以预测最大受力点和改进交通安全设施为主要目标。但是随着研究内容的拓宽、计算机技术的发展和研究手段的丰富，FEM将会成为法医学交通损伤鉴定中的有力工具，增加法医鉴定时判断的准确性。

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（本文编辑：刘宁国）

中图分类号：DF795.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1004-5619.2016.03.009

文章编号：1004-5619（2016）03-0196-04

作者简介：刘成刚（1968—），男，副主任法医师，主要从事法医病理及损伤研究

通信作者：刘清，男，副教授，硕士研究生导师，主要从事毒（药）物分析研究；E-mail：liuq1206@aliyun.com过程进行仿真，通过分析颅脑碰撞过程中各个时期的应力云图，得到头部所能承受损伤外力的极限。胡浩［6］认为，通过分析头部伤害指数（head injury criteria，HIC）及与损伤生物力学相关的物理参数，能够更全面有效地反映车辆碰撞时颅脑损伤情况。徐臣等［7-8］通过建立有限元模型，分别研究了交通事故中颅脑减速伤和颅脑加速伤的损伤机制。戴继明［9］通过事故重建发现，由于颈部作用力而引起头部边界条件以及动力学响应的改变，会使头部颅脑损伤参数有较大差别。Rowson等［10-12］通过有限元分析来预测脑震荡及轴索损伤，对交通事故中颅脑损伤的分析也有一定帮助。

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