有限元法研究高坠中躯干不同部位着地的肋骨骨折机制

胡文虎 ，邵煜 ，李正东 ，邹冬华 ，张建华 ，陈忆九 ，王慧君

（1.南方医科大学法医学院，广东 广州 510515；2.司法鉴定科学研究院 上海市法医学重点实验室 司法部司法鉴定重点实验室 上海市司法鉴定专业技术服务平台，上海 200063）

在城市中，高空坠落是导致残疾和死亡的重要原因[1]。高坠所致损伤可发生在人体的任何部位，钝性胸部损伤是较为常见的损伤形式，而肋骨骨折在胸部损伤中最常见。坠落高度是影响骨折类型和严重程度的主要因素，高度越大，胸部损伤越严重。坠落姿势也是影响损伤严重程度的重要因素，在前侧着地、后侧着地以及侧面着地过程中，高坠者的致死率会有一定的差别[2-4]。高坠的原因主要包括意外摔跌和自杀，对高坠案件的分析大多基于法医尸检所见以及研究者本人的经验，对于躯干不同部位着地所致肋骨骨折的机制并没有准确阐明。

有限元法是一种应用广泛的数学计算方法，将一个连续体分割成若干个有限的单元，然后在每一个单元上求解，是计算机分析复杂问题的有力工具。目前，有限元法也较多应用于生物力学研究。如采用有限元法探索摔跌过程中手的空间位置、骨骼特性对Colles骨折的影响，结果表明，手的方向和骨骼几何形状对Colles骨折有重要影响[5]。MAJUMDER等[6]建立了含有不同人类学差异的有限元模型，目的是研究这些因素在侧面摔跌中对髋骨骨折的影响，结果提示，股骨粗隆部软组织厚度是影响髋骨骨折的最主要参数。以上研究结果表明，有限元法可以用于判断骨折影响因素。有限元法作为一种重要的数字化工具，在损伤预测方面起到重要作用。RAUL等[7]运用有限元法重建了摔跌导致人体头部损伤的过程，模拟结果与实际损伤非常相似，证明了有限元法预测损伤的有效性。邵煜等[8]通过构建人体胸廓三维有限元模型，进行损伤生物力学分析，为推断胸部损伤的致伤方式提供了新思路。在法医损伤鉴定中可通过有限元法研究不同致伤方式下人体损伤的形成机制，有学者[9]通过构建胸腹部有限元模型，在不同方向不同速度条件下打击肝区探讨肝损伤机制。由于有限元法的特殊性，其在法医损伤学研究和实际案件的法医损伤分析中具有重要价值。

本研究采用有限元法研究高坠中躯干不同部位着地对肋骨损伤的影响，研究肋骨骨折的损伤机制，旨在根据肋骨损伤的位置及严重程度推断实际高坠案件中的落地姿势，以期为高坠案件的重建提供新方法。

1 材料与方法

1.1 有限元模型

本研究所用有限元模型是全人类安全模型THUMS4.0，由日本丰田汽车公司和丰田中央研究所共同研发设计。该模型为站立位成人完整人体模型，身高173 cm，体质量77.3 kg，39岁男性。模型内含皮肤、皮下脂肪、肌肉、骨骼、软骨、筋膜、韧带、体内器官、血管、神经等人体主要器官结构，共由1293个部分组成，各组织结构均被赋予相应的材料属性。THUMS4.0有限元模型准确地反映出人体组织结构的解剖学外形，每个部分均被赋予相应的材料属性。不同器官之间的接触定义为滑动摩擦，器官与被膜间的接触同样定义为滑动摩擦，有文献[10]对模型的材料属性和验证进行了相关介绍。

1.2 软件

利用LS-PrePost 4.6软件（美国LSTC公司）进行模拟条件设置及结果后处理，用LS-DYNA R11软件（美国LSTC公司）进行模拟运算。

1.3 研究方法

因人体呈对称状态，右前侧与左前侧、右后侧与左后侧生物力学响应呈对称分布，故本研究设置模型4种不同的着地姿势（图1），分别为躯干部右后侧、右前侧、后侧和前侧着地。建立刚体地面有限元模型，赋予相应的材料属性，密度为7 830 kg/m3，杨氏模量为2.07×1011MPa，泊松比为0.3，限制地面有限元模型的移动。根据2、3、4、5楼层高度计算4种不同的着地速度，分别为9.39、12.12、14.35、16.26 m/s，设定人体模型以上述不同的速度撞击地面。观察模拟结果中von Mises应力、塑性应变和肋骨骨折分布，当暴力超出肋骨损伤阈值时即发生损伤。本研究应用的THUMS4.0模型中，肋骨皮质材料的塑性失效应变为0.02。当肋骨皮质的塑性应变达到上述极值后，失效单元将从模型中删除，从而展现骨折部位，根据von Mises应力分布判断肋骨受力部位。

