數字化技術在法醫顱腦損傷生物力學分析中的應用

劉寧國，陳憶九，鄒冬華，鄭 劍

（司法部司法鑒定科學技術研究所 上海市法醫學重點實驗室，上海200063）

數字化技術在法醫顱腦損傷生物力學分析中的應用

劉寧國，陳憶九，鄒冬華，鄭 劍

（司法部司法鑒定科學技術研究所 上海市法醫學重點實驗室，上海200063）

顱腦損傷是法醫學鑒定的重點和難點，傳統的顱腦損傷生物力學分析存在技術手段陳舊、分析數據模糊等問題。基于影像學的虛擬解剖技術和有限元分析技術具有非侵入、細節還原充分和力學數據準確等優點，在顱腦損傷生物力學分析中引入先進的數字化技術可提高鑒定證據客觀性，推動學科的發展。

顱腦損傷；生物力學分析；影像學；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

顱腦，作為人體高級思維活動和維持基本生命體征的神經中樞，是保持生命活動的關鍵，也是他殺傷害的主要目標。顱腦損傷是法醫實際工作中最重要的損傷和最常見的死因之一，據世界各國不同時期的統計顯示，顱腦損傷的發生率居創傷的首位，或僅次于四肢骨折，占全身各部位創傷的9%～21%[1]。顱腦損傷的鑒定在法律上也是定罪量刑、劃定責任的主要依據。

1 法醫學顱腦損傷生物力學研究現狀

顱腦損傷的法醫學鑒定主要包括：顱腦損傷后死亡的死因和死亡方式、顱腦損傷的經過時間、顱腦損傷的生物力學特征和成傷機制、致傷工具的推斷等幾個方面。當前，關于顱腦損傷的死因、死亡方式和傷后經歷時間等研究在國內外已有大量報道，其觀察或檢測方法也從光鏡、電鏡發展到免疫組化、分子生物學等生物技術的應用；從損傷大體形態的肉眼觀察、組織細胞結構損傷的顯微鏡觀察，發展到分子、基因水平的檢測[2-3]。遺憾的是，目前法醫學關于顱腦損傷生物力學機制方面的研究仍然幾乎停滯于上世紀中葉的水平，很多問題諸如：顱腦損傷特別是鈍力性顱腦損傷是遭受哪個方向的力形成的？是一個方向的力還是多種力共同作用結果？是加速運動還是減速運動？力是如何在不同質地、不同結構的組織內傳導的？作用力大小、顱腦各組織（包括頭皮、皮下組織、顱骨、硬腦膜、腦等）的生物力學特性與其傷害結果（頭皮擦傷、挫傷、挫裂創、顱骨骨折、硬腦膜外硬腦膜下血腫、蛛網膜下腔出血、腦挫傷、腦內血腫）的關聯度如何？致傷物是何種質地？大小、形狀如何？以不同速度、方向造成顱腦損傷會發生怎樣的相應形態學改變？……上述一系列關于顱腦損傷生物力學機制和致傷物特征的分析大多是法官、刑偵人員最關心的焦點問題，是審判、偵破的關鍵，但目前法醫學解決上述問題的手段無外乎是肉眼觀察、尸體解剖和經驗判斷，這種古老的傳統手段在認識上不僅籠統、模糊，在某些問題上不同人的判斷有時相去甚遠，而且也越來越不適應我國法制化的進程和重客觀事實、講科學證據的時代潮流。因此，有必要借鑒當前最先進的數字化技術、計算機技術以及影像學、生物力學的新手段、新方法，分析計算顱腦損傷過程中應力、應變、位移、速度、加速度等力學參數，再結合詳細的尸體解剖、現場勘查等，對顱腦損傷的機制進行更客觀、更準確和更深層次的研究。

