胡文虎 ，邵煜 ，李正東 ，鄒冬華 ，張建華 ，陳憶九 ，王慧君

（1.南方醫(yī)科大學法醫(yī)學院，廣東 廣州 510515；2.司法鑒定科學研究院 上海市法醫(yī)學重點實驗室 司法部司法鑒定重點實驗室 上海市司法鑒定專業(yè)技術服務平臺，上海 200063）

在城市中，高空墜落是導致殘疾和死亡的重要原因[1]。高墜所致?lián)p傷可發(fā)生在人體的任何部位，鈍性胸部損傷是較為常見的損傷形式，而肋骨骨折在胸部損傷中最常見。墜落高度是影響骨折類型和嚴重程度的主要因素，高度越大，胸部損傷越嚴重。墜落姿勢也是影響損傷嚴重程度的重要因素，在前側著地、后側著地以及側面著地過程中，高墜者的致死率會有一定的差別[2-4]。高墜的原因主要包括意外摔跌和自殺，對高墜案件的分析大多基于法醫(yī)尸檢所見以及研究者本人的經(jīng)驗，對于軀干不同部位著地所致肋骨骨折的機制并沒有準確闡明。

有限元法是一種應用廣泛的數(shù)學計算方法，將一個連續(xù)體分割成若干個有限的單元，然后在每一個單元上求解，是計算機分析復雜問題的有力工具。目前，有限元法也較多應用于生物力學研究。如采用有限元法探索摔跌過程中手的空間位置、骨骼特性對Colles骨折的影響，結果表明，手的方向和骨骼幾何形狀對Colles骨折有重要影響[5]。MAJUMDER等[6]建立了含有不同人類學差異的有限元模型，目的是研究這些因素在側面摔跌中對髖骨骨折的影響，結果提示，股骨粗隆部軟組織厚度是影響髖骨骨折的最主要參數(shù)。以上研究結果表明，有限元法可以用于判斷骨折影響因素。有限元法作為一種重要的數(shù)字化工具，在損傷預測方面起到重要作用。RAUL等[7]運用有限元法重建了摔跌導致人體頭部損傷的過程，模擬結果與實際損傷非常相似，證明了有限元法預測損傷的有效性。邵煜等[8]通過構建人體胸廓三維有限元模型，進行損傷生物力學分析，為推斷胸部損傷的致傷方式提供了新思路。在法醫(yī)損傷鑒定中可通過有限元法研究不同致傷方式下人體損傷的形成機制，有學者[9]通過構建胸腹部有限元模型，在不同方向不同速度條件下打擊肝區(qū)探討肝損傷機制。由于有限元法的特殊性，其在法醫(yī)損傷學研究和實際案件的法醫(yī)損傷分析中具有重要價值。

本研究采用有限元法研究高墜中軀干不同部位著地對肋骨損傷的影響，研究肋骨骨折的損傷機制，旨在根據(jù)肋骨損傷的位置及嚴重程度推斷實際高墜案件中的落地姿勢，以期為高墜案件的重建提供新方法。

1 材料與方法

1.1 有限元模型

本研究所用有限元模型是全人類安全模型THUMS4.0，由日本豐田汽車公司和豐田中央研究所共同研發(fā)設計。該模型為站立位成人完整人體模型，身高173 cm，體質量77.3 kg，39歲男性。模型內含皮膚、皮下脂肪、肌肉、骨骼、軟骨、筋膜、韌帶、體內器官、血管、神經(jīng)等人體主要器官結構，共由1293個部分組成，各組織結構均被賦予相應的材料屬性。THUMS4.0有限元模型準確地反映出人體組織結構的解剖學外形，每個部分均被賦予相應的材料屬性。不同器官之間的接觸定義為滑動摩擦，器官與被膜間的接觸同樣定義為滑動摩擦，有文獻[10]對模型的材料屬性和驗證進行了相關介紹。

