颅脑拳击损伤的参数化分析

高勇，李正东，邹冬华，3，马华星，陈忆九，仲梁维

1.上海理工大学机械工程学院，上海 200082；2.司法鉴定科学研究院 上海市法医学重点实验室 司法部司法鉴定重点实验室 上海市司法鉴定专业技术服务平台，上海 200063；3.贵州医科大学法医学院，贵州 贵阳 550000；4.湖南科技大学机械工程学院，湖南 湘潭411201

在法医学鉴定实践中，因颅脑损伤致残、致死的案件越来越多。创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）是造成死亡和残疾的主要原因，每年全球脑损伤发生量为1 000 万，并且近60%颅脑损伤源于道路交通伤害，20%～30%由跌倒所致，10%由暴力引起，还有10%与工作场所和体育运动相关[1]。确定颅脑损伤的损伤机制和致伤方式，是法医学鉴定的关键和难点问题，尤其是在徒手拳击、一拳致死案例中，因检见的体表及颅内损伤可能比较轻微，基于传统的鉴定人经验判断不能客观准确地再现损伤过程，难以对颅脑损伤生物力学响应指标及损伤阈值给出清晰直观的解释，也无法满足科学证据客观量化的要求[2]。因此，有必要建立能够重建颅脑拳击损伤过程并通过损伤生物力学评估损伤机制的方法，明确颅脑损伤的基本特征。

早在半个世纪以前，国外就开始运用生物力学的相关理论和技术研究颅脑损伤，颅脑损伤的研究方法主要有动物实验、人尸体头颅实验以及有限元模型实验等，并取得了较多成果。NAHUM 等[3]探索人尸体头颅在不同外力作用下颅内压的变化情况，为后续颅脑有限元模型的建立奠定了基础。MARGULIES 等[4]利用动物实验探究人体颅脑有限元模型，但由于动物和人体的解剖学结构存在显著差异，实验结果不可直接用于人体颅脑损伤鉴定。考虑到人尸体头颅标本不易获得及动物实验的局限性，1994 年，RUAN 等[5]率先构建了颅脑三维有限元分析模型。随着计算机技术的快速发展，有限元仿真技术逐渐成为颅脑损伤研究的重要方法。SAHOO 等[6]开发了基于真实的人体头部的有限元头部模型并用于探索颅骨骨折标准。目前，颅脑有限元模型模拟的结构在形态上越来越趋近于实际解剖，涉及的结构也越来越细致，具有较高的生物仿真度。

国内对人体颅脑损伤生物机制的研究起步相对较晚，主要研究由于交通事故而产生的颅脑损伤，且因法律和伦理道德限制，缺乏尸体实验数据，主要还是基于动物实验及计算机仿真技术进行研究。朱兴华等[7]通过实验及有限元模拟探讨人颅骨结构在不同载荷工况下的应力应变分布规律；重庆理工大学樊伟[8]以真实的交通事故案例为基础，利用MADYMO 软件建立汽车-行人碰撞的多刚体模型，再现事故过程，并以此为基础对头颅的损伤力学进行分析。计算机仿真技术辅助法医学损伤鉴定的有效性已经得到了验证，并且应用到实际案例，增强了法医学鉴定结果的可靠性。如李正东[9]基于有限元法研究交通伤的致伤方式，为法庭举证提供了可视化的生物力学依据。

尽管国内外已开始使用计算机仿真技术研究颅脑损伤，但大多数学者的关注点仍是由交通事故导致的颅脑损伤，对于法医鉴定中常见的徒手拳击致死案例的损伤机制研究较少。TUCHTAN 等[10]利用有限元模型研究下颌撞击后的力传递对脑脊髓损伤的影响，认为拳击颅脑致人死亡可能与脑干过度受压有关。WALILKO 等[11]对奥运会拳击手击打面部的生物力学特征进行了研究，但并未形成拳击加速伤的成伤特点，然而在对拳击手的力量研究过程中，用于衡量拳头力量的有效质量并不是拳头本来的质量，而是通过动量定理计算获得，根据牛顿第二定律可以定义为：有效质量=拳击外力/加速度，计算得1 名专业拳击手的拳速最高可达11.5 m/s，1 名专业拳击手拳头的有效质量最高可达4.97 kg。