2 基于虛擬解剖技術的生物力學分析

虛擬解剖技術是將現代影像學、法醫學、診斷性影像學、磁共振波譜學、計算機技術、遠程通信、信息處理技術以及生物力學相結合的一門綜合學科。近年來，隨著技術移植的加快，已經開始為法醫學槍彈損傷[4]、機械性窒息[5]、猝死病理學[6]等法醫學鑒定服務。MSCT和三維重建在臨床診斷骨和器官損傷方面已顯示了其強大的作用，通過對尸體的精細掃描、對損傷的準確還原等，逐漸可以滿足法醫損傷生物力學分析的需要[7]。

顱腦損傷的生物力學分析對信息獲取程度的要求與死因鑒定不同。死亡原因鑒定著眼于可以致死的主要器官損傷或全身并發癥，對于身體上一些微小痕跡如碰擦、骨裂等由于和死亡關聯不大而往往不會刻意關注；而損傷生物力學分析則關注身體在外力作用下的傷害程度和形變特點，重在損傷的部位、分布等趨勢性信息的收集，從力學角度判斷致傷物的作用面、作用方向、作用力加速度等特征，有時一些微小傷痕甚至可能是鑒定的關鍵。

由于解剖結果事先屬于未知狀態，這就使解剖過程類似于臨床上的剖腹探查，在解剖過程中需根據解剖所見情況實時調整解剖術式，以便對發現的陽性變化進行重點檢查，但為了保持死者遺體的相對完整性或解剖手段自身的局限性，對于顴骨、上頜竇等“隱蔽”部位往往不作為常規檢查項目，當對某些細微表象認識不足時，解剖過程中可能漏掉或破壞重要的生物力學證據。而影像學檢查手段通過對尸體進行全面掃描，可預知體內存在的關鍵問題，也可指導解剖過程有的放矢且避免遺漏。另外，影像學檢查還可以從剖面直接觀察骨折形態和走向分布，這一點即使在解剖過程中也很難做到。筆者通過比較發現，影像學技術應用于尸體解剖不僅可作為解剖的指導和補充，在特定情況下可起到一定的替代作用[8]。

影像學技術法醫學生物力學分析具有以下優點：（1）非破壞鑒定（non-destructive documentation）或稱非侵入性成像（noninvasive imaging）[9]。 在我國，交通事故解剖率很低，造成交通事故尸表檢驗鑒定存在很大漏診或誤診的風險。即使進行尸體解剖，由于損傷較重，解剖的切割、牽拉作用也會造成某些損傷特征的人為破壞，因而也具有一定風險。而影像學檢查正好可以彌補此兩種情況的不足。（2）信息更加全面細致。法醫學尸體解剖對于骨折的發現依賴于看到骨折斷端、捫及錯位或骨擦感以及看到骨折周圍軟組織出血等，對于軟組織覆蓋較多或出血不明顯的骨折則會出現漏診，解剖后尸體一旦火化，則復檢無法進行。CT掃描則一次收集齊所有信息特征，使骨折、骨裂甚至骨挫傷基本不會漏診，這些信息對死亡原因可能沒有影響，但對于損傷生物力學分析至關重要。（3）分析更加便捷。CT三維重建不僅可以分析整個人體，還可以對局部結構分離后單獨觀察、比對，在電腦中可全方位旋轉、測量，為致傷分析提供更多方便，這些是尸體解剖所難以實現的。（4）便于證據保存和出示。數據以DICOM格式永久保存，可根據需要提供平片或任意部位的三維重建，為存檔、交流和出庭作證提供方便。

3 基于DICOM格式醫學圖像的有限元生物力學分析

有限元分析法（finite element analysis）是一種從工程結構分析發展起來的求解連續介質力學問題的數值分析方法，是繼機械法、電測法和光彈法等傳統的實驗生物力學測試技術之后的一種新的生物力學測試方法，屬于計算生物力學測試技術的范疇。Brekelmans等[10]。1972年首次將該方法引入生物力學領域，在其后的30多年，該方法無論是建模技術，還是其應用范圍都有了長足的發展。有限元模型已由二維線性[11]發展到三維非線性[12]，由單個部位發展到整個人體。模型中不僅包括了骨性的被動結構，也加入了肌肉的主動特性[13]。事實上某些模型已經把人體的復雜結構模擬得很詳細。同時，有限元分析由靜態響應向動態響應過渡。國內近些年對于頭部損傷生物力學的研究也逐漸開始重視，很多家科研單位開始從事這方面的研究。已經逐步形成比較成熟的頭部三維有限元模型，盡管該模型主要用于交通事故防范、車輛安全性能檢測和交通傷研究，但在技術上、方法上已具備了向法醫學顱腦損傷生物力學機制研究轉化的基礎。

