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(xué)法醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510515；2.司法鑒定科學(xué)研究院 上海市法醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 司法部司法鑒定重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海市司法鑒定專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 200063）

在城市中，高空墜落是導(dǎo)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(yán)重程度的主要因素，高度越大，胸部損傷越嚴(yán)重。墜落姿勢(shì)也是影響損傷嚴(yán)重程度的重要因素，在前側(cè)著地、后側(cè)著地以及側(cè)面著地過程中，高墜者的致死率會(huì)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(duì)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(yàn)，對(duì)于軀干不同部位著地所致肋骨骨折的機(jī)制并沒有準(zhǔn)確闡明。

有限元法是一種應(yīng)用廣泛的數(shù)學(xué)計(jì)算方法，將一個(gè)連續(xù)體分割成若干個(gè)有限的單元，然后在每一個(gè)單元上求解，是計(jì)算機(jī)分析復(fù)雜問題的有力工具。目前，有限元法也較多應(yīng)用于生物力學(xué)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(duì)Colles骨折的影響，結(jié)果表明，手的方向和骨骼幾何形狀對(duì)Colles骨折有重要影響[5]。MAJUMDER等[6]建立了含有不同人類學(xué)差異的有限元模型，目的是研究這些因素在側(cè)面摔跌中對(duì)髖骨骨折的影響，結(jié)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(jié)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(yù)測方面起到重要作用。RAUL等[7]運(yùn)用有限元法重建了摔跌導(dǎo)致人體頭部損傷的過程，模擬結(jié)果與實(shí)際損傷非常相似，證明了有限元法預(yù)測損傷的有效性。邵煜等[8]通過構(gòu)建人體胸廓三維有限元模型，進(jìn)行損傷生物力學(xué)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(jī)制，有學(xué)者[9]通過構(gòu)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(jī)制。由于有限元法的特殊性，其在法醫(yī)損傷學(xué)研究和實(shí)際案件的法醫(yī)損傷分析中具有重要價(jià)值。

本研究采用有限元法研究高墜中軀干不同部位著地對(duì)肋骨損傷的影響，研究肋骨骨折的損傷機(jī)制，旨在根據(jù)肋骨損傷的位置及嚴(yán)重程度推斷實(shí)際高墜案件中的落地姿勢(shì)，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(shè)計(jì)。該模型為站立位成人完整人體模型，身高173 cm，體質(zhì)量77.3 kg，39歲男性。模型內(nèi)含皮膚、皮下脂肪、肌肉、骨骼、軟骨、筋膜、韌帶、體內(nèi)器官、血管、神經(jīng)等人體主要器官結(jié)構(gòu)，共由1293個(gè)部分組成，各組織結(jié)構(gòu)均被賦予相應(yīng)的材料屬性。THUMS4.0有限元模型準(zhǔn)確地反映出人體組織結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)外形，每個(gè)部分均被賦予相應(yīng)的材料屬性。不同器官之間的接觸定義為滑動(dòng)摩擦，器官與被膜間的接觸同樣定義為滑動(dòng)摩擦，有文獻(xiàn)[10]對(duì)模型的材料屬性和驗(yàn)證進(jìn)行了相關(guān)介紹。

1.2 軟件

利用LS-PrePost 4.6軟件（美國LSTC公司）進(jìn)行模擬條件設(shè)置及結(jié)果后處理，用LS-DYNA R11軟件（美國LSTC公司）進(jìn)行模擬運(yùn)算。

1.3 研究方法

因人體呈對(duì)稱狀態(tài)，右前側(cè)與左前側(cè)、右后側(cè)與左后側(cè)生物力學(xué)響應(yīng)呈對(duì)稱分布，故本研究設(shè)置模型4種不同的著地姿勢(shì)（圖1），分別為軀干部右后側(cè)、右前側(cè)、后側(cè)和前側(cè)著地。建立剛體地面有限元模型，賦予相應(yīng)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(dòng)。根據(jù)2、3、4、5樓層高度計(jì)算4種不同的著地速度，分別為9.39、12.12、14.35、16.26 m/s，設(shè)定人體模型以上述不同的速度撞擊地面。觀察模擬結(jié)果中von Mises應(yīng)力、塑性應(yīng)變和肋骨骨折分布，當(dāng)暴力超出肋骨損傷閾值時(shí)即發(fā)生損傷。本研究應(yīng)用的THUMS4.0模型中，肋骨皮質(zhì)材料的塑性失效應(yīng)變?yōu)?.02。當(dāng)肋骨皮質(zhì)的塑性應(yīng)變達(dá)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(yīng)力分布判斷肋骨受力部位。

