徐 帥 ， 陳渝斌 ， 張 綱 ， 何海濤 ， 譚穎徽

（1． 陸軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院口腔科，重慶 400037；2． 璧山區(qū)人民醫(yī)院口腔科，重慶 402760；3. 陸軍軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院口腔科，重慶 400042）

口腔頜面部位置突出，缺乏防護(hù)，且易受攻擊， 頜面部占體表面積僅2%，但該部位火器傷發(fā)生率卻達(dá)全身的40%[1]，其中暴力、自殺性火器傷甚至可高達(dá)50%以上[2-3]。 頜面部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，火器傷可導(dǎo)致頜面損傷、呼吸道阻塞、出血性休克，嚴(yán)重者甚至可能會(huì)危及生命[3-4]。 因此，無(wú)論戰(zhàn)時(shí)、平時(shí)，頜面部火器傷的研究一直是戰(zhàn)創(chuàng)傷研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 頜面部火器傷的致傷因素是多樣的，全面深入地對(duì)頜面部火器傷的致傷機(jī)制和傷情特點(diǎn)進(jìn)行研究，須精準(zhǔn)模擬火器傷的致傷過(guò)程。但是，目前觀察及測(cè)量火器傷損傷的方法非常局限， 常用動(dòng)物、尸體、人工材料建立的火器傷生物力學(xué)模型，不能真實(shí)地反映火器傷的致傷過(guò)程及生物力學(xué)特點(diǎn)[5-6]。因此，我們需要采用新的研究方法來(lái)建立更加有效的頜面部軟硬組織火器傷模型。

三維有限元法FEM 模型能夠分析物體間以及物體內(nèi)部復(fù)雜的力學(xué)變化過(guò)程，預(yù)測(cè)力學(xué)作用的效應(yīng)，可彌補(bǔ)現(xiàn)今頜面部火器傷研究模型的不足[7-9]。因此，將FEM 運(yùn)用于頜面部火器傷的模型研究，將有利于頜面部軟硬組織火器傷致傷機(jī)制和傷情特點(diǎn)的深入研究，促進(jìn)頜面部火器傷的診斷、救治和戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)。本課題組前期已將FEM 應(yīng)用于頜面部骨組織火器傷、爆炸傷的研究，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果[10-11]。

本研究擬建立豬咬肌-下頜骨軟硬組織火器傷FEM 模型， 動(dòng)態(tài)仿真模擬子彈致傷豬下頜軟硬組織的過(guò)程，并通過(guò)動(dòng)物的火器傷實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所建立模型的有效性，為研究頜面部軟硬組織火器傷模型提供新的方法。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與軟件

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：64 排雙螺旋 CT（General Electric 公司, 美國(guó)）；電腦（聯(lián)想公司，中國(guó)）；國(guó)產(chǎn) 56 式彈道手槍；國(guó)產(chǎn)7.62 mm 制式子彈（鋼芯彈，彈頭質(zhì)量7.92 g）；TST6150 動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)儀 （泰斯特公司，中國(guó)）；高速圖像攝影儀（Phantom 4.3, 美國(guó)）；Mimics 17.0 仿真模擬軟件 （Materialise 公司，比利時(shí)）；ANSA 12.0.3 有限元處理軟件 （BETA 公司，希臘）；LS-DYNA 仿真運(yùn)算求解軟件（LSTC 公司，美國(guó)）。

1.2 豬下頜軟硬組織三維有限元模型的建立

體質(zhì)量約6 kg 的新鮮離體豬頭（陸軍軍醫(yī)大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心）經(jīng)CT 數(shù)字化掃描，掃描參數(shù)為層厚 0.625 mm， 分辨率 512×512 像素， 像素大小0.533 mm，共獲得掃描數(shù)據(jù)452 張。將CT 數(shù)據(jù)以醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像和通訊格式導(dǎo)入Mimics 17.0 仿真模擬軟件進(jìn)行豬下頜骨、咬肌三維模型的建立。