決定有限元生物力學研究精細度和準確度的關鍵在于如何建模，根據傳統的直接建模法、坐標點建模和組織切片建模等經證明存在較多缺點，特別是整個過程是人為識別組織結構，致使誤差在所難免，從而影響模型的精確度。近幾年來，多重螺旋CT（MSCT）和磁共振成像（MRI）等影像學技術出現了突飛猛進的發展，高質量的掃描圖像使有限元建模的技術瓶頸得以突破，硬件和軟件方面的革新使MSCT和MRI圖像可方便地進行格式轉化，產生符合有限元建模所需的基于醫學圖像通訊標準 （digital imaging and communcations in medicine，DICOM）存儲格式醫學圖像，目前該方法已被認為是三維有限元模型建模的主流方法。隨著研究的深入，該建模方法逐步不斷得到完善，且逐漸成熟，再通過借助一些第三方的軟件，如Mimics、Simpleware等，不同學者建立的不同部位有限元模型[14-21]已日趨完美。利用此模型，依據撞擊壓一對撞壓產生理論（coup-contre coup pressure theory）將有限元模型在 PAM-CRASH、MARC、RADIOSS、ANSYS和NISA等等軟件中模擬碰撞，不僅可真實地動態再現顱腦損傷全過程，還可對碰撞動力學響應進行分時分析，并通過計算諸如頭部損傷判據（HeadInjury Criterion，HIC）[22]等對碰撞部位形變、位移、應力等生物力學響應及其程度進行研究。

計算生物力學自20世紀70年代以來己在國外被廣泛地應用于人體損傷的仿真與模擬。當時由于計算機技術尚不發達，因而無論在模型建立還是碰撞模擬方面大都簡單化。九十年代初，以Ruan等人建立的頭部損傷有限元模型標志著新一代計算機仿真生物力學研究的開始。后來的一系列的頭部模型的應用研究方面取得了不少的進展。此有限元模型陸續應用于各領域顱腦損傷生物力學機制研究中[23-27]，其領域涉及交通安全、汽車設計以及臨床和基礎醫學研究等。

國內在計算機仿真生物力學研究方面起步較晚，但在最近幾年陸續有成果報道，主要在工程與材料力學領域、交通傷防范和臨床創傷研究領域。在三維建模研究方面，多采用CT掃描技術[28]，或與混合Ⅲ型假人頭結合[29]，或采用新鮮顱骨進行多層螺旋CT掃描，利用專業醫學建模軟件完成三維重建工作，均取得一定成果[30]。在研究交通事故顱腦損傷研究中，王以進等[31]用三維有限元方法分析顱腦在氣流沖擊載荷作用下非線性動力學響應問題，得到人體頭部沖擊波傳遞、顱腦損傷容限曲線、延髓損傷等，何培[32]等對建立的人體顱腦三維有限元模型進行碰撞模擬，用剛性圓柱體撞擊眉心處，撞擊速度為6.33m/s，撞擊方式為水平自由撞擊，均取得了相關的實驗數據。筆者所在課題小組在基于道路交通事故綜合鑒定信息處理及計算機仿真技術進行事故再現、交通傷致傷分析、碰撞動力學響應分析等方面，研究了不同碰撞方式在人體上產生的損傷特征，并根據事故仿真計算結果，分析各部位的響應曲線，也取得了一定的研究成果[33-39]。

