人體血管有限元建模及生物力學的研究進展與法醫(yī)學應用

曾勇，鄒冬華，范穎，徐晴，陶陸陽，陳憶九，李正東

1.蘇州大學蘇州醫(yī)學院基礎醫(yī)學與生物科學學院法醫(yī)學系，江蘇 蘇州 215000；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；3.貴州醫(yī)科大學法醫(yī)學院，貴州 貴陽 550004；4.上海理工大學機械工程學院，上海 200063

心血管疾病猝死在成年人猝死疾病中位列第一[1]。在我國，因心血管疾病導致的猝死發(fā)生率占50%～60%[2]。在涉及損傷的司法案件中，心血管疾病在損傷及死因中的因果關系及參與度劃分一般由法醫(yī)主觀判斷，往往缺乏客觀證據(jù)支持[3]。傳統(tǒng)尸體解剖一直是死因鑒定的金標準，但在一些疑難案件的鑒定中尚存在一定局限性，如血管的病變和損傷，在尸體解剖取材過程中不易檢出且易被遺漏，容易造成漏鑒、錯鑒。死后尸體的影像學檢查（也稱虛擬解剖），因其無損性、客觀性和直觀的優(yōu)點逐漸得到推廣使用，但也存在一些不足[4]。RUDER 等[5]認為虛擬解剖對傳統(tǒng)解剖具有一定替代性，但對血管的探查能力有限，難以對血管損傷及病變的成傷機制進行分析，因此有學者將研究方向轉(zhuǎn)移到了生物力學技術上[6-7]。有限元法最初是求解偏微分方程的近似數(shù)學方法，目前有限元法已逐漸應用于損傷生物力學研究領域。通過對生物組織、器官的模型構(gòu)建、賦予材料屬性、約束邊界條件，應用有限元法對相關力學問題進行求解與分析[8]，已在人體損傷生物力學研究上取得了豐碩成果[9-11]，在法醫(yī)學領域的研究也見些許進展[12]。本文就法醫(yī)學鑒定中常見的血管疾病進行分類描述，闡述有限元法在血管生物力學中的研究概況，并展望其在法醫(yī)損傷學的應用前景。

1 血管有限元模型的構(gòu)建及發(fā)展

1972 年，DAVIDS 等[13]通過有限元法估算了層流和湍流條件下人升主動脈的血管壁剪切力；次年，他們又提出在人升主動脈血管半徑一定的條件下，最大剪切力發(fā)生在入口處[14]。但這些計算條件都是理想情況，即只考慮升主動脈部位血管，且血管為剛性。1982 年，MOHAN 等[15]進行了開創(chuàng)性研究，在胸主動脈中間部位拓取寬度6.35 mm、4.37 mm 的啞鈴形狀樣本，測量了在準靜態(tài)和動態(tài)下的周向和軸向的失效應力和應變，為建立胸主動脈的本構(gòu)方程和材料屬性積累了數(shù)據(jù)。1998 年，TAYLOR 等[16]基于CT 掃描的腹主動脈影像重建了含雙側(cè)腎動脈的腹主動脈有限元模型，具有58 151 個節(jié)點和268 563 個四面體單元，導入血流控制方程后，求解了靜止和動態(tài)下的血流動力學應力特點。2015 年，CUI 等[17]建立了頭部有限元模型，研究腦橋動脈破裂的動態(tài)過程，研究發(fā)現(xiàn)頭部旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)加速度以及沖擊持續(xù)時間會增加血管壁應變，且彈性模量、血管壁直徑與血管壁應力成反比關系，從力學機制上闡述了外力撞擊后的腦橋動脈破裂的動態(tài)過程。學者們對人體動脈進行有限元建模的基本參數(shù)（表1）研究極大豐富了動脈血管生物力學數(shù)據(jù)。

表1 動脈有限元模型的部分基本參數(shù)Tab.1 Material parameters of some arterial finite element models

