利用有限元仿真对头部受到锐器伤害的定量生物力学分析

《Forensic Science, Medicine and Pathology》：Quantitative biomechanical analysis of sharp force injuries to the head using finite element simulation

　　

摘要

在锐器伤害案件中，对施加力的评估和伤害严重程度的判定主要依赖于经验判断，缺乏定量和客观的数据支持。本研究旨在构建一个高精度的有限元（FE）头部模型，通过3D打印的仿生颅骨实验对其进行验证，并探讨头部受到锐器刺伤时动量与伤害严重程度之间的关系，从而为案件分析提供科学依据。该高精度FE头部模型基于“Total Human Model for Safety”（THUMS）模型重建而成。仿生颅骨采用PEEK材料3D打印而成。实验数据通过传感器和运动捕捉系统收集，利用侵蚀破坏模型模拟伤口形成过程。模型验证后，该方法被应用于一起真实的刺杀致死案件中，系统地模拟了不同动量（0.75—11.25 kg·m/s）下的刺伤过程。FE模型验证显示，模拟结果与实验结果高度一致，伤口尺寸和切割力的误差均在15.0%以内。案例重建显示，造成这起凶杀案中穿透性伤害所需的最小动量为9.75 kg·m/s。在本模拟框架中，0.75 kg·m/s、2.25 kg·m/s和5.25 kg·m/s的动量分别对应轻微、中等和严重的颅骨损伤。本研究为锐器伤害的定量模拟和案例重建提供了一个生物学力学框架。实际案例的应用主要体现了所提出的生物学力学重建方法的有效性，当该方法与其他法医证据结合使用时，可以提高伤害严重程度评估的客观性，并为案件调查提供可重复的生物学力学支持。