图1 不同姿势高坠示意图Fig.1 Schematic diagram of different falling postures

1.4 案例应用

本研究将模拟结果与实际案例进行比较，研究肋骨的损伤机制。案例来源于司法鉴定科学研究院的实际检案案例。

据案情介绍，某小区有人从8楼坠落，坠落终点为水泥地面，坠落过程中无中间物阻挡。死者系男性，33岁，尸长175 cm，发育正常；右侧颞顶部见细条状头皮挫裂创，右颞部头皮肿胀，顶枕部偏右侧头皮下出血，右侧颞肌浅层筋膜下出血，无颅骨骨折；右侧肩胛区见条、片状表皮剥脱，腰背部、臀部见散在条状皮肤暗红色变，右小腿外后侧大片状皮肤暗红色变伴散在点状表皮剥脱，右腘窝及右小腿上段后侧皮肤暗红色变，左足跟挫裂创；左侧第1、2肋骨分别于胸骨旁和脊柱旁骨折，右侧第1～9肋骨于右侧肩胛线至脊柱旁区域骨折，右侧第3肋于胸骨旁骨折，同时伴有多器官破裂；未检见致死性疾病的病理学改变，亦未检见机械性窒息的尸体征象。该死者的损伤具有高坠伤的特点。

2 结果

在躯干部不同部位着地时，肋骨的生物力学响应结果不同，详见表1。

表1 不同姿势下von Mises应力、塑性应变及肋骨骨折的分布情况Tab.1 Distribution of von Mises stress，plastic strain and rib fracture in different postures

2.1 前侧着地时肋骨的生物力学响应

在躯干正前侧着地过程中，肋骨受到地面挤压显著变形，前后径减小，左右径增加（图2）。胸骨和双侧肋骨腋前线至腋中线区域呈现高von Mises应力集中区。在整个着地过程中，双侧肋骨多处部位塑性应变超过损伤阈值，发生骨折，骨折主要位于肋骨-肋软骨交界处。随着着地速度的增加，12.12m/s及更大速度时腋前线至腋中线区域也可出现肋骨骨折。

图2 前侧着地时肋骨的变形过程Fig.2 Deformation process of the ribs in prone position falling

2.2 右前侧着地时肋骨的生物力学响应

躯干右前侧着地过程中，右侧肋骨迅速触地并受到挤压、变形，von Mises应力和塑性应变分别向胸骨侧和脊柱侧传播，着地侧腋中线区域至腋后线区域以及右侧胸骨旁出现长时间应力、应变集中，与正前侧着地相比，右前侧着地时右侧肋骨von Mises应力集中部位更容易出现骨折（图3）。左侧肋骨腋后线至肩胛线区域也出现von Mises应力集中。不同速度下，应力、应变及骨折分布部位一致，且速度越快von Mises应力越大，骨折越容易出现。

图3 右前侧与前侧着地时肋骨骨折的比较Fig.3 Comparison of the rib fracture sites between right prone position and prone position falling

2.3 后侧着地时肋骨的生物力学响应

在躯干正后侧着地过程中，肋骨整体运动学与前侧着地相似，von Mises应力和塑性应变首先集中在后侧肋骨着地部位，随着肋骨前后径的减小，双侧肋骨腋中线区域出现应力、应变集中。肋骨骨折主要位于肋骨后侧，速度较大时腋中线区域以及肋骨其他部位也可发生骨折，不同速度下，躯干部后侧着地时肋骨von Mises应力分布一致（图4），由于骨折处变形最大，因此塑性应变于骨折处最明显。

图4 后侧着地时肋骨的von Mises应力分布Fig.4 Von Mises stress distribution of ribs in supine position falling

2.4 右后侧着地时肋骨的生物力学响应

躯干右后侧着地过程中，肋骨右后侧与地面接触，接触部位发生内凹变形。整个过程中形变主要发生在右侧肋骨，着地部位出现长时间von Mises应力和塑性应变集中，同时von Mises应力也沿着肋骨向周围传播，并可在对侧肋骨形成应力集中。右侧肋骨着地部位常出现多发性肋骨骨折，骨折部位von Mises应力减弱，塑性应变主要集中在骨折部位。不同速度下的生物力学响应一致，von Mises应力、塑性应变分布与骨折部位较为一致（图5）。

图5 右后侧着地时肋骨von Mises应力、塑性应变及骨折分布Fig.5 Von Mises stress，plastic strain and fracture distribution of ribs in right supine position falling

