数字化技术在法医颅脑损伤生物力学分析中的应用

刘宁国，陈忆九，邹冬华，郑 剑

（司法部司法鉴定科学技术研究所 上海市法医学重点实验室，上海200063）

数字化技术在法医颅脑损伤生物力学分析中的应用

刘宁国，陈忆九，邹冬华，郑 剑

（司法部司法鉴定科学技术研究所 上海市法医学重点实验室，上海200063）

颅脑损伤是法医学鉴定的重点和难点，传统的颅脑损伤生物力学分析存在技术手段陈旧、分析数据模糊等问题。基于影像学的虚拟解剖技术和有限元分析技术具有非侵入、细节还原充分和力学数据准确等优点，在颅脑损伤生物力学分析中引入先进的数字化技术可提高鉴定证据客观性，推动学科的发展。

颅脑损伤；生物力学分析；影像学；有限元

Abstract：craniocerebral injury Identification is important and tough in forensic medicine practice.There are some deficiencies in traditional biomechanical analysis，such as obsolete methods and ambiguous data.Virtual autopsy and finite element analysis，which are based on imaging examination techniques，show many advantages including noninvasive imaging，sufficient detail and nicety mechanical data.So the introduction of these digital techniques might improve the objectivity of evidence documentation and promote the development of forensic science.

Key words：craniocerebral injury；biomechanical analysis；imaging technique；finite element

颅脑，作为人体高级思维活动和维持基本生命体征的神经中枢，是保持生命活动的关键，也是他杀伤害的主要目标。颅脑损伤是法医实际工作中最重要的损伤和最常见的死因之一，据世界各国不同时期的统计显示，颅脑损伤的发生率居创伤的首位，或仅次于四肢骨折，占全身各部位创伤的9%～21%[1]。颅脑损伤的鉴定在法律上也是定罪量刑、划定责任的主要依据。

1 法医学颅脑损伤生物力学研究现状

颅脑损伤的法医学鉴定主要包括：颅脑损伤后死亡的死因和死亡方式、颅脑损伤的经过时间、颅脑损伤的生物力学特征和成伤机制、致伤工具的推断等几个方面。当前，关于颅脑损伤的死因、死亡方式和伤后经历时间等研究在国内外已有大量报道，其观察或检测方法也从光镜、电镜发展到免疫组化、分子生物学等生物技术的应用；从损伤大体形态的肉眼观察、组织细胞结构损伤的显微镜观察，发展到分子、基因水平的检测[2-3]。遗憾的是，目前法医学关于颅脑损伤生物力学机制方面的研究仍然几乎停滞于上世纪中叶的水平，很多问题诸如：颅脑损伤特别是钝力性颅脑损伤是遭受哪个方向的力形成的？是一个方向的力还是多种力共同作用结果？是加速运动还是减速运动？力是如何在不同质地、不同结构的组织内传导的？作用力大小、颅脑各组织（包括头皮、皮下组织、颅骨、硬脑膜、脑等）的生物力学特性与其伤害结果（头皮擦伤、挫伤、挫裂创、颅骨骨折、硬脑膜外硬脑膜下血肿、蛛网膜下腔出血、脑挫伤、脑内血肿）的关联度如何？致伤物是何种质地？大小、形状如何？以不同速度、方向造成颅脑损伤会发生怎样的相应形态学改变？……上述一系列关于颅脑损伤生物力学机制和致伤物特征的分析大多是法官、刑侦人员最关心的焦点问题，是审判、侦破的关键，但目前法医学解决上述问题的手段无外乎是肉眼观察、尸体解剖和经验判断，这种古老的传统手段在认识上不仅笼统、模糊，在某些问题上不同人的判断有时相去甚远，而且也越来越不适应我国法制化的进程和重客观事实、讲科学证据的时代潮流。因此，有必要借鉴当前最先进的数字化技术、计算机技术以及影像学、生物力学的新手段、新方法，分析计算颅脑损伤过程中应力、应变、位移、速度、加速度等力学参数，再结合详细的尸体解剖、现场勘查等，对颅脑损伤的机制进行更客观、更准确和更深层次的研究。

