人体胸廓骨骼三维有限元模型的构建及生物力学分析

邵 煜 ，黄 平 ，李正东 ，刘宁国 ，万 雷 ，邹冬华 ，陈忆九

（1.复旦大学上海医学院法医学系，上海 200032；2.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）

胸廓骨性结构作为胸腔器官的主要保护性结构，在胸部损伤时常首先受累[1-2]，遭受外力作用后可形成打击性骨折和挤压性骨折，损伤后的胸廓结构失去完整性，丧失了对体内重要器官的保护作用，骨折断端甚至可能直接对内部器官造成严重损伤。通过对胸廓骨性结构的应力、应变趋势分析，有助于阐明胸部损伤的致伤机制，可为法医损伤学研究提供参考依据。本研究根据尸体胸部多层螺旋CT（multislice computed tomography，MSCT）扫描图像数据，探索性地运用有限元建模及分析软件构建人体胸廓三维有限元模型并进行胸部应变趋势分析。

1 材料与方法

1.1 材料

实验标本：成年男性尸体1例，发育正常，体型中等，排除生前患有骨骼系统疾病。尸体躯干部影像学图像采集方案经家属知情同意，并经上海市法医学重点实验室伦理委员会批准。

软件环境：Windows 7 64 bit，Mimics 13.0（比利时 Materialise公司），ANSYS Workbench 12.0（美国ANSYS 公司），LS-PrePost 3.0（美国 LSTC 公司）。

硬件环境：Inter®XeonTME5520 CPU 2.27 GHz，内存DDR3 1333共8G，图形加速卡 Nvidia FX580。CT扫描：40排MSCT（德国SIMENS公司）。

1.2 方法

1.2.1 MSCT扫描

将尸体用专用裹尸袋包裹，取仰卧位放置于检查床上进行全身扫描。扫描范围取颅顶至第5腰椎与骶骨交界处平面，扫描条件设置为管电压120kV，管电流 380 mA，层厚 5 mm，螺距 0.55∶1。 重建参数：层厚0.6mm，层距0.4mm，重建视野200mm，骨窗算法（窗宽1500HU，窗位450HU）高分辨率重建。以像素为1024×1024的.dic文件格式图像输出。

1.2.2 有限元建模

应用Mimics 13.0软件的图像分割功能进行操作，设定骨骼阈值范围（96～3071）后填补骨骼蒙罩中的像素空洞，并选取第7颈椎至第4腰椎范围进行后续编辑；采用区域增长操作生成新的胸廓骨骼蒙罩并构建初步的三维模型，使用三维视图蒙罩编辑及CT图像蒙罩编辑功能对模型进行精加工（去除残留的肩胛骨胸锁关节、软组织及器官等图像）后，进行平滑及包裹操作，生成最终胸廓骨骼三维模型；对胸廓骨骼三维模型进行网格化，通过设定三角片形状质量阈值、最大几何学误差等参数进行质量控制，四面体网格最大边长限制为10mm，最终生成胸廓骨骼三维有限元模型，以.cdb文件格式导出。

1.2.3 有限元分析前处理

在ANSYS Workbench 12.0软件中导入胸廓骨骼三维有限元模型，依据文献[3]对胸廓赋予相应的弹塑性骨骼材料属性，定义材料塑性破坏应变极限值为0.02。建立拳头大小的圆柱体打击物，将其定义为刚体并赋予骨皮质材料属性，设定打击物以4、6及8 m/s的速度与胸廓右季肋部正面碰撞，同时对胸廓模型的第4腰椎进行固定，进行有限元计算。

1.2.4 有限元分析后处理

在LS-PrePost 3.0软件中观测胸廓有限元模型在遭受不同速度和方向的打击时的形变、位移情况并考察范米斯应力（Von-Mises stress）及最大主应变（maximum principal strain）等生物力学指标的整体分布及局部变化情况。