2 血管生物力學建模、生物力學分析的研究及應用進展

2.1 冠狀動脈粥樣硬化性心臟病

冠狀動脈粥樣硬化性心臟病是心血管疾病中最具威脅性的疾病之一[33]，在法醫(yī)學鑒定中，冠狀動脈左前降支的粥樣硬化病變率最高，此類病人在互毆、爭吵、輕微損傷等所致的死亡案件中常常需要鑒定死亡原因，其中疾病和損傷的關系往往是爭議的焦點。通過有限元法對不同類型的血管進行建模并進行生理及外傷條件下的流固耦合分析，可以輔助分析傷、病的參與程度。2003 年，WU 等[34]通過MRI 掃描構(gòu)建了冠狀動脈樹狀模型，模型中包括內(nèi)膜、中膜、外膜結(jié)構(gòu)，并首次分析了舒張期和收縮期動態(tài)時間段中粥樣斑塊的血管壁和血管分叉處的局部應力，分析了不同血管直徑、狹窄百分比、病變長度參數(shù)條件下的血管響應，發(fā)現(xiàn)血管直徑是導致斑塊帽應力集中并脫落的主要因素。2013 年，KARIMI 等[35]采用有限元法研究不同類型冠狀動脈斑塊的穩(wěn)定性，結(jié)果顯示，輕度粥樣硬化斑塊比鈣化斑塊的應力更高，更易發(fā)生脫落，這可能與鈣化斑塊吸附較穩(wěn)定相關。

國內(nèi)的有限元建模及生物力學研究方面起步較晚，但近年來進展迅速。2018 年，馬燕山等[36]通過建立I～Ⅳ度狹窄的冠狀動脈有限元模型，在ANSYS 中分析管壁剪切力對不同狹窄程度的影響，得出狹窄程度與管壁剪切力成正比且促進斑塊的形成。2019 年，天津工業(yè)大學段曉杰等[29]使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法建立冠狀動脈的CT 血管造影（CT angiography，CTA）圖像數(shù)據(jù)庫，然后對冠狀動脈進行三維重建、網(wǎng)格劃分，使用流體動力學軟件進行血流生物力學的計算。

綜上所述，從冠狀動脈模型的構(gòu)建，到不斷完善的幾何模型和材料屬性，不僅使得冠狀動脈有限元模型更加真實，也拓展了冠狀動脈生物力學的研究方向，為探索冠狀動脈生物力學的機制問題提供更多的思路和方法。

2.2 動脈瘤

動脈瘤是指動脈管壁因發(fā)生局部病變（管壁薄弱或結(jié)構(gòu)破壞）而向外膨出，其直徑可達毗鄰正常動脈段的1.5 倍以上，人體動脈系統(tǒng)均可形成不同類型的動脈瘤，如胸腹主動脈瘤、腦動脈瘤和四肢動脈瘤以及由外傷導致的假性動脈瘤，平時一般沒有明顯臨床癥狀，但嚴重危及人體生命健康，目前認為遺傳、環(huán)境、血流動力學、生化是其形成的主要因素[37]。在涉及動脈瘤的鑒定案件中，法醫(yī)主要通過尸體檢驗、組織病理學檢驗、案情、病史等進行死因鑒定，但某些疑難案件的死亡機制仍難以明確。2000 年，RAGHAVAN 等[38]首次開發(fā)了非線性彈性材料的腹主動脈有限元模型計算整個腹主動脈瘤各部位應力變化，并預測瘤體的破裂風險。2006 年，BORGHI 等[39]在KATO 等[40]建立的胸主動脈有限元模型基礎上，對2 例患者胸主動脈瘤構(gòu)建有限元模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，管腔建模精確對預測的應力值影響較大。臨床上常通過動脈瘤直徑大小來預測破裂風險，雖然動脈瘤直徑大于5.5 cm 是手術指征，但直徑小于5.5 cm的動脈瘤也常發(fā)生破裂[41]。2010年，GASSER 等[42]開發(fā)了4 種腹主動脈瘤有限元模型，通過腹主動脈峰值壁應力和峰值壁破裂風險2 項參數(shù)來預測腹主動脈瘤破裂風險，為預測動脈瘤破裂風險提供了兩項重要指標。2012年，TIERNEY等[43]基于3例腹主動脈瘤CT 數(shù)據(jù)進行有限元建模，計算每個動脈瘤的彈性參數(shù)，包括周向循環(huán)應變、順應性、Hudetz 增量模量、預應力，以及在壓力載荷下的每個動脈瘤的詳細應力情況，定義特定的區(qū)域預應力破裂指數(shù)（regional prestressed rupture index，RPRI），更好地理解局部材料特性以及在有限元模型中的應用，能夠了解動脈瘤的個體差異，提高預測動脈瘤破裂的準確性。GHAVAMIAN 等[44]使用有限元模型來計算升主動脈瘤的生長過程，模型考慮了內(nèi)膜、外膜等結(jié)構(gòu)，并對每種結(jié)構(gòu)賦予了應變能密度函數(shù)，以研究升主動脈瘤在生長過程中對平滑肌細胞應力變化的影響，研究證實了平滑肌細胞應力下降是由于升主動脈瘤的擴張生長破壞了細胞的彈性蛋白。