2 基于虚拟解剖技术的生物力学分析

虚拟解剖技术是将现代影像学、法医学、诊断性影像学、磁共振波谱学、计算机技术、远程通信、信息处理技术以及生物力学相结合的一门综合学科。近年来，随着技术移植的加快，已经开始为法医学枪弹损伤[4]、机械性窒息[5]、猝死病理学[6]等法医学鉴定服务。MSCT和三维重建在临床诊断骨和器官损伤方面已显示了其强大的作用，通过对尸体的精细扫描、对损伤的准确还原等，逐渐可以满足法医损伤生物力学分析的需要[7]。

颅脑损伤的生物力学分析对信息获取程度的要求与死因鉴定不同。死亡原因鉴定着眼于可以致死的主要器官损伤或全身并发症，对于身体上一些微小痕迹如碰擦、骨裂等由于和死亡关联不大而往往不会刻意关注；而损伤生物力学分析则关注身体在外力作用下的伤害程度和形变特点，重在损伤的部位、分布等趋势性信息的收集，从力学角度判断致伤物的作用面、作用方向、作用力加速度等特征，有时一些微小伤痕甚至可能是鉴定的关键。

由于解剖结果事先属于未知状态，这就使解剖过程类似于临床上的剖腹探查，在解剖过程中需根据解剖所见情况实时调整解剖术式，以便对发现的阳性变化进行重点检查，但为了保持死者遗体的相对完整性或解剖手段自身的局限性，对于颧骨、上颌窦等“隐蔽”部位往往不作为常规检查项目，当对某些细微表象认识不足时，解剖过程中可能漏掉或破坏重要的生物力学证据。而影像学检查手段通过对尸体进行全面扫描，可预知体内存在的关键问题，也可指导解剖过程有的放矢且避免遗漏。另外，影像学检查还可以从剖面直接观察骨折形态和走向分布，这一点即使在解剖过程中也很难做到。笔者通过比较发现，影像学技术应用于尸体解剖不仅可作为解剖的指导和补充，在特定情况下可起到一定的替代作用[8]。

影像学技术法医学生物力学分析具有以下优点：（1）非破坏鉴定（non-destructive documentation）或称非侵入性成像（noninvasive imaging）[9]。 在我国，交通事故解剖率很低，造成交通事故尸表检验鉴定存在很大漏诊或误诊的风险。即使进行尸体解剖，由于损伤较重，解剖的切割、牵拉作用也会造成某些损伤特征的人为破坏，因而也具有一定风险。而影像学检查正好可以弥补此两种情况的不足。（2）信息更加全面细致。法医学尸体解剖对于骨折的发现依赖于看到骨折断端、扪及错位或骨擦感以及看到骨折周围软组织出血等，对于软组织覆盖较多或出血不明显的骨折则会出现漏诊，解剖后尸体一旦火化，则复检无法进行。CT扫描则一次收集齐所有信息特征，使骨折、骨裂甚至骨挫伤基本不会漏诊，这些信息对死亡原因可能没有影响，但对于损伤生物力学分析至关重要。（3）分析更加便捷。CT三维重建不仅可以分析整个人体，还可以对局部结构分离后单独观察、比对，在电脑中可全方位旋转、测量，为致伤分析提供更多方便，这些是尸体解剖所难以实现的。（4）便于证据保存和出示。数据以DICOM格式永久保存，可根据需要提供平片或任意部位的三维重建，为存档、交流和出庭作证提供方便。

