钝器致伤案例的有限元法重构及量化评价

李海岩，刘文港，崔世海，何光龙，夏鹏，贺丽娟，吕文乐

1.天津科技大学 现代汽车安全技术国际联合研究中心，天津 300222；2.公安部物证鉴定中心，北京 100038；3.重庆市公安局刑事侦查总队，重庆 400707

根据头皮、颅骨和硬脑膜的完整性，颅脑损伤一般分为开放性损伤和闭合性损伤。颅脑损伤多发生于交通事故、摔跌、高坠或殴打等场景。致伤工具不同导致头部损伤机制不同，颅脑损伤形态也不尽相同。常见的颅脑损伤包括颅骨骨折、颅内血肿（硬脑膜外血肿和硬脑膜下血肿等）和脑挫伤等，是造成暴力性死亡的主要原因[1]。棍棒是常见的颅脑钝性损伤致伤物，在法医学鉴定实践中，钝器打击造成头部损伤致死是多发案例，也是法医学检验和鉴定研究的重点和难点，由于对钝器致伤案件的分析大多基于尸体检验所见以及鉴定人的经验积累，鉴定意见容易产生争议。由此可见，对包括头部损伤在内的法医学损伤鉴定的量化评价及出庭示证可视化需求越来越高。

应用有限元技术研究颅脑钝器伤是法医学损伤鉴定的新方法。MOTHERWAY 等[2]和LI 等[3]运用头部有限元模型重构了钝器击打头部的案件，研究了钝器打击下的头部损伤机制。这些研究推动了有限元技术在法医学领域的应用，但其所采用的有限元模型多针对欧美人体尺寸建立，不符合中国人体解剖学特征，且解剖学结构不够精细。因此，建立符合中国人体解剖学结构特征的头部有限元模型来量化评价颅脑钝器伤在理论上更具有说服力。ZHAO 等[4]依据我国志愿者CT 影像建立了具有详细解剖学结构特征的第5 百分位头部有限元模型，包括脑深部组织结构（胼胝体、海马体等），为准确探究钝器打击下的颅脑损伤机制提供了可靠的基础数据。

本研究利用具有详细中国人解剖学结构的头部有限元模型重构法医学鉴定中的真实案例，通过研究颅脑的生物力学参数探索量化鉴定方法，以期为司法鉴定出庭示证可视化提供参考。

1 材料与方法

1.1 案例

1.1.1 案例1

简要案情：死者在坐位和站位时分别被人用木棍打击头部右侧和左侧。致伤工具分别为圆形木棍（直径5 cm、长72 cm）和方形木棒（长74 cm、宽7 cm），如图1A～B 所示。

图1 案例1 的致伤工具和颅脑损伤Fig.1 Injury tools and craniocerebral injuries of case 1

尸体检验：顶部左侧有挫裂创，右颞顶部头皮下片状出血，右颞肌出血，顶部左侧创口对应皮下出血；右颞顶骨线形骨折，右颅中窝线形骨折；右颞叶底部脑挫伤，右额叶底部脑挫伤（图1C～D）。

致伤方式分析：死者顶部左侧头皮损伤，创缘不整齐伴擦挫伤，创腔内有组织间桥，对应皮下出血，提示为钝器打击所致挫裂创；右颞顶部头皮下片状出血，创缘不整齐伴表皮剥脱，右颞顶骨线形骨折，提示为钝器打击所致骨折。在尸体不远处发现方形木棒和圆形木棍，提示为致伤物。

现场重建：嫌疑人先用圆形木棍打击死者左颞顶部形成挫裂创，后用方形木棒打击右颞部形成线形骨折。

鉴定意见：死者符合钝器打击致颅脑损伤死亡，死亡方式为他杀。

1.1.2 案例2

简要案情：死者被人用圆形木棍打击头部，通过分析其头皮损伤严重程度判断为同一致伤工具打击两次，分别打击前额部和左颞顶部。致伤工具为圆形木棍（直径4 cm、长1.2 m），如图2A 所示。

尸体检验：额部部分头皮挫灭，左颞顶部头皮下片状不规则出血，额部和左颞顶部蛛网膜下腔出血，左颞中回有小片状挫伤出血；冠状缝左后方颅骨线形骨折，骨折线左下端与左颞部斜形线形骨折相交（图2B～C）。

图2 案例2 的致伤工具和颅脑损伤Fig.2 Injury tools and craniocerebral injuries of case 2

致伤方式分析：死者左颞顶部头皮下片状不规则出血，创缘不整齐伴表皮剥脱，创腔内有组织间桥，冠状缝左后方有线形骨折，提示为钝器打击所致；额部部分头皮缺失，额部和左颞顶部蛛网膜下腔出血，提示为钝器打击所致。在尸体不远处发现圆形木棍，提示为致伤物。