2.5 案例应用结果

躯干右后侧着地模拟结果所预测的肋骨骨折部位与实际案例中肋骨骨折部位较为相似，因此模拟8楼高度的躯干右后侧着地情况，模拟结果为右侧第2～10肋骨骨折，肋骨骨折主要集中于肋骨着地部位（图6），均位于右后侧肩胛线和脊柱旁区域，von Mises应力主要分布于着地部位、胸骨旁及左侧肋骨腋中线区域，塑性应变主要集中于骨折部位。实际案例中的骨折部位主要集中于右侧肩胛线和脊柱旁区域以及胸骨旁，与模拟结果较为一致。通过实际损伤情况和模拟结果对比分析，推测案例中男性为躯干部右后侧着地。

图6 右后侧着地模拟结果与实际案例的比较Fig.6 Comparison of simulation results of right supine position falling with those of actual case

3 讨 论

高坠损伤可以由直接撞击或者暴力间接传导所形成，通常直接受撞击部位损伤较为严重，而由于力的传导造成的其他部位损伤常较轻微。随着坠落高度的增加，人体损伤的部位和严重程度也随之增加，胸腹部损伤的可能性也越大。在高坠中可能发生各种事情，均会影响高坠结果，因此高坠案件具有独特性和复杂性，可根据骨骼损伤形态和位置推断实际高坠情况[11-13]。高坠损伤与坠落高度、着地姿势、年龄以及坠落终点等因素有关，收集相关高坠损伤案例进行回顾性分析，研究高坠着地部位与骨折分布部位的关系，结果显示，着地部位及其附近骨骼最易发生骨折，且上肢和躯干部着地时肋骨骨折的发生率在90%以上，在自杀的高坠案件中，着地部位往往集中在胸部，因此胸部的损伤程度往往更加严重，而这些研究并未对胸部损伤的损伤机制进行阐述[14-16]。本研究重点关注不同坠落姿势对肋骨骨折的影响，采用有限元法探索不同姿势下的肋骨骨折部位、损伤严重程度与损伤机制。

为了重建高坠过程，MILANOWICZ等[17]运用MADYMO模型设置不同跌落姿势，根据损伤判定准则，判断出现肋骨骨折和严重内部器官损伤可能性很高，并与实际案例损伤进行了比较。然而，MADYMO模型并不能得出具体的肋骨骨折情况，而本研究的模拟结果能看出肋骨骨折的具体部位及von Mises应力、塑性应变的分布。压缩是导致胸部损伤的钝性暴力类型之一，当暴力超过肋骨的损伤阈值时，肋骨就会发生骨折，在肋骨受到前后压缩时，肋骨前外侧、肋骨-肋软骨交界处以及肋骨后侧很可能会受到损伤[18]。在本研究中，肋骨骨折的部位与胸部受力部位有关，在肋骨前侧受力时，肋骨前侧和外侧多会发生骨折，后侧受力时，后侧肋骨常发生骨折。

本研究高坠模拟结果显示，躯干部着地后肋骨发生明显的整体变形，在着地过程中，外力作用部位肋骨首先出现von Mises应力集中，骨折常位于直接受力部位，随后von Mises应力沿肋骨向周围传播，并可在对侧肋骨形成应力集中，符合肋骨骨折是由于受到直接外力与传导的间接外力作用[12]。

本研究所采用的THUMS模型与实际案例体型相当、年龄相近，因此并没有将胸部软组织及肋骨材料属性作为变量进行研究，依然使用模型本身的软组织和肋骨材料属性[10]。

在实际高坠案件中，在着地的一瞬间，死者可能会有相应的保护动作以此来减弱地面对人体的强大冲击力，且由于本研究将有限元模型设置为躯干部右后侧着地，与实际情况可能会有一定角度偏差，但根据模拟结果与实际案件的比较，认为模拟结果可信，并可对案件分析提供参考。

根据von Mises应力、塑性应变以及肋骨骨折分布情况分析，肋骨骨折的主要机制为肋骨与地面接触过程中受到挤压发生形变，当形变部位肋骨超出其损伤阈值就会发生骨折。通过检验肋骨骨折的类型和部位，可以确定暴力的特性，骨折通常发生在直接暴力作用的一侧，但是当坠落高度更大时，双侧肋骨均可以发生骨折，骨折线可位于其他部位[2，4]。

高坠案件中，人体初始着地部位常包括头、足、躯干等，其中在上肢及躯干部着地时，肋骨骨折最为常见[16]。头部或足着地时，损伤方式典型而明确，容易判断，且研究也较多，而躯干部着地时胸部损伤不典型，容易和其他致伤方式混淆，故本研究选择较为复杂的躯干部着地作为研究对象。本研究通过观察不同姿势着地情况下肋骨骨折部位、von Mises应力和塑性应变分布探讨肋骨损伤机制，分析高坠时人体初始着地部位，具有一定意义。人体坠落损伤的程度和特点受到坠落高度、坠落体位、中间障碍物等多种因素影响，单单依靠某一损伤情况难以推断和重建高坠过程，使用有限元法可以提供一定的思路，但还需结合死者体表损伤、骨折及内部器官损伤情况进行综合分析，以便作出更加准确的推断。