猪颌面软硬复合组织破片伤有限元模型的建立与与有效性分析

王敬夫　贾骏麒　田磊　李进　钱秉文　何黎升

破片伤是指爆炸性武器在爆炸时产生的投射物击中机体后产生挤压、撕裂、震荡以及瞬时空腔效应等对机体结构和功能造成的损伤。随着现代战争模式的改变，由爆炸性武器产生的高速破片已经成为造成参战人员和战区平民伤亡的最主要因素[1-2]。以往研究高速破片创伤弹道学特点的方法主要依赖于采用生物组织模拟靶材料和在实验动物体内布置测量仪器等，其局限性在于实验成本较高、测量位点及方向有限、数据采集困难以及动物伦理学争议，大大限制了高速破片致伤机制的深入研究。本实验通过一种新型的动力加载平台，采用形态优化的标准化破片对实验猪下颌部致伤，同时利用有限元数字模拟技术对猪下颌复合组织高速破片伤进行动态仿真，模拟不同致伤条件下其动态损伤过程，并将数值模拟结果与动物实验实测数据进行对比分析，以建立科学性、可靠性、经济性俱佳的标准化的颌面部高速破片伤有限元模型。

1　材料与方法

1.1　动物实验材料

新鲜离体猪头3 只(宰杀后用保鲜膜包裹以防脱水，并在8 h内完成实验)； 30CrMnSi合金圆柱体破片(质量1.0 g， 直径尺寸5.5 mm×5.5 mm)； 二级轻气炮；激光测速仪；高速摄影机；加速度测量器；应变片；示波器等。

1.2　模拟分析硬件

计算机：处理器Intel Core i5-3210M，内存4 GB， 显卡GeForce 650 M，硬盘容量1 T。 CT：飞利浦Brilliance 64通道螺旋CT(荷兰皇家飞利浦公司， 荷兰)。

1.3　数据处理软件

Mimic 15.0(Materialise公司, 比利时); Origin 8.0(OriginLab公司, 美国)；有限元前处理软件：Hypermesh(Altair公司, 美国)； 有限元分析软件： ANSYS 15.0(ANSYS公司, 美国)；有限元分析软件：LS-DYNA、 有限元后处理软件：LS-PREPOST(LSTC公司, 美国)。

1.4　方法

1.4.1三维有限元模型的建立对新鲜离体猪头拍摄CT，将CT的DICOM格式数据导入Mimics15.0，对CT图像进行分割，分离出骨组织的图像和软组织图像，对所得的部分基于CT图像上的蒙板进行三维重建，得到由面三角片组成的三维模型。将所得三维模型导入Hyper Mesh软件中，形成实体模型，利用软件自动生成六面体功能对模型进行划分网格，该模型中下颌组织被划分成为125 604 个单元，破片被划分成为108 个单元。在Hypermesh软件中，距离右下颌角2 cm平行于水平X轴建立直径为5.5 mm， 高度为5.5 mm的圆柱形破片模型，并对模型进行网格化分，与下颌复合组织模型组合，得到下颌复合组织破片伤三维有限元模型(图 1， 表 1)。

1.4.2边界条件及材料力学属性的定义实验中猪头未做固定，因此，对髁突及下颌下缘不做约束更接近于真实撞击的状态。为了简化模型、减少运算量，将下颌骨设置为连续均匀、各项同性的线塑性材料， 即LS-DYNA中1.4.3载荷设置破片撞击点设置为距离右侧下颌角2 cm，破片长轴与水平方向平行、圆形面正对下颌组织，设置破片速度为831、 1 120、 1 536 m/s，不施加旋转。在LS-DYNA中将破片与下颌接触方式设置为面面侵蚀接触算法(ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)。设定仿真时间为1 s。

表 1　有限元模型各部分单元数

表 2　下颌骨材料力学参数

表 3　软组织材料力学参数

表 4　状态方程参数

表 5　破片材料力学参数

24号材料：MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY[3]。肌肉组织是一种黏滞弹性材料，其特点可用LS-DYNA中10号材料：MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO来进行描述[4-5]。 破片选择为20号材料：MAT_RIGID。以上各种材料力学参数见表 2～5。

1.4.4破片伤过程的仿真用有限元运算软件ANSYS 15.0中的Mechanical APDL Product Launcher 15.0插件打开下颌组织三维有限元模型的k文件并进行运算，得到具有仿真运算结果的d3plot文件，再用有限元后处理软件LS-PREPOST打开d3plot文件，即可得到具有可视化的仿真过程与力学结果。