動脈瘤因其隱蔽性、無癥狀性而易被忽略，如不易檢查的顱內(nèi)微小動脈瘤一旦破裂，就會產(chǎn)生致命的后果。因各種創(chuàng)傷發(fā)生于頸內(nèi)動脈或深部血管的假性動脈瘤，其導致死亡的機制是鑒定中的難點問題，目前已有很多動物研究闡述動脈瘤的機制[45-46]，但是替代實驗無法客觀模擬人體血流動力學和生物力學響應。通過有限元法，可以探索動脈瘤的形態(tài)、大小、材質(zhì)與外力作用之間的生物力學響應，探討假性動脈瘤自身的發(fā)生、進展和破裂的生物力學機制，有利于鑒定的客觀準確性。

2.3 血管主動脈夾層

主動脈夾層（aortic dissection，AD）可以視為主動脈瘤的一種特殊類型，主動脈的血流在快速流動時通過主動脈內(nèi)膜破口進入主動脈壁中膜結(jié)構(gòu)，形成血腫，然后在血流的壓力下中膜不斷撕裂延伸，逐漸外隆形成夾層。根據(jù)Stanford 分型，AD 可分為A、B 兩型，A 型的破口常位于升主動脈，因靠近心臟，死亡率非常高，而B 型主要位于胸主動脈附近，其危險程度相對較低；AD 一旦破裂，其病情進展急驟，誤診率和死亡率高[47]。在法醫(yī)學鑒定中常常需要解決涉及AD的傷病關系分析，解釋AD 的形成機制和病理發(fā)生發(fā)展過程。目前，越來越多的研究人員認為，血流動力學的因素是AD 形成、破裂的重要機制。2011 年，楊曉冬[48]建立了主動脈弓AD 有限元模型并進行初步的血流動力學分析，結(jié)果顯示，剪應力導致AD 可能性小，壁面壓力與AD 的形成具有顯著相關的關系，但并沒有解釋破裂的機制問題。1999 年，THUBRIKAR[49]通過ANSYS 中的應變能密度函數(shù)仿真血管瘤形成AD 的過程，發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)膜發(fā)生破裂總是沿著內(nèi)膜周向破裂，進一步研究發(fā)現(xiàn)，當壓力勻速增加時，主動脈的軸向應力增加，而周向應力增加不大，導致內(nèi)膜由于軸向應力增大拉伸，發(fā)生周向的破裂。2011 年，NATHAN 等[22]模擬了16.0 kPa（120 mmHg）壓力下主動脈的最大壁應力，證實了A、B 型AD 的好發(fā)部位（升主動脈竇管交界上方和主動脈弓處）的應力最大，已達內(nèi)膜破裂閾值，但該研究為流體靜力學分析，未考慮流體的動量效應和剪應力，沒有排除局部應力不均勻的影響。2018 年，PLONEK 等[50]基 于11 例AD 病例進行有限元分析驗證，認為峰值壁壓力可能成為預測AD 的新指標。2013 年，ZHANG 等[51]研究急性B 型AD的壁壓縱向傳播和組織錯位灌注的機制，認為管腔的壓差可能是組織灌注不良的一個重要因素。但是其研究的樣本量小，且假定剛性血管壁，沒有考慮血管的組織結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果的說服力較小。2016 年，SHI等[52]揭示了血管內(nèi)膜的破裂位置和破裂大小對A 型AD 的血流動力學的影響，結(jié)果顯示，入口撕裂越大，血管腔內(nèi)流速越低，但破口形成的腔流流速卻越高，而且入口撕裂位置也能顯著改變AD的血流動力學特征。

主動脈夾層難以察覺，死亡率非常高，因其臨床癥狀與急性心肌梗死非常類似，而常因為經(jīng)驗不足導致錯鑒，因此，通過有限元法可以側(cè)重研究主動脈夾層的形成過程以及探究傷病關系中的生物力學機制。