总的来说，国内关于颅脑拳击伤的研究仍处于探索阶段。因此，本研究基于拳头有效质量和正常人速度范围，通过量化的仿真矩阵系统讨论正常及侧面拳击下的颅脑损伤响应过程，明确正常人击打情况下的颅脑损伤机制和损伤风险，为颅脑拳击损伤案例的致伤方式及损害后果的因果关系判断提供客观依据。

1 材料与方法

1.1 有限元模型

本研究采用的人体模型为丰田汽车公司研发的THUMS 4.02 行人模型，该模型是基于一位身高173 cm、体质量77.3 kg 的成年男性进行开发的。研究人员通过高分辨率CT 扫描全身，为人体各部位生成精确的几何数据，通过三维重建再现人体主要器官结构，各组织结构被赋予相应的材料属性。该模型反映了各个器官的解剖特征，可以在组织水平上模拟损伤，已有相关文献介绍了对该模型进行验证的过程[12]。

1.2 软件

使用HyperMesh 13.0 软件（美国Altair 公司）构建拳头有限元模型，LS-PrePost 4.5 软件（美国LSTC公司）重建拳击颅脑的损伤过程及结果后处理，LSDYNA R11 软件（美国LSTC 公司）进行模拟运算。

1.3 研究方法

通过CT 扫描1 名正常成年男子拳头，并利用DICOM 数据建模法构建拳头几何模型。将该几何模型以.igs 格式文件导入HyperMesh 13.0 中进行网格划分，并赋予材料建立拳头有限元模型。该模型材料的杨氏模量为4 MPa，泊松比为0.45，密度为1 000 kg/m3。

本次重建拳击颅脑的损伤过程中，分别为拳头有限元模型赋予不同的有效质量和速度，而在实际法医学鉴定的案例中，施暴者一般都是未经专业训练的正常成年男性，因此将拳头的有效质量分别定义为1、2、3、4 kg，拳头的速度则分别定义为6、7、8、9、10 m/s[11]。通过检索法医案例库中拳击伤的案例，发现人体颅脑的额部与颞部最容易遭受以外袭击，因此将颅脑的致伤部位定义为额部与右颞部（主要是右眼后方、颞骨上方、顶骨下边缘的区域）2 个部位。综上所述构建A×B×C 的三阶矩阵，其中A 为致伤部位，B 为拳头有效质量，C 为拳头速度。因此，本研究共构建40 组仿真实验探究拳击颅脑加速伤的损伤特点。

将拳头有限元模型与THUMS 4.02行人模型同时导入LS-PrePost 4.5 软件中，按照上述要求为拳头赋予不同的速度与有效质量，并调整拳头与THUMS 4.02行人模型的空间位置（图1），将两者定义为面面接触，设置摩擦系数为0.3[13]。将完成的模型导入LS-DYNA R11 中求解，求解完成后，提取颅骨等效应力、脑组织（主要是大脑和小脑）等效应力、最大主应变（max principal strain，MPS）与累积应变损伤值（cumulative strain damage measure，CSDM）、颅内压等参数，通过比较各参数的变化情况，颅骨与脑组织损伤的具体分布情况，深入探讨颅脑损伤的特征。

图1 颅脑打击部位示意图Fig.1 Schematic diagram of hit parts of the brain

2 结果

2.1 额部遭受暴力击打时的生物力学响应

如图2 所示，额部在遭受拳头以不同速度及有效质量的情况打击下，随着拳头速度与有效质量的增加，颅骨各部位等效应力总体呈现上升趋势，然而颅骨除额骨外其他部位的应力上升幅度较低。额骨处达到最大等效应力为122.40 MPa，而其余部位均在60.00 MPa 以下。

