邵 煜 ,黃 平 ,李正東 ,劉寧國(guó) ,萬(wàn) 雷 ,鄒冬華 ,陳憶九
(1.復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院法醫(yī)學(xué)系,上海 200032;2.司法部司法鑒定科學(xué)技術(shù)研究所 上海市法醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200063)
胸廓骨性結(jié)構(gòu)作為胸腔器官的主要保護(hù)性結(jié)構(gòu),在胸部損傷時(shí)常首先受累[1-2],遭受外力作用后可形成打擊性骨折和擠壓性骨折,損傷后的胸廓結(jié)構(gòu)失去完整性,喪失了對(duì)體內(nèi)重要器官的保護(hù)作用,骨折斷端甚至可能直接對(duì)內(nèi)部器官造成嚴(yán)重?fù)p傷。通過(guò)對(duì)胸廓骨性結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變趨勢(shì)分析,有助于闡明胸部損傷的致傷機(jī)制,可為法醫(yī)損傷學(xué)研究提供參考依據(jù)。本研究根據(jù)尸體胸部多層螺旋CT(multislice computed tomography,MSCT)掃描圖像數(shù)據(jù),探索性地運(yùn)用有限元建模及分析軟件構(gòu)建人體胸廓三維有限元模型并進(jìn)行胸部應(yīng)變趨勢(shì)分析。
實(shí)驗(yàn)標(biāo)本:成年男性尸體1例,發(fā)育正常,體型中等,排除生前患有骨骼系統(tǒng)疾病。尸體軀干部影像學(xué)圖像采集方案經(jīng)家屬知情同意,并經(jīng)上海市法醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。
軟件環(huán)境:Windows 7 64 bit,Mimics 13.0(比利時(shí) Materialise公司),ANSYS Workbench 12.0(美國(guó)ANSYS 公司),LS-PrePost 3.0(美國(guó) LSTC 公司)。
硬件環(huán)境:Inter?XeonTME5520 CPU 2.27 GHz,內(nèi)存DDR3 1333共8G,圖形加速卡 Nvidia FX580。CT掃描:40排MSCT(德國(guó)SIMENS公司)。
將尸體用專(zhuān)用裹尸袋包裹,取仰臥位放置于檢查床上進(jìn)行全身掃描。掃描范圍取顱頂至第5腰椎與骶骨交界處平面,掃描條件設(shè)置為管電壓120kV,管電流 380 mA,層厚 5 mm,螺距 0.55∶1。 重建參數(shù):層厚0.6mm,層距0.4mm,重建視野200mm,骨窗算法(窗寬1500HU,窗位450HU)高分辨率重建。以像素為1024×1024的.dic文件格式圖像輸出。
應(yīng)用Mimics 13.0軟件的圖像分割功能進(jìn)行操作,設(shè)定骨骼閾值范圍(96~3071)后填補(bǔ)骨骼蒙罩中的像素空洞,并選取第7頸椎至第4腰椎范圍進(jìn)行后續(xù)編輯;采用區(qū)域增長(zhǎng)操作生成新的胸廓骨骼蒙罩并構(gòu)建初步的三維模型,使用三維視圖蒙罩編輯及CT圖像蒙罩編輯功能對(duì)模型進(jìn)行精加工(去除殘留的肩胛骨胸鎖關(guān)節(jié)、軟組織及器官等圖像)后,進(jìn)行平滑及包裹操作,生成最終胸廓骨骼三維模型;對(duì)胸廓骨骼三維模型進(jìn)行網(wǎng)格化,通過(guò)設(shè)定三角片形狀質(zhì)量閾值、最大幾何學(xué)誤差等參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量控制,四面體網(wǎng)格最大邊長(zhǎng)限制為10mm,最終生成胸廓骨骼三維有限元模型,以.cdb文件格式導(dǎo)出。