4 法醫顱腦損傷的數字化生物力學分析應用前景

在對計算機仿真技術已有相當深刻的理解和掌握的基礎上，在具有大量案源資料和相當豐富經驗的法醫學專家分析的基礎上，在具有完善的數字影像軟、硬件設備和較高水平的專家閱片的基礎上，進行法醫學損傷生物力學的數字化研究不僅順理成章，而且具有很大的實用價值。

4.1 豐富法醫學損傷生物力學基本理論

法醫學者曾采用人或猴的顱骨研究過顱骨的抗壓縮、抗彎、抗拉伸、抗剪切強度；但沒有測量具體受力強度和顱骨應力的具體數值，曾研究不同作用力下頭皮、顱骨的形變和位移，卻不能反映出其具體變化的時程；曾研究過不同骨折形態與沖擊傷、對沖傷的關系，但無法通過翔實的數據解釋其傳導路線和形成過程。如果說以各類實際檢案中的顱腦損傷為基礎，先對案件中致傷物、致傷方式的調查統計，在對尸體從頭皮直至腦實質進行細致解剖，并通過從骨折、腦血腫到骨裂、微小腦挫傷的影像學證據的收集分析，然后，對各案件計算機仿真的動態還原，再加上對精確到毫秒的各時相和各單元體的拉應力、壓應力分析，不僅可為既往法醫學研究成果提供理論支撐，還可使法醫學力學分析更精確，更完善。

4.2 提供司法鑒定、科學研究新的方法和手段

法醫病理學是以形態學研究為基礎，其傳統的檢查手段主要憑法醫的一雙手、一雙眼和縝密的科學思維，但通過手、眼認識事物的能力畢竟具有其局限性，若對原位的骨裂、骨挫傷等微小形變以及組織斷裂、破碎在空間上的變化等認識不準確，可造成分析論證過程與實際情況發生一定程度的偏差，如果通過螺旋CT和磁共振成像后進行原位360°無損切片分析，再通過計算機仿真對其成傷方式和力學參數在不同時相上進行動態研究，則無疑給延伸了法醫的手、眼和腦認識事物的能力，使法醫學科學研究和鑒定結論更客觀、更公正、更準確。

4.3 加強證據的說服力

法醫學接觸到的證據均是靜態的、事后的，但法醫要解決的問題是動態的、變化的，法醫的任務就是把現場、致傷物和尸體上收集到的大量靜態的物證、痕跡、形變等串聯起來，結合自己的邏輯思維和經驗判斷加工，動態還原出損傷、死亡發生的過程，達到刻畫疑犯、劃定責任的目的。這些證據的分析不僅專業性強、而且相當抽象，然而，需要理解這些結論的對象可能是毫無法醫學知識甚至毫無醫學知識的法官、律師、當事人，有時單是現場、解剖過程中血淋淋的照片就足以令其望而卻步，于是法醫鑒定人員有時不得不通過畫示意圖，或者在法庭上舉例子、打比方等方式解釋鑒定分析結果，如果能運用數字化生物力學分析技術將顱腦損傷過程通過計算機仿真方式動態演示出來，再配上數字圖像技術以及實時動態的接觸面、受力方向和受力大小的具體數據，必然會大大增加證據的說服力。

4.4 為法醫學損傷研究的全面展開提供方法和手段

機械性損傷是法醫學鑒定的重要內容，顱腦損傷由于其復雜性和重要性在各教科書中均列為單獨的章節，本項目在前期對交通傷、交通事故現場等力學和仿真研究的基礎上，將數字化技術研究手段應用于分析各種類型顱腦損傷的生物力學機制，并與司法鑒定實踐相結合，由此建立的分析方法和技術可以推廣到其他部位復雜疑難的損傷當中，比如脊柱的損傷，腦干、脊髓的損傷、胸部震蕩傷、槍彈傷等，為推動司法鑒定學科發展和技術進步服務。

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（本文編輯：秦志強）

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

國家自然科學基金資質項目（30872920）

劉寧國（1970-），男，碩士，副主任法醫師，主要從事法醫病理學研究。E-mail：liuningguo@yahoo.com.cn。