利用Mimics 軟件中的閾值分割功能，從CT 數(shù)據(jù)中提取下頜骨和咬肌模型（骨閾值：226~3071，肌肉閾值：718~177）， 建立豬咬肌-下頜骨軟硬組織FEM 模型， 將FEM 模型進(jìn)行面網(wǎng)格劃分, 然后導(dǎo)入ANSA 軟件中進(jìn)行體網(wǎng)格劃分， 最后生成FEM實(shí)體網(wǎng)格模型。 下頜骨由骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)構(gòu)成, 并將其定性為分段線性彈塑性材料。然后在建立好的下頜骨模型上建立左側(cè)咬肌模型： 首先在Mimics軟件中用軟組織圖像形成以肌肉為主的蒙板，然后利用蒙板編輯功能手動(dòng)將左側(cè)咬肌逐層填充，最后采用無(wú)網(wǎng)格方法得到豬咬肌模型，并將肌肉組織定義為各向同性的黏彈性材料。

為了獲得更高的模型精度，在擬進(jìn)行子彈射擊的下頜角區(qū)（下頜骨喙突和下頜骨下緣切線的垂線點(diǎn)與頦孔和下頜骨下緣切線平行線的交點(diǎn)）劃出3.0 cm×2.5 cm 范圍（下頜骨骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)、咬肌），進(jìn)行8 節(jié)點(diǎn)六面體單元網(wǎng)格加密劃分， 再通過(guò)節(jié)點(diǎn)分離技術(shù)使相鄰單元格以共節(jié)點(diǎn)方式連接。 模型其余部分采用ANSA 軟件中4 節(jié)點(diǎn)四面體單元格劃分，四面體單元及六面體單元之間采用少量楔形單元格填充。為了將咬肌與下頜骨三維有限元模型裝配在一起，咬肌與下頜骨模型對(duì)應(yīng)的區(qū)域采用四面體與六面體單元格。 根據(jù)子彈實(shí)物幾何尺寸，在ANSA 軟件中繪制出直徑為7.62 mm、 體質(zhì)量為7.89 g 的子彈FEM 模型，并將其劃分為8 節(jié)點(diǎn)六面體單元格。

1.3 豬下頜火器傷致傷實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)備6 個(gè)體質(zhì)量約6 kg 的新鮮離體豬頭，將豬頭下頜骨及咬肌解剖分離，分離過(guò)程中不破壞咬肌與下頜骨的附著關(guān)系。將標(biāo)本固定于子彈致傷架上，采用7.62 mm 子彈致傷，射擊距離為6 m, 射擊目標(biāo)為下頜角中心點(diǎn)， 入射角度為與中心點(diǎn)垂直（圖1A）。 子彈射擊過(guò)程采用TST6150 動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)儀測(cè)量致傷過(guò)程中的各種生物力學(xué)參數(shù)，致傷過(guò)程采用Phantom 4.3 高速攝影儀記錄， 并通過(guò)測(cè)試結(jié)果計(jì)算出子彈致傷豬下頜的初速度 （V0）和剩余速度（V），以及速度衰減率和致傷能量，速度衰減率＝（V0-V）/V0，EW＝M/2（V02-V2），Ew 為子彈致傷能量，M 為子彈質(zhì)量。 將測(cè)試的子彈剩余速度、速度衰減率、 致傷能量的數(shù)據(jù)與豬下頜火器傷FEM 模型仿真獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)SPSS 17.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用配對(duì)t 檢驗(yàn)， P<0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.4 豬下頜火器傷三維有限元仿真及仿真結(jié)果驗(yàn)證

火器傷模型中7.62 mm 子彈初速度與豬下頜火器傷測(cè)試速度相同，射擊點(diǎn)為下頜角中心，子彈入射角度與下頜角中心點(diǎn)垂直（圖1B），子彈激發(fā)時(shí)將7.62 mm 模擬子彈設(shè)定為以子彈長(zhǎng)軸為對(duì)稱軸中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，子彈旋轉(zhuǎn)速度為3 042 r/s（弧度/秒）。

圖1 豬下頜火器傷致傷實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綀DFigure 1 Experimental model of gunshot injury to the mandible of pigs