1.4.5猪头的预备与传感器的布置解剖分离猪头下颌角颊侧软组织直达骨面，上界至颧弓和关节囊，前界至磨牙后区，暴露骨面后用无水酒精纱布覆盖骨面进行脱水。40 min后用吹风机吹干骨面并打磨平整并用凡士林隔水。用电钻在猪头右侧下颌角部打孔，螺丝将一枚加速度传感器固定。保持应变片的零线和火线至少4 mm的间距并用透明胶带固定，将其测量面紧贴骨面布置在右侧髁突颈部，并保证其测量长轴与髁突颈部长轴一致。用502胶粘接并紧压，后用透明胶带覆盖以达保护及隔水的作用。将传感器通过电荷放大器与示波器相连。

1.4.6加载与数据采集将猪头放置到二级轻气炮的靶室内，以右侧为迎弹面，调整位置使气炮的激光准星对准猪头下颌角部并保持其矢状面与弹道垂直。验证连接无误后关闭靶室，将轻气炮各部件按要求装入相应装置，完毕后用真空机对炮管和靶室抽真空，对轻气炮的一级和二级气室充入高压氮气，调试激光测速仪和高速摄影机无误后电引信触发。观察猪头大体形态，将致伤后的猪头均再次进行CT扫描，将数据导入Mimics15.0进行三维重建和分析。

2　结　果

2.1　三维有限元模型的建立

下颌复合组织破片伤三维有限元模型建立 首先通过利用CT扫描数据并利用Mimics软件对断层图像进行三维重建的方式建立了包含下颌骨、皮肤、皮下软组织、咬肌及翼内肌在内的下颌复合组织三维模型，随后对不同组织赋予不同材料力学属性，对破片以及下颌复合组织模型施加相应的载荷，从而建立了下颌复合组织的三维有限元模型。

2.2　与实测数据比对结果

首先，分别在三维有限元模型和实验猪头上对软组织伤情进行大体观察，二者伤情特点比较如图 1所示。随后对数字化模型的下颌骨损态面积、下颌角部加速度峰值进行计算，对轻气炮致伤离体猪头各位点上述数据进行采集，计算数值模拟与实验结果的相对误差为δ，实验结果与数值模拟计算结果比较(图 2～3)(表 6～ 7)。

图 1猪下颌骨及肌肉破片伤三维有限元模型

Fig 13D finite element model of the fragment injure of swine mandible and muscle

图 2不同速度组软组织伤道入口示意图

Fig 2Schematic diagram of the soft tissue wound produced by different speed of the segment

3　讨　论

3.1　高速破片伤生物力学特点

相比较枪弹而言，由高能爆炸性武器产生的高速破片通常速度更高、单个破片质量更小、动能更大， 且破片的几何外形通常为球形、立方体、圆柱体、三棱锥等，故其创伤弹道学特点无疑与枪弹有着较大区别[6]。以往对生物组织的高速投射物三维有限元的研究多集中在枪弹方面，对破片的研究目前尚未见报道，故破片对生物体生物力学毁伤的机制仍局限在传统战创伤实验方面。在本研究的三维有限元模型上发现：损态观察发现模拟中入口、出口均较实验中入口、出口小，其中可能的原因为数字化模型利用有限个体积极小的单元所组成， 而皮质骨则由哈弗是系统为其基本组成，其长度为3～5 mm，直径约为0.2 mm的纵行圆筒状骨板结构，沿下颌骨长轴排列。在受到撞击时数字化模型通过释放组成单元来模拟骨质受损，而实际骨质破坏中骨单位与周围基质间的界面对于裂纹扩展的抵抗较弱[7]，骨折裂纹会沿着骨单位之间的界面断裂产生骨折。因此，数值模拟中入口、出口相较实验实测中小。加速度是评估损伤的重要参数之一，它的方向是物体速度变化的方向，与合外力的方向相同，高速投射物撞击时，在加速度大体呈现逐步上升后逐步下降的规律，下颌组织在撞击的极短时间内产生了巨大的加速度，说明生物组织受到了剧烈的冲击，加速度达到峰值后开始衰减，并在正负方向不断波动，说明骨组织在撞击后产生了沿入射方向的震动，这种震动会对下颌骨一些薄弱区域产生较大的影响，甚至在应力集中区导致骨折的发生。

图 3　数值模拟与动物实验下颌骨损态面积对比

表 7数值模拟与实验的加速度峰值结果

Tab 7Numerical simulation and experimental results of the acceleration peak

速度分组加速度峰值(m/s2)数值模拟实验结果相对误差δ(%)831m/s53603．6145945．9516．71120m/s68037．3959009．0115．31536m/s72775．1463513．5114．6