2 结 果

2.1 胸廓骨性结构三维模型及有限元模型的构建

应用Mimics 13.0软件结合MSCT扫描影像学数据完成正常人体胸廓骨性结构的三维重建，生成包括胸骨、肋骨、脊柱在内的三维有限元实体模型（图1A、B），模型由617381个四面体单元及153529个节点组成，单元最大边长为10mm，平均质量＞0.7，符合有限元人体生物力学分析要求。模型细致逼真，完整地再现及保留了重要的解剖学特征。打击物模型由55 143个单元及9998个节点组成，打击物与胸廓之间定义为滑动摩擦（图1C）。

图1 胸廓有限元模型以及有限元打击物模型的构建

2.2 胸廓有限元模型应变趋势分析

模拟胸廓模型右季肋部遭受4、6及8m/s的打击物正面打击的过程，结果显示胸廓在遭受正面打击后的5ms内，碰撞部位的肋骨发生局部弯曲，带动胸廓发生整体变形并向后位移，胸廓移动到一定程度后发生回弹。胸廓模型的应变分布图（图2～3）显示，碰撞发生后碰撞点肋骨的打击侧与打击对侧首先产生应变集中，随后应变同时沿肋骨向两侧传播，在近胸骨处及肋骨后侧产生应变集中，随后在肋骨上发生应变再分布，最终随着胸廓的回弹其应变值亦逐渐减小。4 m/s的打击过程中，胸廓未发生骨折；6 m/s的打击过程中，打击点肋骨于2.3ms时发生骨折，骨折处单元最大主应变达到0.020，范米斯应力值为138MPa；8 m/s的打击过程中，打击点肋骨于0.8 ms时发生骨折，骨折处最大主应变达到0.026，最大范米斯应力值达到 131MPa（图 4）。

图2 以4m/s速度正面打击下胸廓有限元模型应变分布情况（平视图）

图3 以4m/s速度正面打击下胸廓横断面应变分布情况（俯视图）

图4 以8m/s速度正面打击下胸廓应变分布情况

3 讨 论

有限元方法（finite element method，FEM）是一种求解数学物理问题的方法，距今已有60多年的发展历史。近年来，随着计算机技术的发展和医学影像水平的提高，有限元方法与CT三维重建技术及其他虚拟现实技术相结合已逐渐应用于生物工程学、医学等多个学科领域，并日渐成为生物力学领域研究的一个重要实验手段，可以有效地分析人体结构的物理性质，如受外力作用时人体组织的外部冲击响应及内部应力分布等，在损伤发生预测、损伤程度评估、不同致伤方式造成的损伤辨别方面展现了其有效性[4-5]。目前，有限元方法应用于人体骨性结构的生物力学研究，主要集中于颅骨、脊柱、骨盆及下肢骨骼等部位[6-12]，对于肋骨的损伤生物力学研究亦有开展[3，13-14]，而对于胸廓整体的研究则较为少见，相关研究主要应用于汽车安全、生物工程及临床医学等专业领域[15-19]，而运用有限元方法对法医损伤学进行研究较少见。

3.1 模型建立

本研究运用建模软件Mimics、有限元分析软件ANSYS Workbench以及有限元前后处理软件LSPrePost等数字仿真技术构建高质量的胸廓骨骼三维有限元模型并进行应变趋势分析。研究构模过程中运用Mimics软件将CT图像阈值设定在96～3071范围内可基本囊括胸廓骨性结构及极少量胸、腹壁软组织与器官，非骨性部分可通过区域增长操作去除，同时经三维视图蒙罩编辑操作去除残留肩胛骨图像、分离胸锁关节，整个胸廓结构得以独立成像。但经过上述操作构建的三维模型精细度较低，存在大量表面缝隙、毛刺及内部空洞，影响应变分析。在研究过程中通过像素调节操作填补内部空洞，并对每一层CT图像手动编辑擦除模型表面毛刺，使用平滑及包裹功能填补表面缝隙并进行平滑，经加工后形成高质量的胸廓三维模型。