现场重建：嫌疑人先用圆形木棍打击死者前额部致部分头皮挫灭，再打击左颞顶部形成线形骨折。

鉴定意见：死者符合钝器打击致颅脑损伤死亡，死亡方式为他杀。

1.2 建立头部有限元模型

采用天津科技大学损伤生物力学与车辆安全工程中心构建且经验证具有中国人体特征的第5 百分位头部有限元模型[4]，该模型基于真实的成人CT 数据提取几何特征构建，具有详细的解剖学结构，包括大脑灰质、白质、胼胝体、脑脊液、脑室、脑干、脑膜、大脑镰、小脑幕、三层颅骨板等组织结构，模型主要采用六面体单元和壳单元，头长163.9 mm，头宽136.4 mm，总质量4.076 kg，共有108 681 个节点，114 094 个单元。为模拟可能出现的颅骨骨折，设定颅骨密质骨的屈服强度为145 MPa，失效应变为0.015；设定颅骨松质骨的屈服强度为35 MPa，失效应变为0.01[5]。当颅骨单元的等效塑性应变超过其失效应变，则该单元被删除且不会继续参与计算。该模型通过重构经典尸体实验验证了其具有较高的生物仿真度，可用于仿真计算。

1.3 仿真设置

为了验证头部有限元模型在实际法医学鉴定中的应用，针对本研究中的典型案例，采用仿真方法对案件进行重构研究。根据致伤工具类型在有限元前处理软件HyperMesh14.0（美国Altair 公司）中建立圆柱和长方体网格模型并赋予其相应的材料属性，选择LS-DYNA 材料库中专门描述木材的材料MAT_143（MAT_WOOD_PINE），只需要设置含水率、木材品质等参数就能够比较好地描述木材的材料属性[6]。木材属性定义为LS-DYNA Explicit 单元SOLID164，得到致伤工具的有限元模型，再导入头部有限元模型，用translate 和rotate 命令调整钝器与头部的相对位置，限制枕骨大孔的移动，设置钝器与头部之间的接触类型为面-面接触，计算时长为15 ms。通过对志愿者挥棒速度测量分析，得出身高、体质量、年龄、性别等与挥棒速度之间的关系，确定打击速度范围为11.63～35.48 m/s[7]。结合嫌疑人信息（性别、年龄、身高、体质量），选择与之相近的速度范围，为棍棒所有节点赋予高、中、低3 种速度，打击速度在确定棍棒打击角度后将其分解为不同方向上的速度分量，观察损伤情况是否与实际吻合，选择符合的速度为加载条件，但与实际情况会有一定的误差。通过阅读相关文献[8]，结合尸体检验中头皮损伤和颅骨骨折线确定钝器打击部位，模拟不同打击速度下的颅脑损伤，确定案例1 由圆形木棍和方形木棒依次打击左颞顶部和右颞部，打击速度分别为10 m/s 和24 m/s，案例2 由同一圆形木棍两次打击前额部和左颞顶部，打击速度分别为12 m/s 和30 m/s，仿真设置如图3 所示。

图3 案例1 和案例2 的仿真设置Fig.3 Simulation settings of case 1 and case 2

提取仿真结果中的颅内压力、脑组织von Mises应力、脑组织最大主应变、颅骨von Mises 应力和颅骨塑性应变等生物力学参数，当暴力超出尸体实验损伤阈值[9-11]时即认为其发生颅脑损伤，作为法医颅脑损伤的量化评价。采用有限元后处理软件HyperView14.0（美国Altair 公司）提取脑组织压力、应力应变云图，用不同生物力学指标表征不同的颅脑损伤类型，如颅内出血、脑挫裂创、弥漫性轴索损伤、颅骨骨折等。

2 结果

2.1 颅内压力

图4～5 所示为仿真条件下大脑灰质处颅内压力的分布云图。由云图可知：案例1 中第一次用圆形木棍打击左颞顶部时，最大颅内压力为359 kPa，第二次用方形木棒打击右颞部时，最大颅内压力为890 kPa；案例2 中用圆形木棍分别打击前额部和左颞顶部时，最大颅内压力分别为370、1 241 kPa。两个案例中，两次打击最大颅内压力分别超出阈值（235 kPa[9]）52.8%、278.7%，57.4%、428.1%。

图4 案例1 大脑灰质颅内压力的分布云图Fig.4 The contours of the intracranial pressure of brain gray matter in case 1

图5 案例2 大脑灰质颅内压力的分布云图Fig.5 The contours of the intracranial pressure of brain gray matter in case 2

2.2 脑组织von Mises 应力

图6～7 所示为仿真条件下脑组织von Mises 应力的分布云图。由云图可知：案例1 中两次打击脑组织最大von Mises 应力分别位于左颞顶部、右颞叶底部，数值分别为3.03、14.79 kPa；案例2 中两次打击脑组织最大von Mises 应力分别位于额叶、左颞顶叶，数值分别为3.66、26.73 kPa。两个案例中第二次打击产生的脑组织最大von Mises 应力分别超出阈值（8.60 kPa[10]）72.0%、210.8%。