在ANSYS Workbench 12.0軟件中導(dǎo)入胸廓骨骼三維有限元模型,依據(jù)文獻(xiàn)[3]對(duì)胸廓賦予相應(yīng)的彈塑性骨骼材料屬性,定義材料塑性破壞應(yīng)變極限值為0.02。建立拳頭大小的圓柱體打擊物,將其定義為剛體并賦予骨皮質(zhì)材料屬性,設(shè)定打擊物以4、6及8 m/s的速度與胸廓右季肋部正面碰撞,同時(shí)對(duì)胸廓模型的第4腰椎進(jìn)行固定,進(jìn)行有限元計(jì)算。
在LS-PrePost 3.0軟件中觀測(cè)胸廓有限元模型在遭受不同速度和方向的打擊時(shí)的形變、位移情況并考察范米斯應(yīng)力(Von-Mises stress)及最大主應(yīng)變(maximum principal strain)等生物力學(xué)指標(biāo)的整體分布及局部變化情況。
應(yīng)用Mimics 13.0軟件結(jié)合MSCT掃描影像學(xué)數(shù)據(jù)完成正常人體胸廓骨性結(jié)構(gòu)的三維重建,生成包括胸骨、肋骨、脊柱在內(nèi)的三維有限元實(shí)體模型(圖1A、B),模型由617381個(gè)四面體單元及153529個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,單元最大邊長(zhǎng)為10mm,平均質(zhì)量>0.7,符合有限元人體生物力學(xué)分析要求。模型細(xì)致逼真,完整地再現(xiàn)及保留了重要的解剖學(xué)特征。打擊物模型由55 143個(gè)單元及9998個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,打擊物與胸廓之間定義為滑動(dòng)摩擦(圖1C)。
圖1 胸廓有限元模型以及有限元打擊物模型的構(gòu)建
模擬胸廓模型右季肋部遭受4、6及8m/s的打擊物正面打擊的過(guò)程,結(jié)果顯示胸廓在遭受正面打擊后的5ms內(nèi),碰撞部位的肋骨發(fā)生局部彎曲,帶動(dòng)胸廓發(fā)生整體變形并向后位移,胸廓移動(dòng)到一定程度后發(fā)生回彈。胸廓模型的應(yīng)變分布圖(圖2~3)顯示,碰撞發(fā)生后碰撞點(diǎn)肋骨的打擊側(cè)與打擊對(duì)側(cè)首先產(chǎn)生應(yīng)變集中,隨后應(yīng)變同時(shí)沿肋骨向兩側(cè)傳播,在近胸骨處及肋骨后側(cè)產(chǎn)生應(yīng)變集中,隨后在肋骨上發(fā)生應(yīng)變?cè)俜植?,最終隨著胸廓的回彈其應(yīng)變值亦逐漸減小。4 m/s的打擊過(guò)程中,胸廓未發(fā)生骨折;6 m/s的打擊過(guò)程中,打擊點(diǎn)肋骨于2.3ms時(shí)發(fā)生骨折,骨折處單元最大主應(yīng)變達(dá)到0.020,范米斯應(yīng)力值為138MPa;8 m/s的打擊過(guò)程中,打擊點(diǎn)肋骨于0.8 ms時(shí)發(fā)生骨折,骨折處最大主應(yīng)變達(dá)到0.026,最大范米斯應(yīng)力值達(dá)到 131MPa(圖 4)。
圖2 以4m/s速度正面打擊下胸廓有限元模型應(yīng)變分布情況(平視圖)
圖3 以4m/s速度正面打擊下胸廓橫斷面應(yīng)變分布情況(俯視圖)
圖4 以8m/s速度正面打擊下胸廓應(yīng)變分布情況
有限元方法(finite element method,F(xiàn)EM)是一種求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的方法,距今已有60多年的發(fā)展歷史。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和醫(yī)學(xué)影像水平的提高,有限元方法與CT三維重建技術(shù)及其他虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合已逐漸應(yīng)用于生物工程學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,并日漸成為生物力學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)手段,可以有效地分析人體結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì),如受外力作用時(shí)人體組織的外部沖擊響應(yīng)及內(nèi)部應(yīng)力分布等,在損傷發(fā)生預(yù)測(cè)、損傷程度評(píng)估、不同致傷方式造成的損傷辨別方面展現(xiàn)了其有效性[4-5]。