图2 额部遭受暴力击打时颅骨最大等效应力随拳头力量的变化情况Fig.2 The variation of maximum mises stress of skull with fist force during a violent blow to the forehead

根据颅骨的应力云图（图3）可知，额部受到打击时，应力波主要沿着颅底向后传导，最后到达枕骨。当拳头的有效质量为1 kg、速度为6 m/s 时，应力集中区域为额骨中部。随着拳头有效质量与速度的逐渐增加，应力集中区域还分别出现在额部右侧、左颞骨与右颞骨的下颌窝、枕髁。当拳头有效质量为4 kg、速度为10 m/s 时，应力除了集中在上述部位外，还波及额骨右侧及眉间部位。

图3 额部遭受暴力击打时颅骨应力集中情况Fig.3 Stress concentration of skull during a violent blow to the forehead

图4 显示，随着拳头有效质量与速度的增加，脑组织的等效应力越大，且增长幅度也越大，最高达到4.31 kPa。如图5 所示，当速度与有效质量较低时，脑部应力集中区域主要为端脑后侧，即枕颞内侧回附近。随着拳头的有效质量与速度逐渐增大，应力集中区域逐渐向后转移，由额叶经端脑后侧最终至胼胝体后侧下端，并且脑组织等效应力最大值也主要位于该区域。

图4 额部遭受暴力击打时对脑组织的影响Fig.4 The effect of a violent blow to the forehead on brain tissue

图5 额部遭受暴力击打时脑组织应力集中情况Fig.5 Stress concentration of brain tissue during a violent blow to the forehead

在拳击额部过程中，脑组织的MPS 与CSDM 虽然都随着拳击速度与有效质量的增加而增加，但最大值也仅分别达到0.29 与0.01。如图4 所示，随着拳头速度与有效质量的提高，撞击侧额叶处的压力峰值也逐渐增大，且增长的幅度也在增加，而冲击点颅内压最大也仅170 kPa 左右。

2.2 右颞部遭受暴力打击时的生物力学响应

当右颞部遭受拳头打击时，颅骨各部位的应力响应情况（图6）显示，尽管各部位的等效应力随着拳头速度与有效质量的增加而增加，增长幅度也有一定的提高，但总体增长幅度较低，应力值最大仅达71.53 MPa。当有效质量与速度较低时，颅骨等效应力最大的位置一直位于顶骨的下边缘，随着拳头力量的增大，应力值最大位置逐渐向蝶骨与枕骨转移，同时蝶骨、枕骨、顶骨、右颞骨受到的等效应力与筛骨、额骨、左颞骨的差距也越来越明显，筛骨、额骨、左颞骨的最大等效应力都在30 MPa 以下，且增长趋势较缓。

图6 右颞部遭受暴力打击时颅骨最大等效应力随拳头力量的变化情况Fig.6 The variation of maximum mises stress of skull with fist force during a violent blow to the right temporal

颅骨遭受各个力量打击下的应力云图（图7）显示，当拳击右颞部时，应力波的传导顺序主要为顶骨下边缘、右颞骨、颅底、左颞骨。当拳头的有效质量与速度较低时，应力波传导能力有限，应力主要集中于颞部直接遭受冲击的位置，在顶骨的下边缘。随着拳头的力量逐渐增加，应力集中区域逐渐转移，通过鳞状缝到达蝶骨的岩部。当拳头力量达到最大时，应力集中区域还波及蝶骨的大翼以及枕骨的边缘位置。

图7 右颞部遭受暴力打击时颅骨应力集中情况Fig.7 Stress concentration of skull during a violent blow to the right temporal