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

1.4 案例應(yīng)用

本研究將模擬結(jié)果與實(shí)際案例進(jìn)行比較，研究肋骨的損傷機(jī)制。案例來源于司法鑒定科學(xué)研究院的實(shí)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(diǎn)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(cè)顳頂部見細(xì)條狀頭皮挫裂創(chuàng)，右顳部頭皮腫脹，頂枕部偏右側(cè)頭皮下出血，右側(cè)顳肌淺層筋膜下出血，無顱骨骨折；右側(cè)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(cè)大片狀皮膚暗紅色變伴散在點(diǎn)狀表皮剝脫，右腘窩及右小腿上段后側(cè)皮膚暗紅色變，左足跟挫裂創(chuàng)；左側(cè)第1、2肋骨分別于胸骨旁和脊柱旁骨折，右側(cè)第1～9肋骨于右側(cè)肩胛線至脊柱旁區(qū)域骨折，右側(cè)第3肋于胸骨旁骨折，同時(shí)伴有多器官破裂；未檢見致死性疾病的病理學(xué)改變，亦未檢見機(jī)械性窒息的尸體征象。該死者的損傷具有高墜傷的特點(diǎn)。

2 結(jié)果

在軀干部不同部位著地時(shí)，肋骨的生物力學(xué)響應(yīng)結(jié)果不同，詳見表1。

表1 不同姿勢(shì)下von Mises應(yīng)力、塑性應(yīng)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(cè)著地時(shí)肋骨的生物力學(xué)響應(yīng)

在軀干正前側(cè)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(cè)肋骨腋前線至腋中線區(qū)域呈現(xiàn)高von Mises應(yīng)力集中區(qū)。在整個(gè)著地過程中，雙側(cè)肋骨多處部位塑性應(yīng)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(shí)腋前線至腋中線區(qū)域也可出現(xiàn)肋骨骨折。

圖2 前側(cè)著地時(shí)肋骨的變形過程Fig.2 Deformation process of the ribs in prone position falling

2.2 右前側(cè)著地時(shí)肋骨的生物力學(xué)響應(yīng)

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

圖3 右前側(cè)與前側(cè)著地時(shí)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(cè)著地時(shí)肋骨的生物力學(xué)響應(yīng)

在軀干正后側(cè)著地過程中，肋骨整體運(yùn)動(dòng)學(xué)與前側(cè)著地相似，von Mises應(yīng)力和塑性應(yīng)變首先集中在后側(cè)肋骨著地部位，隨著肋骨前后徑的減小，雙側(cè)肋骨腋中線區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變集中。肋骨骨折主要位于肋骨后側(cè)，速度較大時(shí)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(cè)著地時(shí)肋骨von Mises應(yīng)力分布一致（圖4），由于骨折處變形最大，因此塑性應(yīng)變于骨折處最明顯。

圖4 后側(cè)著地時(shí)肋骨的von Mises應(yīng)力分布Fig.4 Von Mises stress distribution of ribs in supine position falling

2.4 右后側(cè)著地時(shí)肋骨的生物力學(xué)響應(yīng)

軀干右后側(cè)著地過程中，肋骨右后側(cè)與地面接觸，接觸部位發(fā)生內(nèi)凹變形。整個(gè)過程中形變主要發(fā)生在右側(cè)肋骨，著地部位出現(xiàn)長時(shí)間von Mises應(yīng)力和塑性應(yīng)變集中，同時(shí)von Mises應(yīng)力也沿著肋骨向周圍傳播，并可在對(duì)側(cè)肋骨形成應(yīng)力集中。右側(cè)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(yīng)力減弱，塑性應(yīng)變主要集中在骨折部位。不同速度下的生物力學(xué)響應(yīng)一致，von Mises應(yīng)力、塑性應(yīng)變分布與骨折部位較為一致（圖5）。

圖5 右后側(cè)著地時(shí)肋骨von Mises應(yīng)力、塑性應(yīng)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(yīng)用結(jié)果