图6 案例1 脑组织von Mises 应力的分布云图Fig.6 The contours of the von Mises stress of brain tissue in case 1

2.3 脑组织最大主应变

图8～9 所示为仿真条件下脑组织最大主应变的分布云图。由云图可知：案例1 中两次打击脑组织最大主应变分别位于左颞顶部、右颞叶底部，数值分别为0.016、0.103；案例2 中两次打击脑组织最大主应变分别位于额叶、左颞顶叶，数值分别为0.021、0.116。两个案例中第二次打击产生的脑组织最大主应变分别超出阈值（0.1[11]）3.0%、16.0%。

图7 案例2 脑组织von Mises 应力的分布云图Fig.7 The contours of the von Mises stress of brain tissue in case 2

图8 案例1 脑组织最大主应变的分布云图Fig.8 The contours of the maximum principal strain of brain tissue in case 1

图9 案例2 脑组织最大主应变的分布云图Fig.9 The contours of the maximum principal strain of brain tissue in case 2

2.4 颅骨von Mises 应力

图10～11 所示为仿真条件下颅骨von Mises 应力的分布云图。由云图可知：案例1 中第一次打击左颞顶部时颅骨外板、板障、内板的最大von Mises 应力分别为91.3、29.4、68.1 MPa，第二次打击右颞部时的最大von Mises应力分别为152.8、40.9、154.8 MPa；案例2中第一次打击前额部时颅骨外板、板障、内板的最大von Mises 应力分别为105.9、36.6、117.7 MPa，第二次打击左颞顶部时的最大von Mises 应力分别为168.8、43.9、160.4 MPa。

图10 案例1 颅骨von Mises 应力的分布云图Fig.10 The contours of the von Mises stress of skull in case 1

2.5 颅骨塑性应变

图12 所示为仿真条件下的颅骨塑性应变。案例1 仿真在右颞顶骨、右颅中窝处部分单元达到其失效应变（0.015），删除单元略呈线形；案例2 仿真在左颞顶骨处部分单元达到其失效应变（0.015），删除单元略呈线形。

图12 颅骨塑性应变Fig.12 Plastic strain of skull

3 讨论

传统法医学方法难以直观地再现损伤过程，也难以满足出庭示证可视化的要求。有限元方法能够较好地研究颅脑在钝性损伤中的受力过程以及头部与钝器相互碰撞时的损伤力学响应，即根据钝器类型、打击速度以及打击方向来理解头部损伤，将成为法医司法实践的重要辅助工具。此外，有限元模型的优势在于实验的可重复性和实验条件的可控性，如研究不同致伤条件下不同伤者的损伤机制。通过颅脑损伤生物力学分析可以量化颅脑损伤机制并给出清晰直观的解释，可为法医学颅脑损伤的鉴定以及致伤原因分析提供客观的理论依据。

颅内压力通常与脑挫伤、颅内出血程度具有一定相关性[12]。WARD 等[9]研究表明，当颅内压力达到173 kPa 时，会对脑组织造成中度损伤风险；当颅内压力超过235 kPa 时，则会造成严重损伤甚至致命性损伤。由图4～5 可知，案例1 中第一次用圆形木棍打击左颞顶部时，最大颅内压力超过其损伤阈值，第二次用方形木棒打击右颞部时，最大颅内压力远超过其损伤阈值，因此，右颞部出现脑挫伤和颅内出血的风险较高；案例2 中用圆形木棍分别打击前额部、左颞顶部时，最大颅内压力均超过其损伤阈值，第二次打击导致的最大颅内压力更大，左颞顶部出现脑挫伤和颅内出血的风险较大。两个案例中，头部受到打击时最大颅内压力均集中于打击部位，仿真结果预测的脑挫伤部位和出血部位与尸体检验结果基本一致。

脑组织von Mises 应力是表征脑震荡和脑挫伤严重程度的一个重要指标[13]。MILLER 等[10]研究表明，当von Mises 应力大于7 kPa 时，可能会引起轻微脑震荡；当von Mises 应力大于8.6 kPa 时，则会引起脑挫伤。由图6～7 可知，案例1 中第二次打击产生的脑组织最大von Mises 应力出现在右颞叶底部，超过其损伤阈值，会造成脑挫伤；案例2 中第二次打击产生的脑组织最大von Mises 应力位于左颞顶叶，超过其损伤阈值，会导致脑挫伤。仿真结果预测的脑挫伤部位与尸体检验结果相吻合。