由于直接将Mimics软件形成的胸廓三维模型网格化，生成的有限元模型往往存在四面体网格大小不一、分布不均以及数量过多的缺陷，可导致后续有限元分析耗时较长、产生误差，甚至引起报错导致计算提前终止。本研究对三维模型划分体网格前，先行平滑与减少三角片等优化操作以均衡网格大小、减少网格数量，并在此过程中设定多项参数进行质量控制，如最大几何学误差、成角设定阈值等。优化操作后模型仍可能存在网格倒错、畸形等潜在问题，本研究使用修复向导功能进行检查与修复，再进行体网格划分，在设定单元最大边长为10mm的情况下，即可得到单元平均质量＞0.7的模型。研究中，曾尝试将单元最大边长设定为5 mm，生成的有限元模型单元平均质量较10mm单元略高，但该模型单元数量巨大，显著增加模型的软件读取及计算时间，不适用于本次研究。

3.2 力作用变化趋势分析

本研究使用LS-PrePost软件进行有限元计算结果的分析，该软件作为目前国际上主流的有限元分析前后处理软件，能够对有限元分析结果中诸如形变、位移、应力、应变等多项指标进行分析处理，其数据可以静态图像、动画及时程图等形式显示（图2～4），结果形象、生动。此外，本研究将附有组织破坏极限指标的材料属性引入有限元模型中，通过在骨骼材料属性赋值过程中直接定义破坏极限数值，使有限元软件在计算过程中自动对超出损伤极限值的骨骼单元进行节点分离、失效或删除操作，以显示骨折形态，使损伤形态表现更为直观，且在计算过程中即时失效或删除被破坏的骨骼单元，可避免该破坏单元对相邻正常单元及模型整体生物力学响应造成的影响，使得计算结果更趋真实性。

此外，有限元分析结果显示，遭打击的肋骨在击打处发生局部向内弯曲，打击侧胸廓承受冲击能量并发生明显的整体变形与位移，移动一定距离后发生回弹，该运动方式符合传统骨骼生物力学响应规律；胸廓模型的应变分布情况（图2～3）显示，打击处肋骨首先出现应变集中，且分布在肋骨打击侧与打击对侧，分别对应受力侧的压应变与受力对侧的拉应变，随后应变沿肋骨内外两侧向胸骨及脊柱传播，在相应位置形成应变集中，符合肋骨受到直接外力与间接外力后的生物力学响应方式。肋骨不同位置的应变分布时程图显示打击处肋骨与肋骨后侧部位的有效应变最大值近似，略高于近胸骨处肋骨的有效应变最大值；在6m/s与8m/s的打击过程中，当肋骨受力后产生应变超过其极限强度时，即在相应位置发生骨折，且骨折发生时该部位单元的范米斯应力值同样超出相应的极限强度，符合传统骨骼损伤机制理论[2]。

4 展 望

本研究基于MSCT图像构建胸廓有限元模型，其外形具备较高的解剖学精确度与几何学仿真度。为了减轻计算负担，本研究在模型的分割及材料属性赋值方面进行了一系列简化操作，如将整个胸廓定义为整体，未分离出肋软骨及椎间盘结构；将胸廓骨质定义为均质，并对其赋予肋骨骨皮质的材料属性，未分离出骨松质；本模型仅仅构建了胸廓骨骼的有限元模型，未构建胸、腹壁软组织及相关韧带等结构。上述因素导致有限元模型与真实人体胸廓在生物力学特性方面存在一定偏差，如本次有限元分析结果显示遭受打击部位肋骨仅在外侧受压部位发生骨折，而对应的内侧受拉部位未发生骨折，不符合肋骨较易在拉应力集中部位发生损伤的规律。通过后续研究可将胸廓模型分割为不同的组织结构如锁骨、肋软骨、肋骨、脊柱、椎间盘等，并可分离骨皮质与骨松质、纤维环与髓核等，对其分别赋予相应的材料属性可以使整个胸廓模型的生物力学仿真度及仿真计算的可信度大大提高，进一步为法医学损伤机制研究提供方法。

（本研究得到复旦大学研究生创新基金资助。）

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