1.2 軟件

利用LS-PrePost 4.6軟件（美國LSTC公司）進行模擬條件設置及結果后處理，用LS-DYNA R11軟件（美國LSTC公司）進行模擬運算。

1.3 研究方法

因人體呈對稱狀態(tài)，右前側與左前側、右后側與左后側生物力學響應呈對稱分布，故本研究設置模型4種不同的著地姿勢（圖1），分別為軀干部右后側、右前側、后側和前側著地。建立剛體地面有限元模型，賦予相應的材料屬性，密度為7 830 kg/m3，楊氏模量為2.07×1011MPa，泊松比為0.3，限制地面有限元模型的移動。根據(jù)2、3、4、5樓層高度計算4種不同的著地速度，分別為9.39、12.12、14.35、16.26 m/s，設定人體模型以上述不同的速度撞擊地面。觀察模擬結果中von Mises應力、塑性應變和肋骨骨折分布，當暴力超出肋骨損傷閾值時即發(fā)生損傷。本研究應用的THUMS4.0模型中，肋骨皮質材料的塑性失效應變?yōu)?.02。當肋骨皮質的塑性應變達到上述極值后，失效單元將從模型中刪除，從而展現(xiàn)骨折部位，根據(jù)von Mises應力分布判斷肋骨受力部位。

圖1 不同姿勢高墜示意圖Fig.1 Schematic diagram of different falling postures

1.4 案例應用

本研究將模擬結果與實際案例進行比較，研究肋骨的損傷機制。案例來源于司法鑒定科學研究院的實際檢案案例。

據(jù)案情介紹，某小區(qū)有人從8樓墜落，墜落終點為水泥地面，墜落過程中無中間物阻擋。死者系男性，33歲，尸長175 cm，發(fā)育正常；右側顳頂部見細條狀頭皮挫裂創(chuàng)，右顳部頭皮腫脹，頂枕部偏右側頭皮下出血，右側顳肌淺層筋膜下出血，無顱骨骨折；右側肩胛區(qū)見條、片狀表皮剝脫，腰背部、臀部見散在條狀皮膚暗紅色變，右小腿外后側大片狀皮膚暗紅色變伴散在點狀表皮剝脫，右腘窩及右小腿上段后側皮膚暗紅色變，左足跟挫裂創(chuàng)；左側第1、2肋骨分別于胸骨旁和脊柱旁骨折，右側第1～9肋骨于右側肩胛線至脊柱旁區(qū)域骨折，右側第3肋于胸骨旁骨折，同時伴有多器官破裂；未檢見致死性疾病的病理學改變，亦未檢見機械性窒息的尸體征象。該死者的損傷具有高墜傷的特點。

2 結果

在軀干部不同部位著地時，肋骨的生物力學響應結果不同，詳見表1。

表1 不同姿勢下von Mises應力、塑性應變及肋骨骨折的分布情況Tab.1 Distribution of von Mises stress，plastic strain and rib fracture in different postures

2.1 前側著地時肋骨的生物力學響應

在軀干正前側著地過程中，肋骨受到地面擠壓顯著變形，前后徑減小，左右徑增加（圖2）。胸骨和雙側肋骨腋前線至腋中線區(qū)域呈現(xiàn)高von Mises應力集中區(qū)。在整個著地過程中，雙側肋骨多處部位塑性應變超過損傷閾值，發(fā)生骨折，骨折主要位于肋骨-肋軟骨交界處。隨著著地速度的增加，12.12m/s及更大速度時腋前線至腋中線區(qū)域也可出現(xiàn)肋骨骨折。