3 基于DICOM格式医学图像的有限元生物力学分析

有限元分析法（finite element analysis）是一种从工程结构分析发展起来的求解连续介质力学问题的数值分析方法，是继机械法、电测法和光弹法等传统的实验生物力学测试技术之后的一种新的生物力学测试方法，属于计算生物力学测试技术的范畴。Brekelmans等[10]。1972年首次将该方法引入生物力学领域，在其后的30多年，该方法无论是建模技术，还是其应用范围都有了长足的发展。有限元模型已由二维线性[11]发展到三维非线性[12]，由单个部位发展到整个人体。模型中不仅包括了骨性的被动结构，也加入了肌肉的主动特性[13]。事实上某些模型已经把人体的复杂结构模拟得很详细。同时，有限元分析由静态响应向动态响应过渡。国内近些年对于头部损伤生物力学的研究也逐渐开始重视，很多家科研单位开始从事这方面的研究。已经逐步形成比较成熟的头部三维有限元模型，尽管该模型主要用于交通事故防范、车辆安全性能检测和交通伤研究，但在技术上、方法上已具备了向法医学颅脑损伤生物力学机制研究转化的基础。

决定有限元生物力学研究精细度和准确度的关键在于如何建模，根据传统的直接建模法、坐标点建模和组织切片建模等经证明存在较多缺点，特别是整个过程是人为识别组织结构，致使误差在所难免，从而影响模型的精确度。近几年来，多重螺旋CT（MSCT）和磁共振成像（MRI）等影像学技术出现了突飞猛进的发展，高质量的扫描图像使有限元建模的技术瓶颈得以突破，硬件和软件方面的革新使MSCT和MRI图像可方便地进行格式转化，产生符合有限元建模所需的基于医学图像通讯标准 （digital imaging and communcations in medicine，DICOM）存储格式医学图像，目前该方法已被认为是三维有限元模型建模的主流方法。随着研究的深入，该建模方法逐步不断得到完善，且逐渐成熟，再通过借助一些第三方的软件，如Mimics、Simpleware等，不同学者建立的不同部位有限元模型[14-21]已日趋完美。利用此模型，依据撞击压一对撞压产生理论（coup-contre coup pressure theory）将有限元模型在 PAM-CRASH、MARC、RADIOSS、ANSYS和NISA等等软件中模拟碰撞，不仅可真实地动态再现颅脑损伤全过程，还可对碰撞动力学响应进行分时分析，并通过计算诸如头部损伤判据（HeadInjury Criterion，HIC）[22]等对碰撞部位形变、位移、应力等生物力学响应及其程度进行研究。

计算生物力学自20世纪70年代以来己在国外被广泛地应用于人体损伤的仿真与模拟。当时由于计算机技术尚不发达，因而无论在模型建立还是碰撞模拟方面大都简单化。九十年代初，以Ruan等人建立的头部损伤有限元模型标志着新一代计算机仿真生物力学研究的开始。后来的一系列的头部模型的应用研究方面取得了不少的进展。此有限元模型陆续应用于各领域颅脑损伤生物力学机制研究中[23-27]，其领域涉及交通安全、汽车设计以及临床和基础医学研究等。

国内在计算机仿真生物力学研究方面起步较晚，但在最近几年陆续有成果报道，主要在工程与材料力学领域、交通伤防范和临床创伤研究领域。在三维建模研究方面，多采用CT扫描技术[28]，或与混合Ⅲ型假人头结合[29]，或采用新鲜颅骨进行多层螺旋CT扫描，利用专业医学建模软件完成三维重建工作，均取得一定成果[30]。在研究交通事故颅脑损伤研究中，王以进等[31]用三维有限元方法分析颅脑在气流冲击载荷作用下非线性动力学响应问题，得到人体头部冲击波传递、颅脑损伤容限曲线、延髓损伤等，何培[32]等对建立的人体颅脑三维有限元模型进行碰撞模拟，用刚性圆柱体撞击眉心处，撞击速度为6.33m/s，撞击方式为水平自由撞击，均取得了相关的实验数据。笔者所在课题小组在基于道路交通事故综合鉴定信息处理及计算机仿真技术进行事故再现、交通伤致伤分析、碰撞动力学响应分析等方面，研究了不同碰撞方式在人体上产生的损伤特征，并根据事故仿真计算结果，分析各部位的响应曲线，也取得了一定的研究成果[33-39]。

