运用有限元方法分析脾钝伤的机理

脾在钝性腹部外力易受冲击，脾损伤可能是由最轻微的外力所引起[1]。由于腹部外伤导致的肝脾等实质器官损伤可造成大量的失血，并且有很高的致残率和致死率[2]，脾损伤的研究大多是与临床治疗有关，而对脾损伤机制的研究更为少见，有研究通过收集脾损伤案例，总结损伤原因、作用力接触部位和脾破裂部位，将其相互比较，以探索脾破裂的发生机制[3]，但只利用尸体解剖和外伤手术记录进行静态的分析，此类实验得到的结论较为经验化，且无法阐明脾损伤的真实过程以及损伤机制。而且对于损伤机制的研究大多是利用人体和动物尸体的传统生物力学实验进行，并且由于实验样本的限制，动物或人体实验样本常会被用于多次测试，前一次实验无疑会对之后的研究造成影响，并且生理结构的差异以及相关的医学伦理问题，动物或者人体样本已经很少被用于生物力学研究[4-5]。

有限元法是一种利用现代计算机科技进行应力、应变分析的数字化技术，并逐渐成为一种重要的模拟人体生物力学响应的实验工具，此方法与传统的生物力学实验相比，具有模型可重复使用、变量可控、结果准确客观的特点，有限元法可通过应力、应变等指标表现生物组织的生物力学特性及损伤响应情况，目前已广泛应用于临床和基础医学研究中[6-7]。在有限元模拟中，应力应变是可以计算的，并且通过建立失效准则去判定组织器官是否发生相应损伤。已有学者运用有限元模型进行人体损伤机制研究，通过建立人体躯干部有限元模型，通过不同方向下钝性打击肝区，研究在无肋骨骨折情况下肝脏的生物力学反应，得出了肝损伤的损伤机制可由肋骨直接撞击所致[8-10]。有研究分别建立了动物和人体的胸腹部有限元模型，用于分析钝性胸腹部损伤响应，证明了具有特定结构的有限元模型对研究钝性胸腹部创伤及损伤预防具有重要价值[11]。有学者利用具有详细解剖特征的医学图像建立了人类头部有限元模型，利用所建立的有限元模型去研究颅脑损伤的生物力学机制[12]，因此有限元法已经成为了探索器官损伤的一种强有力的工具。

但目前并无利用有限元法对脾损伤机制进行研究的文献，且在法医学实践中，脾脏的损伤形成方式多样，成伤机制复杂，对钝力性脾损伤的解释主要依靠专家的经验判断，普通人难以理解其中的损伤机制和损伤过程，因此对于法医工作者来说，阐明钝力性脾损伤的形成机制具有重要意义。本研究采用有限元法和THUMS4.0有限元模型对钝力性脾损伤进行损伤重建及损伤生物力学机制分析，观察不同钝性致伤条件下的脾损伤特点，动态反映器官损伤的形变过程、力作用传导路径及器官间的相互作用。

1材料和方法

1.1有限元模型

采用THUMS4.0人体有限元模型，该模型为站立位成人完整人体模型，构造模型所用数据来源于一名39岁男性，模型体长173cm，体质量77.3kg。THUMS4.0有限元模型准确地反映出人体的解剖学结构，内含软组织、内部器官以及骨骼组织，各组织结构均赋予相应的材料属性[13]。建立拳头有限元模型，赋予其刚体材料属性，密度为7830kg/m3，杨氏模量为2.07e5，泊松比为0.3，打击模拟中的拳头的质量定义为489.393g。

1.2案例

案例来源于司法鉴定科学研究院，据案情介绍，死者与人发生争执，随后发现伤者已死亡，死者年龄46

岁，尸长158cm，发育正常，为查明死因进行尸检。

尸体检验发现：死者躯干部未见明显皮肤损伤，尸斑浅淡，口唇粘膜苍白。解剖所见死者左侧季肋区皮肤青紫、皮下组织出血;左侧第8、9、10肋骨于腋前线至腋中线处骨折，第11肋骨于近脊柱旁骨折，上述肋骨骨折处伴相应肋间肌出血;腹腔积血及暗红色凝血块约2800mL;脾膈面包膜下出血，脏面不规则破裂(图1);余器官呈贫血貌。上述所见符合左侧季肋部遭受一定程度的钝性外力作用致脾破裂出血，并引起失血性休克病理学改变。根据尸体检验并结合案情分析：死者的死亡原因符合在左侧季肋部遭受钝性外力作用，致脾破裂出血，引起失血性休克。本研究经司法鉴定科学研究院伦理委员会审核通过。