目前,有限元方法應(yīng)用于人體骨性結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)研究,主要集中于顱骨、脊柱、骨盆及下肢骨骼等部位[6-12],對(duì)于肋骨的損傷生物力學(xué)研究亦有開(kāi)展[3,13-14],而對(duì)于胸廓整體的研究則較為少見(jiàn),相關(guān)研究主要應(yīng)用于汽車(chē)安全、生物工程及臨床醫(yī)學(xué)等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域[15-19],而運(yùn)用有限元方法對(duì)法醫(yī)損傷學(xué)進(jìn)行研究較少見(jiàn)。
本研究運(yùn)用建模軟件Mimics、有限元分析軟件ANSYS Workbench以及有限元前后處理軟件LSPrePost等數(shù)字仿真技術(shù)構(gòu)建高質(zhì)量的胸廓骨骼三維有限元模型并進(jìn)行應(yīng)變趨勢(shì)分析。研究構(gòu)模過(guò)程中運(yùn)用Mimics軟件將CT圖像閾值設(shè)定在96~3071范圍內(nèi)可基本囊括胸廓骨性結(jié)構(gòu)及極少量胸、腹壁軟組織與器官,非骨性部分可通過(guò)區(qū)域增長(zhǎng)操作去除,同時(shí)經(jīng)三維視圖蒙罩編輯操作去除殘留肩胛骨圖像、分離胸鎖關(guān)節(jié),整個(gè)胸廓結(jié)構(gòu)得以獨(dú)立成像。但經(jīng)過(guò)上述操作構(gòu)建的三維模型精細(xì)度較低,存在大量表面縫隙、毛刺及內(nèi)部空洞,影響應(yīng)變分析。在研究過(guò)程中通過(guò)像素調(diào)節(jié)操作填補(bǔ)內(nèi)部空洞,并對(duì)每一層CT圖像手動(dòng)編輯擦除模型表面毛刺,使用平滑及包裹功能填補(bǔ)表面縫隙并進(jìn)行平滑,經(jīng)加工后形成高質(zhì)量的胸廓三維模型。
由于直接將Mimics軟件形成的胸廓三維模型網(wǎng)格化,生成的有限元模型往往存在四面體網(wǎng)格大小不一、分布不均以及數(shù)量過(guò)多的缺陷,可導(dǎo)致后續(xù)有限元分析耗時(shí)較長(zhǎng)、產(chǎn)生誤差,甚至引起報(bào)錯(cuò)導(dǎo)致計(jì)算提前終止。本研究對(duì)三維模型劃分體網(wǎng)格前,先行平滑與減少三角片等優(yōu)化操作以均衡網(wǎng)格大小、減少網(wǎng)格數(shù)量,并在此過(guò)程中設(shè)定多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量控制,如最大幾何學(xué)誤差、成角設(shè)定閾值等。優(yōu)化操作后模型仍可能存在網(wǎng)格倒錯(cuò)、畸形等潛在問(wèn)題,本研究使用修復(fù)向?qū)Чδ苓M(jìn)行檢查與修復(fù),再進(jìn)行體網(wǎng)格劃分,在設(shè)定單元最大邊長(zhǎng)為10mm的情況下,即可得到單元平均質(zhì)量>0.7的模型。研究中,曾嘗試將單元最大邊長(zhǎng)設(shè)定為5 mm,生成的有限元模型單元平均質(zhì)量較10mm單元略高,但該模型單元數(shù)量巨大,顯著增加模型的軟件讀取及計(jì)算時(shí)間,不適用于本次研究。