將下頜骨、子彈模型材料定義為各向同性的分段線塑性材料 （LS-DYNA 程序中的*MAT_024 號(hào)材料）[12]， 將咬肌模型定義為各向同性的黏彈性材料（LS-DYNA 程序中的 *MAT_006 號(hào)材料）[13]。同時(shí)將咬肌模型定義為無(wú)網(wǎng)格 （element free galerkin method，EFG）的材料[14]，下頜骨單元格采用節(jié)點(diǎn)失效和單元失效算法， 節(jié)點(diǎn)失效應(yīng)變值設(shè)定為0.08，單元格的失效應(yīng)變值為0.44（骨皮質(zhì)）和1.5（骨松質(zhì)）。 咬肌單元格的失效方式采用*MAT_ADD_EROSION 方式， 子彈是由碳素鋼芯及銅金屬外殼組成。因此，本研究中將子彈定義為低碳鋼材料。模型中各種材料的生物力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表1[15-17]。 材料參數(shù)：咬肌密度1.040 g/cm3，體積模量5 Mpa，剪切模量0.016 8 Mpa，短剪切模量 0.052 8 Mpa，衰減系數(shù)0.035 m/s。

表1 豬下頜火器傷FEM 仿真材料的力學(xué)參數(shù)Table 1 Material properties of the FEM model of gunshot injuries in the mandible of pigs

將完成參數(shù)設(shè)定及算法設(shè)定的豬下頜軟硬組織火器傷FEM 模型導(dǎo)入LS-DYNA 有限元運(yùn)算軟件[18]中，選用 LS-DYNA 程序中的 **CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE 運(yùn)算。 子彈與模型單元格間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1， 靜態(tài)摩擦系數(shù)為0.44[19]。

2 結(jié)果

2.1 豬下頜三維有限元模型的建立

建立的豬咬肌-下頜骨FEM 模型的單元格數(shù)為674 863 個(gè)（四面體單元格616 543 個(gè)，六面體單元格50847 個(gè)，楔形單元格7473 個(gè)），節(jié)點(diǎn)數(shù)為261 997；子彈單元格數(shù)為3 680 個(gè)，所有模型單元格均為實(shí)體單元。賦予FEM 模型材料力學(xué)參數(shù)后，豬下頜質(zhì)量為6 354.65 g，與離體豬頭質(zhì)量接近，模型與豬下頜解剖結(jié)構(gòu)相似，解剖細(xì)節(jié)損失?。▓D2）。

圖2 豬下頜咬肌-下頜骨軟硬組織有限元模型Figure 2 FEM model of masseter muscle and mandibular bone of the pig

2.2 離體豬下頜火器傷致傷實(shí)驗(yàn)

豬下頜火器傷均表現(xiàn)為貫穿性損傷，入口及出口側(cè)彈孔周圍有不規(guī)則缺損斜面。子彈平均初速度為（734.11±11.83） m/s，平均剩余速度為（711.05±14.26） m/s，速度衰減率為（3.14±1.18）%，致傷能量為（131.43±48.47） J。 通過(guò)高速攝影發(fā)現(xiàn)，子彈致傷豬下頜的過(guò)程中，在入口側(cè)及出口側(cè)均出現(xiàn)細(xì)小的咬肉及下頜骨碎片飛濺的現(xiàn)象，入口側(cè)飛濺的方向與子彈入射方向相反，出口側(cè)與子彈入射方向相同（圖 3A）。

2.3 豬下頜軟硬組織火器傷有限元仿真及仿真結(jié)果驗(yàn)證

仿真模擬過(guò)程中，子彈致傷豬下頜剩余速度為714.19 m/s, 與豬下頜火器傷實(shí)測(cè)剩余速度接近，經(jīng)SPSS 17.0 軟件單樣本t 檢驗(yàn)， 差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05，表 2）。 豬下頜軟硬組織火器傷 FEM 動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果與子彈致傷高速攝影結(jié)果相似， 如圖3B所示，表現(xiàn)為子彈入口處及出口處出現(xiàn)明顯的咬肌單元格及下頜骨單元格向子彈入射相反方向飛濺現(xiàn)象，隨后出現(xiàn)一條不規(guī)則的彈道，彈道以不同的速度膨脹， 從而形成一個(gè)不規(guī)則的空腔。子彈射穿咬肌時(shí)間為250 μs，動(dòng)態(tài)模擬的咬肌膨脹趨勢(shì)與火器傷致傷高速攝影結(jié)果相近，但膨脹幅度相對(duì)較小。