4 法医颅脑损伤的数字化生物力学分析应用前景

在对计算机仿真技术已有相当深刻的理解和掌握的基础上，在具有大量案源资料和相当丰富经验的法医学专家分析的基础上，在具有完善的数字影像软、硬件设备和较高水平的专家阅片的基础上，进行法医学损伤生物力学的数字化研究不仅顺理成章，而且具有很大的实用价值。

4.1 丰富法医学损伤生物力学基本理论

法医学者曾采用人或猴的颅骨研究过颅骨的抗压缩、抗弯、抗拉伸、抗剪切强度；但没有测量具体受力强度和颅骨应力的具体数值，曾研究不同作用力下头皮、颅骨的形变和位移，却不能反映出其具体变化的时程；曾研究过不同骨折形态与冲击伤、对冲伤的关系，但无法通过翔实的数据解释其传导路线和形成过程。如果说以各类实际检案中的颅脑损伤为基础，先对案件中致伤物、致伤方式的调查统计，在对尸体从头皮直至脑实质进行细致解剖，并通过从骨折、脑血肿到骨裂、微小脑挫伤的影像学证据的收集分析，然后，对各案件计算机仿真的动态还原，再加上对精确到毫秒的各时相和各单元体的拉应力、压应力分析，不仅可为既往法医学研究成果提供理论支撑，还可使法医学力学分析更精确，更完善。

4.2 提供司法鉴定、科学研究新的方法和手段

法医病理学是以形态学研究为基础，其传统的检查手段主要凭法医的一双手、一双眼和缜密的科学思维，但通过手、眼认识事物的能力毕竟具有其局限性，若对原位的骨裂、骨挫伤等微小形变以及组织断裂、破碎在空间上的变化等认识不准确，可造成分析论证过程与实际情况发生一定程度的偏差，如果通过螺旋CT和磁共振成像后进行原位360°无损切片分析，再通过计算机仿真对其成伤方式和力学参数在不同时相上进行动态研究，则无疑给延伸了法医的手、眼和脑认识事物的能力，使法医学科学研究和鉴定结论更客观、更公正、更准确。

4.3 加强证据的说服力

法医学接触到的证据均是静态的、事后的，但法医要解决的问题是动态的、变化的，法医的任务就是把现场、致伤物和尸体上收集到的大量静态的物证、痕迹、形变等串联起来，结合自己的逻辑思维和经验判断加工，动态还原出损伤、死亡发生的过程，达到刻画疑犯、划定责任的目的。这些证据的分析不仅专业性强、而且相当抽象，然而，需要理解这些结论的对象可能是毫无法医学知识甚至毫无医学知识的法官、律师、当事人，有时单是现场、解剖过程中血淋淋的照片就足以令其望而却步，于是法医鉴定人员有时不得不通过画示意图，或者在法庭上举例子、打比方等方式解释鉴定分析结果，如果能运用数字化生物力学分析技术将颅脑损伤过程通过计算机仿真方式动态演示出来，再配上数字图像技术以及实时动态的接触面、受力方向和受力大小的具体数据，必然会大大增加证据的说服力。

4.4 为法医学损伤研究的全面展开提供方法和手段

机械性损伤是法医学鉴定的重要内容，颅脑损伤由于其复杂性和重要性在各教科书中均列为单独的章节，本项目在前期对交通伤、交通事故现场等力学和仿真研究的基础上，将数字化技术研究手段应用于分析各种类型颅脑损伤的生物力学机制，并与司法鉴定实践相结合，由此建立的分析方法和技术可以推广到其他部位复杂疑难的损伤当中，比如脊柱的损伤，脑干、脊髓的损伤、胸部震荡伤、枪弹伤等，为推动司法鉴定学科发展和技术进步服务。

[1]Bruns JJr，Hauser WA.The epidemiology of traumatic brain injury[J].Epilepsia，2003，44（Suppl 10）：2-10.