脑组织最大主应变通常用来表征弥漫性轴索损伤的严重程度[14]。TAKHOUNTS 等[11]研究表明，脑组织的应变损伤阈值为0.1，当脑组织最大主应变超过0.1 时，可能会导致弥漫性轴索损伤。由图8～9 可知，两个案例中产生的脑组织最大主应变均超过其损伤阈值，表明有发生弥漫性轴索损伤的风险。仿真结果预测的弥漫性轴索损伤，单纯凭借肉眼大体观察难以辨别，需要结合组织病理学、免疫组织化学、特殊染色等手段来进行确认[15]。

颅骨von Mises 应力通常用来描述硬质结构的受力和应力传递情况[16]。由图10～11 可知，颅骨最大von Mises 应力均出现在打击部位，颅骨外板承受了最大的打击应力，其次是颅骨内板，承受应力最小的是板障，出现这种趋势的原因是在遭受外力打击时，内板承受的应力是经外板和板障传递而来，得到了一定程度的缓冲，此外，内表面还要承受因打击形成的表面张力进一步扩散了应力，所以内板的应力值比外板更小。然而，从图11 中第一次打击的应力数据可以看出，内板应力会大于外板应力，这是由于外板受压、内板受拉所导致，也解释了现实中内板发生骨折而外板未发生骨折的现象，但这种现象较少[17]。出现这种现象的原因可能与打击部位、颅骨形状、钝器类型等因素有关。在钝器打击头部的过程中，颅骨受到钝器碰撞挤压，接触位置发生显著变形，von Mises 应力和塑性应变呈现集中区域，同时von Mises 应力也沿着颅骨向周围传播，并可在颅底部形成应力集中。本研究仿真的两个案例中颅骨von Mises 应力超过其屈服强度，等效塑性应变达到失效应变，颅骨单元删除后显示骨折征象。案例1 在右颞顶骨、右颅中窝处显示线形骨折，案例2 在冠状缝左后方显示线形骨折。颅骨塑性应变分布所预测的颅骨骨折部位与实际案例中颅骨骨折部位基本一致，颅骨骨折主要集中于着力部位。综合考虑钝器致伤案例的生物力学响应指标，如颅内压力、脑组织von Mises 应力、脑组织最大主应变、颅骨von Mises 应力以及颅骨塑性应变等，分析头部损伤是否达到其损伤阈值可以量化评价法医学鉴定中的颅脑损伤，能够为司法鉴定的出庭示证可视化提供理论依据。

图11 案例2 颅骨von Mises 应力的分布云图Fig.11 The contours of the von Mises stress of skull in case 2

然而，有限元模型与真实的颅脑结构以及其生物材料特性具有差异，直接影响有限元分析结果的准确性，材料参数大多引用国外公开的文献，这是目前所遇到的瓶颈问题，还需进一步研究，针对此问题，构建高生物仿真度的模型将成为有限元技术在法医学鉴定领域应用的重要突破。考虑到个人骨质的差异性，设定的颅骨材料参数值会有所不同，以及实际打击次数的不确定性，都会使仿真结果的骨折情况与实际骨折情况存在一定的误差。有限元技术可以模拟不同材料参数下以及不同边界条件下的案例，为法医学鉴定提供辅助的技术参考。本研究在钝器打击头部致伤案例中应用的头部有限元模型，采用单元失效的方法可以很好地模拟骨折线的走行以及骨折类型，便于直观地理解颅骨损伤，但这种方法存在一定的不足，单元失效显示的颅骨骨折对撞击力、压力、应力、应变等传递有一定的影响。众所周知，加载边界条件是有限元重建的重要内容，本研究仅用头部有限元模型而忽略了颈部约束对颅脑损伤的影响，会使仿真结果与实际结果有一定的误差，后续将会用头颈部模型和完整人体模型进行仿真研究，并结合传统法医学方法判断其输入条件；对于多次打击，有限元方法不能很好地展示连续打击下的累积损伤效应，致使预测的颅脑损伤与实际解剖中观察到的损伤程度有一定的差异。本研究仍处在对量化评价颅脑钝器伤案例方法的探索阶段，后续将根据头部尺寸大小采用不同的头部模型，模拟不同钝器类型对颅脑的损伤研究，为量化评价颅脑钝器伤和出庭示证可视化提供科学依据。

本研究采用国人头部有限元模型，针对法医学检案中钝器打击导致的颅脑加速性损伤案例进行重构，并分析致伤条件下颅脑生物力学各项指标的响应变化，得出以下结论：有限元方法与传统法医学方法的结合能够较为准确地仿真法医学钝器致伤案例，综合颅内压力、脑组织von Mises 应力、脑组织最大主应变、颅骨von Mises 应力和颅骨塑性应变等生物力学指标，可以更加准确地分析颅脑损伤机制，并为量化评价颅脑损伤和司法鉴定出庭示证可视化提供参考依据。