2.4 交通事故血管損傷

根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)[53]統(tǒng)計，1997—2016 年，全國共發(fā)生道路交通事故244 937 起，造成63 194 人死亡、258 532 人受傷，直接財產(chǎn)損失13.8 億元。交通事故的法醫(yī)學鑒定實踐中，常遇到碰撞傷或者方向盤損傷導致胸腹部受壓而壓迫血管，血管供血不足或者破裂，甚至形成血栓、假性動脈瘤、動脈夾層等，由于交通事故錯綜復雜，其成傷機制、傷病關系分析極為復雜[54]。由于血流的存在，血管受到鈍性外力作用后破裂的機制極為復雜，有觀點認為是主動脈突然拉伸在薄弱點發(fā)生破裂，也有觀點認為是由于暴力期間血壓急劇升高，導致主動脈峽部的破裂。2005 年，SHAH等[55]利用LS-DYNA 進行側(cè)面碰撞和正面碰撞分析，發(fā)現(xiàn)主動脈峽部周圍表現(xiàn)出最大的應力和應變。而2006 年，SIEGEL 等[56]認為，主動脈峽部破裂在機動車側(cè)向碰撞中可以用杠桿原理來解釋，即胸主動脈在受到胸部暴力碰撞時，這個杠桿系統(tǒng)的長臂是近端主動脈弓，短臂是遠端降主動脈的主動脈峽部，支點為左鎖骨下動脈，他們模擬了在26.66 kPa（200 mmHg）、53.32 kPa（400 mmHg）、66.65 kPa（500 mmHg）的主動脈內(nèi)壓力下，由于應力的放大作用，在短臂上產(chǎn)生足夠大的應變，主動脈峽部發(fā)生破裂，這為汽車公司開發(fā)有效的汽車安全系統(tǒng)提供了很好的證據(jù)。RICHENS 等[18]和NIKOLIC 等[57]認為，主動脈血壓、胸部的減速傷、胸部壓迫是主動脈破裂的主要因素。LEE 等[20]開發(fā)出更加逼真的主動脈有限元模型進行正面汽車碰撞分析，發(fā)現(xiàn)胸部在接觸方向盤時，由于胸部的劇烈壓迫，主動脈處血壓急劇上升，由于胸部的減速運動，在主動脈峽部附近發(fā)生局部彎曲收縮，剪切應力增大進而導致內(nèi)膜發(fā)生破裂。2012 年，BELWADI 等[58]基于真實側(cè)面碰撞案例建立有限元模型并進行分析，結(jié)果顯示，主動脈破裂前其壓力達100～1 322 mmHg（13.33～176.22 kPa），最大主動脈縱向拉伸應變和von Mises 應力都與胸部所受撞擊力成正比，且重建的主動脈高應變區(qū)域與尸檢數(shù)據(jù)高度匹配。2011 年，BELWADI 等[59]在之前眾多研究的基礎上，從不同的車輛撞擊位置、方向、角度、速度以及車輛類型進行了16 項有限元模擬。在所有分析中，主動脈高應變區(qū)域主要集中于主動脈峽部，當主要的力作用角度為270°時，胸主動脈壓力最高。2021 年，GRAVE-CAPISTRáN 等[32]建立整車正面碰撞的靜態(tài)分析模型，并給駕駛員配備三點式安全系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)，在64 km/h 的速度碰撞下受損最嚴重的是主動脈弓和降主動脈，其位移達14 mm，并基于簡明損傷定級標準（abbreviated injury scale，AIS），將主動脈損傷程度評估為中度，該靜態(tài)分析可以量化主動脈的位移程度和應力大小，使結(jié)果更加直觀。

道路交通事故因其復雜性導致鑒定實踐中疑難案件層出不窮，尤其涉及血管傷病關系分析的案件。法醫(yī)學者通過有限元建模和生物力學分析來研究交通事故中血管的成傷機制和與死亡的因果關系，不但為法醫(yī)學鑒定提供新思路，而且可以為車輛安全評估、安全設計、行人乘客保護等提供基礎數(shù)據(jù)。

3 展望

由于傳統(tǒng)研究方法以及醫(yī)學倫理學限制，不可能在人體直接測量血管在外力作用下的響應情況，既往對血管損傷的研究和鑒定始終停留于表象，鑒定中也以模棱兩可的輕微、嚴重詞語進行描述，難以對血管的損傷響應進行量化，對損傷的成傷機制難以深入分析，這種情況有望在運用有限元建模及生物力學分析后得到改善。有限元建模及生物力學分析在人體內(nèi)部組織器官的應力分析和不同損傷場景響應模擬方面具有獨特的優(yōu)勢，對于靜態(tài)的壓力下血管形變以及動態(tài)血流沖擊下的血管動態(tài)響應所造成的血管損傷能進行直觀、客觀的數(shù)字化仿真。有限元血管建模及生物力學能夠直觀計算外力作用下的血管位移、形變響應，直觀分析任意時間點組織應力、應變數(shù)據(jù)。有限元法已在某些歐美國家成為一種司法鑒定的輔助手段。隨著醫(yī)工交叉結(jié)合的發(fā)展，有限元理論及研究工具的不斷完善，將促進解決法醫(yī)學血管有限元建模、損傷生物力學機制問題，在包括交通事故重建在內(nèi)的法醫(yī)學損傷重建方面都將得到更深度的應用。