[2]张益鹄.法医颅脑损伤的研究进展（Ⅰ）[J].中国法医学杂志，2002，（1）：51-53.

[3]张益鹄.法医颅脑损伤的研究进展（Ⅱ）[J].中国法医学杂志，2002，（1）：120-123.

[4]Thali MJ，Kneubuehl BP，Vock P，et al.High-speed documented experimental gunshot to a skull-brain model and radiologic virtual autopsy[J].Am J Forensic Med Pathol，2002，23（3）：223-228.

[5]Aghayev E，Yen K，Sonnenschein M，et al.Pneumomediastinum and soft tissue emphysema of the neck in postmortem CT and MRI：a new vital sign in hanging?Forensic Science International 153（2005）181–188.

[6]Jackowski C，Schweitzer W，Thali M，et al.Virtopsy： postmortem imaging of the human heart in situ using MSCT and MRI[J].Forensic Sci Int，2005，149（1）：11-23.

[7]篙自睿，吴敬东，刘小山，等.虚拟解剖技术在法医学中的应用.法医学杂志[J].2007，23（2）：142-144.

[8]刘宁国，邹冬华，许建荣，等.影像学技术与尸体解剖在致伤方式鉴定中的应用比较[J].法医学杂志，2009，（4）：254-259.

[9]Thali MJ，Jackowski C，Oesterhelweg L，et al.VIRTOPSY–The Swiss virtual autopsy approach.Legal Medicine[J].2007，9：100–104.

[10]Brekelmans WA，Poort HW，Slooff TJ.A newmethod to analyse the mechanical behaviour of skeletal parts[J].Acta Orthop Scand，1972，43（5）：301-317.

[11]Gilchrist，O’Donoghue D.Simulation of the development of frontal head impact injury[J].Comput Mech，2000，26：229-235.[12]Kleiven S.Influence of impact direction on the human head in prediction of subdural hematoma[J].J Neurotrauma，2003，20：365-379.

[13]Goel VK，Monroe BT，Gilbertson L G，et al.Inter laminar shear stresses and laminae in a disc：finite element analysis of the L3～L4motion segment subjected to axial compressive loads[J].Spine，1995，20（5）：689-698.

[14]白石柱，李涤尘.多层螺旋CT在建立上颌骨三维有限元模型中的应用[J].中国临床康复，2006，10 （41）：90-92.

[15]程黎明，贾连顺，黄本才，等.下颈椎三维有限元模型的建立[J].第二军医大学学报，2003，4（3）：338-340.

[16]Ishii T，Mukai Y，Hosono N，et al Kinematics of the upper cervical spine in rotation：In vivo three-dimensional analysis[J].Spine，2004，29：E139-E144.

[17]Teo EC，Ng HW.Evaluation of the role of ligaments，facets and disc nucleus in lower cervical spine under compression and sagittalmoments using finite elementmethod[J].Med Eng Phy，2001，23：155-164.

[18]Teo EC，Ng HW.Firstcervicalvertebra （atlas） fracturemechanism studies using finite elementmethod[J].JBiomech，2001，34：13-21.

[19]Ng HW，Teo EC.Nonlinear finite-element analysis of the lower cervical spine （C4-C6）under axial loading[J].J Spinal Discord，2001，（14）：201-210.

[20]Skalli W，Robin S，Lavaste F，et al.A biomechanical analysis of short segment spinal fixation using a three-dimension algeometric and mechanical model[J].Spine，1993，（18）：536-545.

[21]俞杭到，唐天驷，杨同其，等.颈椎前路低切迹钛板系统的生物力学评价[J].中国脊柱脊髓杂志，2003，13（7）：419-423.