右颞部遭受暴力打击时脑组织的应力变化情况（图8）显示，随着拳头速度的增加，脑组织的等效应力越来越大，随着拳头有效质量的增加，等效应力增长的幅度也越来越大，当有效质量达到4 kg 时，脑组织最大等效应力达到了7.09 kPa。当有效质量与拳头速度较低时，应力从开始集中于大脑右颞部，迅速向下转移至右小脑的后叶。随着拳头力量逐渐增大，小脑后叶处的应力集中范围逐渐增大，然后转移至端脑的直回与枕颞内侧回处，最后在胼胝体处形成应力集中，且应力集中的范围较大（图9）。

图8 右颞部遭受暴力打击时对脑组织的影响Fig.8 The effect of a violent blow to the right temporal on brain tissue

图9 右颞部遭受暴力打击时脑组织应力集中情况Fig.9 Stress concentration of brain tissue during a violent blow to the right temporal

右颞部遭受拳头打击时，脑组织的MPS 最大值也仅有0.42，脑组织损伤的概率也较低，而CSDM 达到了0.19。颅脑直接受力处的颅内压情况（图8）显示，尽管该处颅内压不断增高，但最大也未超过200 kPa。

3 讨论

颅脑损伤可以由外部暴力间接传导或直接撞击形成，不同的致伤方式所导致的颅脑损伤特征也并不相同，拳击颅脑损伤一般为直接受打击的部位较为严重，随着力在传导过程中不断削弱而造成非直接打击部位的损伤程度一般较轻。由于颅脑具有极其复杂的结构，其损伤特征与拳头的力量及致伤部位有着直接的联系，根据司法鉴定科学研究院历年受理的拳击伤案件鉴定实践，虽然存在因拳击致人死亡的案例，但更多的是造成受害者颅脑损伤，并未直接死亡。尽管拳击致死的案例不多，但一旦发生，其损伤一般较隐藏、损伤机制较难明确解释，是法医学鉴定和研究的难点问题，因此研究不同力量的拳头及致伤部位对明辨颅脑损伤特征具有极其重要的意义。

关于棍棒致人损伤的有限元研究，如天津科技大学的张建国等[14]模拟棍棒对颅脑的正面碰撞，在研究过程中对棍棒的加载条件为直接赋予棍棒本身的质量以及棍棒的速度，然而通过这两个参数模拟棍棒的力量是一种不合理的方式。每个人所能展现出的力量是不同的，而合理化的量化力量是研究暴力致人损伤特征的基础，根据公式1/2mv2，通过不断提高速度尽管可以一定程度上表征外部力量的大小，但是1 个人的拳速是有限的，因此一味地增加仿真过程中的速度是一种不合理的方式。本研究过程中根据动量定理引入有效质量这一概念，更加合理地量化拳头力量，为研究拳击颅脑损伤特征奠定了良好的基础。

当额部遭受拳头打击时，额骨与颅骨其他部位的变化趋势表现出的差异很大，额骨的等效应力不仅远大于其他部位，且增长速率也较高，当速度达到8 m/s、有效质量达到4kg时，额骨的等效应力达到100.9MPa，骨折的风险较高[15]，而颅骨的其他部位很难造成骨折。拳击右颞部时，颅骨的等效应力呈现明显的差别可能与各块骨头和颞部在空间中的相对位置有关，并且造成颅骨骨折的风险更低，但颅骨的应力集中区域仍然是需要重点关注的区域。然而，颅骨骨折除了与受力有关之外，与颅骨骨质也有一定关系，因此，数字化仿真具有一定的局限性，包括受到模型本身的限制，本次颅脑特征分析仅能提供一定的参考，若需要进一步研究，还需要进行相应的真实的颅骨打击实验。根据YOGANANDAN 等[16]进行的真实的颅骨冲击实验数据发现，当颞部遭受冲击，冲击力达到6 000 N左右时，才造成颅骨骨折，而额部遭受冲击，冲击力达到4 642 N 就已经产生颅骨骨折，且骨折部位发生在额骨处，本次仿真研究结果与其较为相似。