軀干右后側(cè)著地模擬結(jié)果所預(yù)測的肋骨骨折部位與實(shí)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(cè)著地情況，模擬結(jié)果為右側(cè)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(cè)肩胛線和脊柱旁區(qū)域，von Mises應(yīng)力主要分布于著地部位、胸骨旁及左側(cè)肋骨腋中線區(qū)域，塑性應(yīng)變主要集中于骨折部位。實(shí)際案例中的骨折部位主要集中于右側(cè)肩胛線和脊柱旁區(qū)域以及胸骨旁，與模擬結(jié)果較為一致。通過實(shí)際損傷情況和模擬結(jié)果對(duì)比分析，推測案例中男性為軀干部右后側(cè)著地。

圖6 右后側(cè)著地模擬結(jié)果與實(shí)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(dǎo)所形成，通常直接受撞擊部位損傷較為嚴(yán)重，而由于力的傳導(dǎo)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(yán)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(huì)影響高墜結(jié)果，因此高墜案件具有獨(dú)特性和復(fù)雜性，可根據(jù)骨骼損傷形態(tài)和位置推斷實(shí)際高墜情況[11-13]。高墜損傷與墜落高度、著地姿勢(shì)、年齡以及墜落終點(diǎn)等因素有關(guān)，收集相關(guān)高墜損傷案例進(jìn)行回顧性分析，研究高墜著地部位與骨折分布部位的關(guān)系，結(jié)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(shí)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(yán)重，而這些研究并未對(duì)胸部損傷的損傷機(jī)制進(jìn)行闡述[14-16]。本研究重點(diǎn)關(guān)注不同墜落姿勢(shì)對(duì)肋骨骨折的影響，采用有限元法探索不同姿勢(shì)下的肋骨骨折部位、損傷嚴(yán)重程度與損傷機(jī)制。

為了重建高墜過程，MILANOWICZ等[17]運(yùn)用MADYMO模型設(shè)置不同跌落姿勢(shì)，根據(jù)損傷判定準(zhǔn)則，判斷出現(xiàn)肋骨骨折和嚴(yán)重內(nèi)部器官損傷可能性很高，并與實(shí)際案例損傷進(jìn)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(jié)果能看出肋骨骨折的具體部位及von Mises應(yīng)力、塑性應(yīng)變的分布。壓縮是導(dǎo)致胸部損傷的鈍性暴力類型之一，當(dāng)暴力超過肋骨的損傷閾值時(shí)，肋骨就會(huì)發(fā)生骨折，在肋骨受到前后壓縮時(shí)，肋骨前外側(cè)、肋骨-肋軟骨交界處以及肋骨后側(cè)很可能會(huì)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(guān)，在肋骨前側(cè)受力時(shí)，肋骨前側(cè)和外側(cè)多會(huì)發(fā)生骨折，后側(cè)受力時(shí)，后側(cè)肋骨常發(fā)生骨折。

本研究高墜模擬結(jié)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(yīng)力集中，骨折常位于直接受力部位，隨后von Mises應(yīng)力沿肋骨向周圍傳播，并可在對(duì)側(cè)肋骨形成應(yīng)力集中，符合肋骨骨折是由于受到直接外力與傳導(dǎo)的間接外力作用[12]。

本研究所采用的THUMS模型與實(shí)際案例體型相當(dāng)、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(jìn)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(shí)際高墜案件中，在著地的一瞬間，死者可能會(huì)有相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作以此來減弱地面對(duì)人體的強(qiáng)大沖擊力，且由于本研究將有限元模型設(shè)置為軀干部右后側(cè)著地，與實(shí)際情況可能會(huì)有一定角度偏差，但根據(jù)模擬結(jié)果與實(shí)際案件的比較，認(rèn)為模擬結(jié)果可信，并可對(duì)案件分析提供參考。

根據(jù)von Mises應(yīng)力、塑性應(yīng)變以及肋骨骨折分布情況分析，肋骨骨折的主要機(jī)制為肋骨與地面接觸過程中受到擠壓發(fā)生形變，當(dāng)形變部位肋骨超出其損傷閾值就會(huì)發(fā)生骨折。通過檢驗(yàn)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(cè)，但是當(dāng)墜落高度更大時(shí)，雙側(cè)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(shí)，肋骨骨折最為常見[16]。頭部或足著地時(shí)，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(shí)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(fù)雜的軀干部著地作為研究對(duì)象。本研究通過觀察不同姿勢(shì)著地情況下肋骨骨折部位、von Mises應(yīng)力和塑性應(yīng)變分布探討肋骨損傷機(jī)制，分析高墜時(shí)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(diǎn)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(jié)合死者體表損傷、骨折及內(nèi)部器官損傷情況進(jìn)行綜合分析，以便作出更加準(zhǔn)確的推斷。