[22]Ruan JS，Khalil TB，King AI.Finite element modeling of direct head impact[J].Proc 37th Stapp Car Crash Conf，1993（1）：69.

[23]Pintar FA，Kumaresan S，Yoganandan N，et al Biomechanical modeling of penetrating traumatic head injuries.a finite element approach[J].J Biomed Sci Instrum，2001，（37）：429-434.

[24]Kleiven S.Influence of impactdirection on the human head in prediction of subdural hematoma[J].J Neurotrauma，2003，（20）：365-379.

[25]Huang HM，Lee MC，Chiu WT，et al Three-dimensional finite element analysis of subdural hematoma[J].J Trauma，1999，（47）：538-544.

[26]Kuijpers AH，Claessens MH，Sauren AA.The influence of different boundary conditionson the response of the head to impact：a two-dimensional finite element study[J].J Neurotrauma，1995，（12）：715-724.

[27]Bandak FA，vanderVorst MJ，StuhmillerLM，et al An imaging-based computational and experimental study of skull fracture：finite element model development[J].J Neurotrauma，1995，（12）：679-688.

[28]薛强，卢晓艳.人体头颈计算机模型的建立与有限元分析[J].微计算机信息，2008，（6）：259-261.

[29]张海钟，黄旭明，李师勇，等.具有解剖基下颌的人头模型撞击损伤的有限元研究[J].中华医学杂志，2003，（24）：2166-2169.

[30]朱伟民，付双林，贾昭，等.三维颅骨模型的建立和有限元及实验应力分析的研究[J].生物医学工程研究，2007，3：244-247.

[31]王以进，李永丰，陈跃敏，等.自动生成颅脑冲击响应的图像三维有限元分析[J].上海大学学报（自然科学版），1999，（4）：283-286.

[32]何培，张建国，阮世捷，等.基于螺旋CT的人体颅脑三维有限元模型构建[J].天津科技大学学报，2006，2：36-38，54.

[33]陈忆九，邹冬华，刘宁国.再现技术在道路交通事故鉴定中的应用[J].中国司法鉴定，2007，（3）：23-27.

[34]邹冬华，陈忆九，刘宁国，等.轿车与自行车碰撞事故仿真研究及骑车者致伤特点分析[J].法医学杂志，2007，23（4）：250-253.

[35]邹冬华，刘宁国，申杰，等.汽车碰撞中乘员损伤成因分析与计算机仿真研究[J].法医学杂志，2006，22 （4）：261-263.

[36]邹冬华，陈忆九，陈建国，等.交通事故中摩托车驾驶者致伤方式分析[J].法医学杂志，2007，23（2）：134-136.

[37]邹冬华，陈忆九，陈建国.致伤方式推断在道路交通事故鉴定和责任认定中的作用[J].中国司法鉴定，2007，（4）：11-15.

[38]刘宁国，邹冬华，毛明远，等.骑跨伤在自行车与机动车碰撞事故中的特征及生物力学机制[J].法医学杂志，2007，23（6）：401-404.

[39]Zhang X，Jin X，Chen Y，et al.Study of Vehicle Accident Reconstruction Based on the Information of the Tire Marks[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2007，14（5）：641-645.

（本文编辑：秦志强）

Application of Digital Techniques in Forensic Biomechanical Analysis of Craniocerebral Injury

LIU Ning-guo，CHEN Yi-jiu，ZOU Dong-hua，ZHENG Jian
（Shanghai Key Laboratory of Forensic Medicine，Institute of Forensic Sciences，Ministry of Justice，Shanghai 200063，China）

DF795

A

10.3969/j.issn.1671-2072.2010.05.016

1671-2072-（2010）05-0071-04

2009-09-23

国家自然科学基金资质项目（30872920）

刘宁国（1970-），男，硕士，副主任法医师，主要从事法医病理学研究。E-mail：liuningguo@yahoo.com.cn。