1.3方法

运用有限元法进行脾区打击模拟，设置THUMS4.0人体模型为初始站立位姿态，为双足底所有单元添加边界设置，完全限制模型的平移及旋转。将有限元模型进行调整，确定拳头模型和人体模型解剖位置对应准确。模拟拳头以4、5、6、7、8m/s分别沿左季肋区前侧、左侧及后侧击打[14(]图2)。应用LS-DYNAR11(美国LSTC)软件进行模拟计算。使用LS-PrePost4.5(美国LSTC)软件进行前、后处理及结果分析。本研究采用最大主应变作为脾损伤判定标准，当最大主应变数值超过0.3即判定脾脏发生损伤[15]。着重观察模拟结果中不同条件下脾损伤易发部位、脾脏表面应变分布情况以及脾脏在腹腔中与周围组织器官的相互作用。结果以数据、图片等形式输出;统计仿真实验中不同条件下的脾损伤部位，并将模拟结果与实际案例相比较，以此分析脾损伤的致伤机制。

2结果

2.1前侧打击脾区

前侧拳击模拟结果显示，当拳头与皮肤相接触后，皮肤、皮下软组织、肋骨等受到暴力作用共同向后运动，拳击部位的肋骨发生局部内凹变形，由于脾脏位置靠后，肋骨仅与脾脏发生轻微接触，随后发生回弹，回归原位，在此过程中，脾受力后轻度向后移动，后期随着胸腹壁组织回弹而移动归位(图3)。最大主应变分布图显示，脾的应变首先集中于脾前端与肋骨接触部位，随后应变呈波动形式由受撞击部位沿表面向周围传播，并且由于脾脏在腹腔中受力发生移动，脾脏受到脾门区血管组织的牵拉，因此脾门区同样出现应变集中，整个过程中，最大主应变峰值出现在脾门区(图4)。在所有打击速度下，脾脏没有预测到损伤。

2.2左侧打击脾区

在左侧打击过程中，左侧肋骨向内运动与脾膈面发生碰撞，同时推挤脾脏向内运动并与胃肠等腹内脏器发生接触(图5);脾膈面首先形成应变集中，随后向周围传导扩散(图6)，在此过程中，脾脏受力向内侧运动，脾脏面与胃肠等组织接触部位形成应变集中，此外，由于脾蒂的牵拉作用，应变最后集中分布于脾门区(图7)。根据模拟结果，预测脾损伤主要出现在脾膈面和脾脏面6m/s的拳速即可造成脾膈面损伤，7m/s及8/s的拳速可造成脾膈面、脏面损伤。

2.3后侧打击脾区

左侧腰背部遭受打击后，在此过程中脾脏受到后侧肋骨的碰撞，脾脏在受力作用后向前运动，与胃肠的挤压作用并不明显，在运动过程中，脾脏受到脾蒂的牵拉;由于肋骨受力发生变形并向前移位，脾脏应变首先分布于脾后端与变形肋骨接触部位，随后应变向周围传播(图8)，在整个过程中，脾脏受力整体向前运动，脾门区域由于牵拉作用同样出现长时间应变集中。预测脾损伤主要出现在脾后端和脾门区，5m/s的拳速即可造成脾损伤。

2.4不同方向、速度拳击结果比较

在脾脏受到前侧打击的情况下，8m/s的拳速亦未造成脾损伤，在外侧及后侧暴力打击的情况下，预测造成脾损伤的最小拳速为6m/s与5m/s。根据动态模拟结果和应变分布情况推测，后侧及左侧拳击易导致脾损伤，在各个打击方向下，脾门区均出现应变集中，在左侧打击情况下，预测脾膈面及脾门区易发生损伤，与实际案例损伤情况一致(图9~10)。后侧打击时，脾后端及脾门区易出现损伤。与之相比前侧拳击较难造成脾损