一种脑损伤成伤机制仿真平台及电子设备的制作方法

1.本发明涉及医学仿真技术领域，特别是涉及一种脑损伤成伤机制仿真平台及电子设备。


背景技术：

2.虐待性头部创伤(abusive head trauma，aht)，在虐待儿童的病例中很常见，又称为摇晃婴儿综合征(shaking baby syndrome，sbs)，通常表现为硬膜下出血、视网膜出血和脑损伤三联征。aht是婴儿虐待和儿童虐待的明显迹象，造成高残疾率和高死亡率。一般认为，aht通常出现在非常年幼的婴儿身上，2岁以上的儿童很少发生aht。然而，现有公开资料报道了4例成人摇晃综合征(shaking adult syndrome，sas)案例，这4例案例具有被他人摇晃的案情和出现了“三联征”的病理特征，其死亡原因均归因于成人摇晃综合征。从成伤机制来说，成人摇晃综合征应该被归类为aht；由于摇晃伤害的体表损伤证据轻微或不存在，它很容易成为监管场所的虐待或酷刑的手段。由于成人摇晃综合征公开的案例较少，也缺乏对其成伤机制的进一步研究，对于成人摇晃综合征案件的法医鉴定，如果没有调查材料或监控录像的支持，法医专家很难考虑到成人摇晃综合征，而且他们很容易忽视成人摇晃综合征的可能性。因此，有必要对成人摇晃综合征的损伤生物力学特性进行研究，以阐明其成伤机制特性。由于致伤的可能性，实际鉴定和科研中不可能通过剧烈摇晃真人来评估成人摇晃综合征相关的成伤机制和损伤指标。因此，建立更为有效的技术方案，仿真不同摇晃致伤方式下的成人摇晃综合征的形成过程，为法医鉴定提供参考依据极为必要。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种脑损伤成伤机制仿真平台及电子设备，以仿真不同摇晃致伤方式下的成人摇晃综合征的形成特点和成伤机制。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.第一方面，本发明提供了一种脑损伤成伤机制仿真平台，包括：
6.数据获取模块，用于获取目标测试者的头部摇晃频率范围以及在不同摇晃方向下的位移-时间曲线；所述位移-时间曲线的横坐标是时间，所述位移-时间曲线的纵坐标为摇晃振幅；
7.仿真模块，用于根据所述摇晃频率范围、所述位移-时间曲线和全人体有限元模型，仿真确定在不同摇晃致伤方式下脑组织损伤形成过程的生物力学数据；所述摇晃致伤方式为由摇晃频率、摇晃振幅和摇晃方向确定的致伤方式；
8.结果确定模块，用于根据所述生物力学数据，确定不同摇晃致伤方式下成人摇晃综合征的脑组织损伤发生部位、以及成人摇晃综合征的形成特点和成伤机制。
9.第二方面，本发明提供了一种电子设备，包括三维运动捕捉系统和有限元分析软件；所述有限元分析软件中设置有第一方面所述的脑损伤成伤机制仿真平台。
10.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
11.本发明可仿真不同摇晃致伤方式下成人脑组织损伤的形成过程，可定量地、客观地解释不同摇晃致伤方式下成人摇晃综合征的形成特点和成伤机制，从生物力学角度为成人摇晃综合征的司法鉴定提供依据，具有直观性好、成本低、可重复性高的优点。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1为本发明脑损伤成伤机制仿真平台的结构框图；
14.图2为本发明电子设备的结构框图；
15.图3为本发明受害者的影像学图像和组织病理学表现图；
16.图4为本发明三个摇头方向的三维运动捕捉结果图；
17.图5为本发明三种摇晃致伤方式下的运动学重建结果图；
18.图6为本发明真实脑出血与模拟最大主应变(mps)应变云图的比较图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.三维(3d)运动捕捉系统已经在电影、军事、体育、医疗等领域得到广泛运用，其主要用来记录人体在不同运动情况下的动作信息，反映真实情况下的运动学参数，甚至可以达到毫米级别的精度，拍摄速度可达10000hz，能精确捕捉高速运动物体的轨迹，并进行相关技术参数分析。因此其可以是提供准确有限元仿真边界条件的重要设备。