圖2 前側著地時肋骨的變形過程Fig.2 Deformation process of the ribs in prone position falling

2.2 右前側著地時肋骨的生物力學響應

軀干右前側著地過程中，右側肋骨迅速觸地并受到擠壓、變形，von Mises應力和塑性應變分別向胸骨側和脊柱側傳播，著地側腋中線區(qū)域至腋后線區(qū)域以及右側胸骨旁出現(xiàn)長時間應力、應變集中，與正前側著地相比，右前側著地時右側肋骨von Mises應力集中部位更容易出現(xiàn)骨折（圖3）。左側肋骨腋后線至肩胛線區(qū)域也出現(xiàn)von Mises應力集中。不同速度下，應力、應變及骨折分布部位一致，且速度越快von Mises應力越大，骨折越容易出現(xiàn)。

圖3 右前側與前側著地時肋骨骨折的比較Fig.3 Comparison of the rib fracture sites between right prone position and prone position falling

2.3 后側著地時肋骨的生物力學響應

在軀干正后側著地過程中，肋骨整體運動學與前側著地相似，von Mises應力和塑性應變首先集中在后側肋骨著地部位，隨著肋骨前后徑的減小，雙側肋骨腋中線區(qū)域出現(xiàn)應力、應變集中。肋骨骨折主要位于肋骨后側，速度較大時腋中線區(qū)域以及肋骨其他部位也可發(fā)生骨折，不同速度下，軀干部后側著地時肋骨von Mises應力分布一致（圖4），由于骨折處變形最大，因此塑性應變于骨折處最明顯。

圖4 后側著地時肋骨的von Mises應力分布Fig.4 Von Mises stress distribution of ribs in supine position falling

2.4 右后側著地時肋骨的生物力學響應

軀干右后側著地過程中，肋骨右后側與地面接觸，接觸部位發(fā)生內凹變形。整個過程中形變主要發(fā)生在右側肋骨，著地部位出現(xiàn)長時間von Mises應力和塑性應變集中，同時von Mises應力也沿著肋骨向周圍傳播，并可在對側肋骨形成應力集中。右側肋骨著地部位常出現(xiàn)多發(fā)性肋骨骨折，骨折部位von Mises應力減弱，塑性應變主要集中在骨折部位。不同速度下的生物力學響應一致，von Mises應力、塑性應變分布與骨折部位較為一致（圖5）。

圖5 右后側著地時肋骨von Mises應力、塑性應變及骨折分布Fig.5 Von Mises stress，plastic strain and fracture distribution of ribs in right supine position falling

2.5 案例應用結果

軀干右后側著地模擬結果所預測的肋骨骨折部位與實際案例中肋骨骨折部位較為相似，因此模擬8樓高度的軀干右后側著地情況，模擬結果為右側第2～10肋骨骨折，肋骨骨折主要集中于肋骨著地部位（圖6），均位于右后側肩胛線和脊柱旁區(qū)域，von Mises應力主要分布于著地部位、胸骨旁及左側肋骨腋中線區(qū)域，塑性應變主要集中于骨折部位。實際案例中的骨折部位主要集中于右側肩胛線和脊柱旁區(qū)域以及胸骨旁，與模擬結果較為一致。通過實際損傷情況和模擬結果對比分析，推測案例中男性為軀干部右后側著地。

圖6 右后側著地模擬結果與實際案例的比較Fig.6 Comparison of simulation results of right supine position falling with those of actual case

3 討 論

高墜損傷可以由直接撞擊或者暴力間接傳導所形成，通常直接受撞擊部位損傷較為嚴重，而由于力的傳導造成的其他部位損傷常較輕微。隨著墜落高度的增加，人體損傷的部位和嚴重程度也隨之增加，胸腹部損傷的可能性也越大。在高墜中可能發(fā)生各種事情，均會影響高墜結果，因此高墜案件具有獨特性和復雜性，可根據(jù)骨骼損傷形態(tài)和位置推斷實際高墜情況[11-13]。高墜損傷與墜落高度、著地姿勢、年齡以及墜落終點等因素有關，收集相關高墜損傷案例進行回顧性分析，研究高墜著地部位與骨折分布部位的關系，結果顯示，著地部位及其附近骨骼最易發(fā)生骨折，且上肢和軀干部著地時肋骨骨折的發(fā)生率在90%以上，在自殺的高墜案件中，著地部位往往集中在胸部，因此胸部的損傷程度往往更加嚴重，而這些研究并未對胸部損傷的損傷機制進行闡述[14-16]。本研究重點關注不同墜落姿勢對肋骨骨折的影響，采用有限元法探索不同姿勢下的肋骨骨折部位、損傷嚴重程度與損傷機制。