圖3 咬肌-下頜骨軟硬組織火器傷仿真結(jié)果與豬下頜子彈致傷高速攝影結(jié)果比較Figure 3 Comparison between experimental and simulation gunshot injury of masseter muscle and mandibular bone of the pig

表2 子彈仿真速度與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)速度比較Table 2 Velocity of entrance and exit of experiment and simulation results

3 討論

頜面部火器傷后，如何在短時(shí)間內(nèi)獲取火器致傷信息，詳細(xì)地了解頜面部火器傷傷情，是頜面外科醫(yī)生所關(guān)注的重點(diǎn)。雖然隨著CT 及MRI 等影像技術(shù)的發(fā)展，我們可以判斷頜面部軟硬組織火器傷受傷后的頜面部損傷情況，但影像數(shù)據(jù)只能反映患者火器傷后靜態(tài)的受損狀況，無(wú)法直觀、動(dòng)態(tài)地顯示致傷過(guò)程[20]，也很難預(yù)見(jiàn)火器傷后頜面部不同組織可能受到的損壞程度。 因此，我們需要一個(gè)理想的頜面部火器傷模型，以動(dòng)態(tài)、全面地了解火器傷損傷情況，從而指導(dǎo)頜面部火器傷的臨床救治。三維有限元研究是將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的頜面解剖幾何形狀通過(guò)數(shù)學(xué)方法劃分，將其簡(jiǎn)化為數(shù)量有限的、簡(jiǎn)單的、具有相同性質(zhì)的單元格，然后對(duì)這些單元格賦予不同的力學(xué)屬性，最后通過(guò)計(jì)算方程得到相應(yīng)結(jié)果的數(shù)值計(jì)算，此方法可用于頜面部火器傷的研究[21]。

三維有限元模型質(zhì)量的高低決定了火器傷動(dòng)態(tài)仿真的精確度，有限元模型的材料參數(shù)及網(wǎng)格劃分都對(duì)火器傷動(dòng)態(tài)模擬產(chǎn)生重要影響[22]。 因此，本研究以豬頜面部CT 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將影像數(shù)據(jù)直接逆向?qū)隡imics 建模軟件中， 利用軟件的軟硬組織閾值提取功能自動(dòng)提取頜面部軟硬組織，從而建立豬咬肌-下頜骨FEM 模型。 建立的FEM 三維實(shí)體模型與豬真實(shí)解剖外形相似，且細(xì)節(jié)損失小。

在有限元分析中， 單元網(wǎng)格劃分是其重點(diǎn)，網(wǎng)格劃分越細(xì)便越接近頜面部解剖形態(tài)；然而過(guò)細(xì)的網(wǎng)格會(huì)加大計(jì)算量。因此，為了減少模型運(yùn)算時(shí)間，提高模型的解剖精準(zhǔn)度和計(jì)算效率，我們采用四面體與六面體單元格結(jié)合的方式建立火器傷有限元模型。 將擬子彈致傷的下頜角區(qū)域進(jìn)行單元格加密，從而提高火器傷仿真模擬精準(zhǔn)度。 模型的每一個(gè)單元節(jié)點(diǎn)都有自己獨(dú)立的編號(hào)，2 個(gè)單元之間以共節(jié)點(diǎn)方式相連，這些共節(jié)點(diǎn)在不受力時(shí)或受力小于設(shè)定閾值時(shí)保持連接。 一旦節(jié)點(diǎn)間受力超過(guò)閾值，共節(jié)點(diǎn)連接破壞，釋放相鄰單元格，從而產(chǎn)生類似咬肌及骨碎片“飛濺”的現(xiàn)象。