BAUMGARTNER 等[17]的研究结果表明，脑组织的等效应力与脑挫伤及脑震荡的损伤程度具有一定的相关性，然而当等效应力达到15 kPa 时，才有可能造成轻微脑震荡，因此，拳击颅脑导致脑组织损伤的风险较低，而额部受到袭击造成脑组织损伤的风险更低，但仍需关注脑组织中的应力集中区域，尤其是胼胝体。TAKHOUNTS 等[18]得出了脑组织的MPS 与CSDM可以用来预测弥漫性轴索损伤（diffuse axonal injury，DAI）的严重程度的结论，并获得关于简明损伤评分（abbreviated injury scale，AIS）等级的颅脑损伤风险曲线，根据该曲线可判断脑部产生DAI 的概率很低，但颞部产生的概率远高于额部，当人体达到AIS 3 级损伤时，有20%的概率造成脑部DAI。

相关文献[19]表明，通常用颅内压对冲击部位与对冲部位的脑挫伤的严重程度进行预测。ZHANG 等[20]发现，当冲击压达到53～130kPa时，会对脑组织造成轻微损伤；当人体达到AIS 3 级损伤，颅内压超过200 kPa时，有可能造成蛛网膜下腔出血或者硬脑膜下血肿[21-22]；当压力值超过235 kPa 时，则可能会对人体造成严重损伤甚至死亡[16]。所以，拳击颅脑可能会导致冲击处受到轻微脑挫伤，但重伤的概率极低，同时，参考脑组织颅内压可发现，右颞部遭受打击更有可能造成蛛网膜下腔出血。

每个人的颅脑情况都不相同，从生物力学的角度，每个人的颅骨与脑组织不同位置的损伤阈值也都不一样，并且关于这些阈值在国内外也没有统一的标准，应用单一的损伤标准评价颅脑损伤具有一定局限性。因此，本研究使用人体有限元模型研究颅脑损伤风险及特征只能做一种预判，为实际医疗防护和法医鉴定提供参考。

在本次研究过程中，将受害者的姿势设置为直立状态，而出拳的方式类似于直拳。根据法医病理学及实际解剖经验认为，一般拳击颅脑致死的主要原因可能是由于延髓等处受到应力的剪切作用，但产生这一结果不仅与颅脑致伤位置有关（如下颌处可能更容易造成这一现象），而且还与出拳方式有关（如勾拳可能让颅脑产生强烈的旋转作用），但这都需要进一步的针对性研究。而在本次参数化研究颅脑损伤特征的过程中，致伤部位更靠近颅脑上侧，出拳方式类似于直拳，最后仿真结果脑组织的应力集中区域是胼胝体，而脑干最大等效应力仅为2.3 kPa。因此，THUMS模型在仿真颅脑损伤特征方面尚有一定局限性，本研究只能粗略地探讨拳击颅脑损伤的特征。

根据仿真结果显示，拳击颅脑损伤致人直接死亡的概率较低，但是随着拳头有效质量与速度逐渐增大，颅脑损伤的风险也逐渐增大。颅脑损伤主要分为脑组织损伤和颅骨骨折2 种情况，本研究结果表明，拳头打击部位不同，颅脑损伤特征也有着明显不同。额部遭受袭击时造成颅骨骨折的风险高于颞部受到袭击，然而脑组织损伤风险表现出相反的情况，并且颞部受到打击时，脑组织损伤的风险远高于额部，颅骨骨折概率最大位置一般表现在颅骨直接受到冲击的部位，同时随着应力波的传导也会波及颅骨其他部位，而脑组织损伤风险最大的位置却并不表现在脑部直接受到冲击的位置。

综上所述，颅脑的不同部位受到拳头打击时，颅骨骨折及脑组织损伤的特征及风险具有一定的差异，额部受到打击时颅骨的骨折风险明显高于颞部，而脑组织的损伤风险却恰好相反，且颅脑损伤风险较高的区域分布也不相同。