為了重建高墜過程，MILANOWICZ等[17]運用MADYMO模型設置不同跌落姿勢，根據(jù)損傷判定準則，判斷出現(xiàn)肋骨骨折和嚴重內部器官損傷可能性很高，并與實際案例損傷進行了比較。然而，MADYMO模型并不能得出具體的肋骨骨折情況，而本研究的模擬結果能看出肋骨骨折的具體部位及von Mises應力、塑性應變的分布。壓縮是導致胸部損傷的鈍性暴力類型之一，當暴力超過肋骨的損傷閾值時，肋骨就會發(fā)生骨折，在肋骨受到前后壓縮時，肋骨前外側、肋骨-肋軟骨交界處以及肋骨后側很可能會受到損傷[18]。在本研究中，肋骨骨折的部位與胸部受力部位有關，在肋骨前側受力時，肋骨前側和外側多會發(fā)生骨折，后側受力時，后側肋骨常發(fā)生骨折。

本研究高墜模擬結果顯示，軀干部著地后肋骨發(fā)生明顯的整體變形，在著地過程中，外力作用部位肋骨首先出現(xiàn)von Mises應力集中，骨折常位于直接受力部位，隨后von Mises應力沿肋骨向周圍傳播，并可在對側肋骨形成應力集中，符合肋骨骨折是由于受到直接外力與傳導的間接外力作用[12]。

本研究所采用的THUMS模型與實際案例體型相當、年齡相近，因此并沒有將胸部軟組織及肋骨材料屬性作為變量進行研究，依然使用模型本身的軟組織和肋骨材料屬性[10]。

在實際高墜案件中，在著地的一瞬間，死者可能會有相應的保護動作以此來減弱地面對人體的強大沖擊力，且由于本研究將有限元模型設置為軀干部右后側著地，與實際情況可能會有一定角度偏差，但根據(jù)模擬結果與實際案件的比較，認為模擬結果可信，并可對案件分析提供參考。

根據(jù)von Mises應力、塑性應變以及肋骨骨折分布情況分析，肋骨骨折的主要機制為肋骨與地面接觸過程中受到擠壓發(fā)生形變，當形變部位肋骨超出其損傷閾值就會發(fā)生骨折。通過檢驗肋骨骨折的類型和部位，可以確定暴力的特性，骨折通常發(fā)生在直接暴力作用的一側，但是當墜落高度更大時，雙側肋骨均可以發(fā)生骨折，骨折線可位于其他部位[2，4]。

高墜案件中，人體初始著地部位常包括頭、足、軀干等，其中在上肢及軀干部著地時，肋骨骨折最為常見[16]。頭部或足著地時，損傷方式典型而明確，容易判斷，且研究也較多，而軀干部著地時胸部損傷不典型，容易和其他致傷方式混淆，故本研究選擇較為復雜的軀干部著地作為研究對象。本研究通過觀察不同姿勢著地情況下肋骨骨折部位、von Mises應力和塑性應變分布探討肋骨損傷機制，分析高墜時人體初始著地部位，具有一定意義。人體墜落損傷的程度和特點受到墜落高度、墜落體位、中間障礙物等多種因素影響，單單依靠某一損傷情況難以推斷和重建高墜過程，使用有限元法可以提供一定的思路，但還需結合死者體表損傷、骨折及內部器官損傷情況進行綜合分析，以便作出更加準確的推斷。