成人直立位双足坠地跨高度骨骼损伤机制的有限元分析

摘要

目的：高坠的普遍性与复杂性给高坠损伤分析带来困难，目前主要依靠法医通过尸体解剖进行损伤分析。有限元方法(finite element method,FEM)可揭示高坠人体骨骼损伤机制及其与坠落高度的关系，为法医学高坠人体损伤分析、损伤机制判定及坠落场景重建提供依据。方法：以成人直立位双足坠地作为研究样例，基于FEM，采用全人体安全模型(total human model for safety,THUMS)，模拟从1～50 m高度向刚性地面双足坠地的过程。采用von Mises应力分析、Logistic回归拟合及层次聚类分析，系统研究骨骼的生物力学响应。结果：直立位高坠时人体应力集中区域呈纵轴轴向分布，且存在双路径传导机制。足部、胫骨两端、股骨颈及脊柱呈现“阶跃响应”，骨折风险在临界高度发生剧变。利用Logistic回归成功建立了腓骨两端、骨盆及颅骨的骨折风险高度预测模型。腓骨两端的骨折风险随高度增加最快，颅骨次之，骨盆的骨折风险增加最慢但也显著。结合层次聚类与生物力学机制分析，将坠落高度分为5个群集，对应3个阶段：局部耗散阶段(<7 m)、轴向传导阶段(7～16 m)和全身复合损伤阶段(>16 m)。结论：FEM可揭示直立位双足坠地时骨骼损伤的双路径传导机制，所建立的骨折风险高度预测模型和损伤模式-高度映射模型可为法医学坠落高度推断提供生物力学依据。

关键词

法医损伤学 / 高坠 / 跨高度 / 有限元方法 / 骨骼生物力学