本研究使用LS-PrePost軟件進(jìn)行有限元計(jì)算結(jié)果的分析,該軟件作為目前國(guó)際上主流的有限元分析前后處理軟件,能夠?qū)τ邢拊治鼋Y(jié)果中諸如形變、位移、應(yīng)力、應(yīng)變等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析處理,其數(shù)據(jù)可以靜態(tài)圖像、動(dòng)畫(huà)及時(shí)程圖等形式顯示(圖2~4),結(jié)果形象、生動(dòng)。此外,本研究將附有組織破壞極限指標(biāo)的材料屬性引入有限元模型中,通過(guò)在骨骼材料屬性賦值過(guò)程中直接定義破壞極限數(shù)值,使有限元軟件在計(jì)算過(guò)程中自動(dòng)對(duì)超出損傷極限值的骨骼單元進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分離、失效或刪除操作,以顯示骨折形態(tài),使損傷形態(tài)表現(xiàn)更為直觀,且在計(jì)算過(guò)程中即時(shí)失效或刪除被破壞的骨骼單元,可避免該破壞單元對(duì)相鄰正常單元及模型整體生物力學(xué)響應(yīng)造成的影響,使得計(jì)算結(jié)果更趨真實(shí)性。
此外,有限元分析結(jié)果顯示,遭打擊的肋骨在擊打處發(fā)生局部向內(nèi)彎曲,打擊側(cè)胸廓承受沖擊能量并發(fā)生明顯的整體變形與位移,移動(dòng)一定距離后發(fā)生回彈,該運(yùn)動(dòng)方式符合傳統(tǒng)骨骼生物力學(xué)響應(yīng)規(guī)律;胸廓模型的應(yīng)變分布情況(圖2~3)顯示,打擊處肋骨首先出現(xiàn)應(yīng)變集中,且分布在肋骨打擊側(cè)與打擊對(duì)側(cè),分別對(duì)應(yīng)受力側(cè)的壓應(yīng)變與受力對(duì)側(cè)的拉應(yīng)變,隨后應(yīng)變沿肋骨內(nèi)外兩側(cè)向胸骨及脊柱傳播,在相應(yīng)位置形成應(yīng)變集中,符合肋骨受到直接外力與間接外力后的生物力學(xué)響應(yīng)方式。肋骨不同位置的應(yīng)變分布時(shí)程圖顯示打擊處肋骨與肋骨后側(cè)部位的有效應(yīng)變最大值近似,略高于近胸骨處肋骨的有效應(yīng)變最大值;在6m/s與8m/s的打擊過(guò)程中,當(dāng)肋骨受力后產(chǎn)生應(yīng)變超過(guò)其極限強(qiáng)度時(shí),即在相應(yīng)位置發(fā)生骨折,且骨折發(fā)生時(shí)該部位單元的范米斯應(yīng)力值同樣超出相應(yīng)的極限強(qiáng)度,符合傳統(tǒng)骨骼損傷機(jī)制理論[2]。
本研究基于MSCT圖像構(gòu)建胸廓有限元模型,其外形具備較高的解剖學(xué)精確度與幾何學(xué)仿真度。為了減輕計(jì)算負(fù)擔(dān),本研究在模型的分割及材料屬性賦值方面進(jìn)行了一系列簡(jiǎn)化操作,如將整個(gè)胸廓定義為整體,未分離出肋軟骨及椎間盤(pán)結(jié)構(gòu);將胸廓骨質(zhì)定義為均質(zhì),并對(duì)其賦予肋骨骨皮質(zhì)的材料屬性,未分離出骨松質(zhì);本模型僅僅構(gòu)建了胸廓骨骼的有限元模型,未構(gòu)建胸、腹壁軟組織及相關(guān)韌帶等結(jié)構(gòu)。上述因素導(dǎo)致有限元模型與真實(shí)人體胸廓在生物力學(xué)特性方面存在一定偏差,如本次有限元分析結(jié)果顯示遭受打擊部位肋骨僅在外側(cè)受壓部位發(fā)生骨折,而對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)受拉部位未發(fā)生骨折,不符合肋骨較易在拉應(yīng)力集中部位發(fā)生損傷的規(guī)律。通過(guò)后續(xù)研究可將胸廓模型分割為不同的組織結(jié)構(gòu)如鎖骨、肋軟骨、肋骨、脊柱、椎間盤(pán)等,并可分離骨皮質(zhì)與骨松質(zhì)、纖維環(huán)與髓核等,對(duì)其分別賦予相應(yīng)的材料屬性可以使整個(gè)胸廓模型的生物力學(xué)仿真度及仿真計(jì)算的可信度大大提高,進(jìn)一步為法醫(yī)學(xué)損傷機(jī)制研究提供方法。
(本研究得到復(fù)旦大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助。)
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