本課題組前期利用有限元建立了豬下頜骨火器傷FEM 模型， 通過(guò)該模型驗(yàn)證了有限元方法在豬下頜骨火器傷研究中的可靠性[23]。但是子彈致傷頜面部時(shí)需經(jīng)過(guò)皮膚、肌肉等軟組織才能到達(dá)骨組織，單純對(duì)骨組織進(jìn)行模擬分析并不能真正反映頜面部火器傷受傷情況，而軟組織在火器傷中損傷往往更為嚴(yán)重，救治更困難。 因此，本研究建立了咬肌-下頜骨火器傷FEM 模型。 豬咬肌-下頜骨火器傷FEM 模型動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果與子彈致傷高速攝影結(jié)果相似，說(shuō)明所建立的模型真實(shí)可靠，可用于頜面部火器傷生物力學(xué)分析及火器傷救治研究。

肌肉組織的生物力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜，子彈致傷時(shí)，肌肉組織不僅要變形、收縮，還要吸收能量，進(jìn)而導(dǎo)致肌肉撕裂。肌肉的生物力學(xué)材料模型需要準(zhǔn)確地反映出肌肉的黏彈性、各向異性和收縮等特性[24]。 因此，肌肉的生物力學(xué)研究是具有吸引力和挑戰(zhàn)性的。 鑒于咬肌在被子彈高速致傷時(shí)處于松弛狀態(tài)， 所以在模擬過(guò)程中忽略了咬肌的收縮性能，并將肌肉組織定義為各向同性的黏彈性材料。

在FEM 模型中， 子彈致傷會(huì)對(duì)軟硬組織單元格產(chǎn)生很大形變，單元網(wǎng)格往往產(chǎn)生嚴(yán)重畸形甚至扭曲變形，導(dǎo)致仿真模擬失敗。 為了克服有限元研究的不足， 本研究將咬肌模型定義為無(wú)網(wǎng)格模型。無(wú)網(wǎng)格法是在對(duì)于一個(gè)問(wèn)題域建立離散的系統(tǒng)方程時(shí)不用事先定義好網(wǎng)格的一種數(shù)值方法，能避免有限元研究中單元格畸變和負(fù)體積產(chǎn)生的影響。因此，該方法在高速?zèng)_擊、大變形、爆炸力學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[25]。我們?cè)谝Ъ〗M織的火器傷仿真過(guò)程中對(duì)無(wú)網(wǎng)格法進(jìn)行初步探索，本研究采用有限元方法和無(wú)網(wǎng)格法進(jìn)行咬肌-下頜骨火器傷仿真模擬，仿真結(jié)果在一定程度上符合動(dòng)物火器傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果，克服了單純采用有限元研究的不足。

FEM 中單元格的材料參數(shù)對(duì)火器傷模擬至關(guān)重要， 應(yīng)能真實(shí)反映頜面部軟硬組織的生物學(xué)行為，若材料參數(shù)選擇錯(cuò)誤會(huì)嚴(yán)重影響頜面部爆炸傷仿真結(jié)果[6]。 因此，本研究通過(guò)火器傷動(dòng)物實(shí)驗(yàn)獲得豬下頜投射物速度、子彈致傷能量、子彈侵徹過(guò)程高速攝影等數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)定模型的力學(xué)載荷、邊界條件等， 從而保證了火器傷FEM 仿真模擬結(jié)果的有效性和可靠性。

綜上所述，本研究成功建立了豬咬肌-下頜骨軟硬組織火器傷FEM 模型， 并通過(guò)離體動(dòng)物火器傷實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性，為軟硬組織火器傷模型研究提供了新方法。采用無(wú)網(wǎng)格法與有限元法聯(lián)合建立的豬咬肌-下頜骨火器傷模型，其仿真結(jié)果與動(dòng)物火器傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，說(shuō)明無(wú)網(wǎng)格法在肌肉組織火器傷仿真模擬中具有較好的應(yīng)用前景。