3.2　本有限元模型的优势和有效性

目前，通过有限元法对高速投射物冲击进行模拟，进而分析其力学效应是冲击动力学的一种较为先进的研究方法，在过去几十年国内外学者已经开展了大量的研究，有限元法已经广泛应用于军事工业、航空航天、车辆工程等领域。然而，此类研究大多局限于工科领域，而医学领域此类研究相对较少，虽有学者对颌面部高速投射物伤进行有限元模拟，但是，这些研究多集中在单纯的骨组织上，将软硬组织复合建模仍未见公开文献报道；且高速投射致伤物均主要以钢珠来模拟枪弹，高速破片伤的研究报道很少。然而，随着战争特点的演化和武器装备的提升，传统战争中武器直接击中人体造成的枪弹伤的比例逐渐下降，而由高能爆炸武器造成的破片伤已成为参战人员伤亡的主要原因。枪弹伤与破片伤在致伤机理中仍有很大不同，枪弹多呈锥形，投射过程中伴有旋转，在侵彻过程中由于几何稳定性差,将发生翻转效应,从而产生杀伤，而破片则速度更高，且投射过程中几乎不发生旋转，因此，造成的伤情亦不尽相同[8]。对于常见破片，分为平板型、普通型和长杆型三种，长径比小于1的为平板型，长径比约等于1的为普通型，长径比大于1的为长杆型，本课题组研究发现，不同长径比破片所形成的弹道差异明显[9-10]。因此，本实验采用圆柱状破片作为实验材料，通过改变长径比来模拟三种类型的破片，使得本实验具有较强的代表性，又避免了采用不规则形态破片所引起的重复性差的问题，使本实验能够真实模拟战争中所出现的伤情特点。在高速投射物撞击伤的研究中，虽然速度是组织损伤重要致伤因素之一，但是组织受损程度还取决于其吸收能量多少、被击中部位组织的解剖结构与组织致密度、粘滞性、含水量等诸多因素。因此，研究复合组织在破片伤中的致伤机理会更加准确与真实。

本实验在计算机上对不同速度下柱形破片正交侵彻离体猪下颌角进行建模，而且模拟与实验采用的着弹点、入射方向、及速度基本相同。通过与轻气炮致伤猪下颌角实验对比软组织、下颌骨损态、加速度实测数据等方法进行检查，发现损态误差低于27%，与实测数据相比加速度误差低于17%，根据之前文献报道误差10%～17%可靠性较好，本模型的模拟损态均较实际损态偏小，加速度可靠性较好。故本模型数值仿真结果与实验结果基本吻合，认为模型具有一定的有效性及可靠性。

3.3　本有限元模型的应用前景

本研究在建模时将软组织材料与骨组织相复合，实现了对高速破片生物体动态过程的仿真，并且数据误差控制良好。可以认为，本模型相比较以往模型而言，准确性更好且更具有真实性。本有限元模型具有较好的可靠性，其以较高的科学性和经济性可以作为颌面部高速破片伤的标准化有限元模型。除可通过改变破片形状、速度等参数对各种类型破片冲击猪下颌骨进行有限元模拟外，还可对不同防护条件下的不同生物体进行破片伤模拟，特别是作为伦理学无法进行的人体实验代替品。本模型的成功建立无疑对高速投射物损伤的力学机制研究、防护研究和临床救治研究提供了一种新思路，其操作简单、成本低廉、可靠性较好、且能够全面了解生物体力学特性等优点使其具有较好的应用前景。

[1]Zukas HA, Nicholas T, Swift HF, et al. Impact Dynamics[J]. J Appl Mechans, 1983, 50: 702.

[2]Shuker ST. Maxillofacial blast injuries[J]. J Craniomaxillofac Surg, 1995, 23(2): 91-98.

[3]Tang Z, Tu W, Zhang G, et al. Dynamic simulation and preliminary finite element analysis of gunshot wounds to the human mandible[J]. Injury, 2012, 43(5): 660-665.

[4]Wang Y, Shi X, Chen A, et al. The experimental and numerical investigation of pistol bullet penetrating soft tissue simulant[J]. Forensic Sci Int, 2015, 249:271-279.

[5]Oh J, Kang HW, Kim J, et al. Photoacoustic response of magnetic nanoparticles to pulsed laser irradiation[J]. J Korean Physical Soc, 2009, 55(5): 2224-2228.

[6]王正国. 高科技战争中的杀伤武器和战伤特点[J]. 解放军健康, 1998(1): 4-5.

[7]Augat P, Schorlemmer S. The role of cortical bone and its microstructure in bone strength[J]. Age Ageing, 2006, 35 Suppl 2: ii27-ii31.

[8]Fackler ML. Gunshot wound review[J]. Ann Emerg Med, 1996, 28(2): 194-203.

[9]贾骏麒, 王敬夫, 马秦, 等. 柱形钢制破片侵彻肥皂靶的弹道特征研究[J]. 创伤外科杂志, 2017, 19(6): 462-465.

[10]贾骏麒, 王敬夫, 赵铱民, 等. 高速破片冲击猪下颌骨对颞下颌关节损伤机制的研究[J]. 实用口腔医学杂志, 2017, 33(3): 312-315.