21.有限元方法是解决工程和数学物理问题的数值分析方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的应用和发展，属于计算力学的范畴。有限元法可将物体结构离散为由不同单元组成的计算模型，不同的单元之间利用单元节点相互连接，用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。在特定的载荷下，通过所有单元的响应和给出物体的总体响应。现有的人体有限元模型均是根据上述原理对人体三维模型进行剖分、离散，材料模型选择和赋值，接触设定等步骤建立。在三维运动捕捉系统中测得的参数可作为真实且精确的边界条件下，通过有限元求解器计算，可得到颅脑模型各解剖部位的生物力学指标，如力、位移、应力、应变等，可预测可能发生损伤的部位和程度，从而为法医损伤成伤机制鉴定提供参考依据。
22.鉴于此，本发明提供了一种脑损伤成伤机制仿真平台及电子设备，以仿真不同摇晃致伤方式下的成人摇晃综合征的形成特点和成伤机制。
23.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
24.实施例一
25.本发明实施例的目的在于解决成人摇晃综合征的形成特点和成伤机制问题，因为不可能通过真实人体进行成人摇晃综合征致伤的研究。对于成人摇晃综合征，目前缺乏定量和系统化分析，鉴于此，本发明实施例提供了一种脑损伤成伤机制仿真平台。
26.如图1所示，本发明实施例提供的一种脑损伤成伤机制仿真平台包括：
27.数据获取模块1，用于获取目标测试者的头部摇晃频率范围以及在不同摇晃方向下的位移-时间曲线；所述位移-时间曲线的横坐标是时间，所述位移-时间曲线的纵坐标为摇晃振幅。
28.仿真模块2，用于根据所述摇晃频率范围、所述位移-时间曲线和全人体有限元模型，仿真确定在不同摇晃致伤方式下脑组织损伤形成过程的生物力学数据；所述摇晃致伤方式为由摇晃频率、摇晃振幅和摇晃方向确定的致伤方式。
29.结果确定模块3，用于根据所述生物力学数据，确定不同摇晃致伤方式下成人摇晃综合征的脑组织损伤发生部位、以及成人摇晃综合征的形成特点和成伤机制。
30.其中，所述数据获取模块1，包括：
31.第一数据获取单元，用于获取三维运动捕捉系统记录的目标测试者的摇晃频率；所述摇晃频率范围为在设定时间内，所述目标测试者对手中砝码进行摇晃运动时产生的手部摇晃频率范围。
32.第二数据获取单元，用于获取三维运动捕捉系统记录的目标测试者的位移-时间曲线；所述位移-时间曲线是根据目标测试者的头部真实运动轨迹确定的(非致伤情况下)；所述头部运动轨迹为在设定时间内，所述目标测试者进行摇头实验时产生的运动轨迹。
33.所述全人体有限元模型至少包括颅脑模型、颈部模型；所述仿真模块2，包括：
34.颅脑模型验证单元，用于加载平动撞击实验、平动转动撞击实验和平动撞击实验，并根据所述平动撞击实验、所述平动转动撞击实验和所述平动撞击实验验证所述颅脑模型的有效性。
35.摇晃致伤方式确定单元，用于根据所述摇晃频率范围、所述位移-时间曲线和所述摇晃方向，确定多种摇晃致伤方式。
36.仿真单元，用于采用不同的摇晃致伤方式对所述颅脑模型进行有限元仿真，确定在不同摇晃致伤方式下脑组织损伤形成过程的生物力学数据。
37.所述结果确定模块3，包括：
38.数据处理单元，用于对所述生物力学数据进行处理；处理后的生物力学数据包括csdm
0.25
、hic
36
、mps、脑压力和vonmises应力。
39.结果确定单元，用于根据处理后的生物力学数据，确定不同摇晃致伤方式下成人摇晃综合征的发生部位、以及成人摇晃综合征的形成特点和成伤机制。
40.进一步地，所述结果确定单元，包括：
41.负荷曲线确定子单元，用于根据处理后的生物力学数据，确定不同摇晃致伤方式不同脑区的负荷曲线；所述负荷曲线的横坐标为时间，所述负荷曲线的纵坐标为负荷。
42.发生部位确定子单元，用于将所述负荷曲线和脑组织耐受阈值，确定不同摇晃致伤方式下成人摇晃综合征的脑组织损伤发生部位。
43.形成特点和成伤机制确定单元，用于根据处理后的生物力学数据确定应变云图，并根据应变云图确定不同摇晃致伤方式下成人摇晃综合征的形成特点和成伤机制。
44.基于三维运动捕捉系统中测得的摇晃动作参数作为有限元仿真的边界条件，使用已有的、经过全面有效性验证的人体有限元模型具有生物仿真度高、成本低、效率高以及重复性好的特点。成年男性的剧烈摇晃频率为3.2-6.8hz，在这些频率下，摇头可能会导致严重的脑损伤，因此将现实场景可能的致伤条件系统地加载到有限元假人模型，得到不同摇晃致伤方式下成人摇晃综合征的形成方式，从损伤生物力学角度为成人摇晃综合征的鉴定提供参考和依据。
45.实施例二
46.如图2所示，本发明实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括三维运动捕捉系统和有限元分析软件。所述有限元分析软件中设置有实施例一所述的脑损伤成伤机制仿真平台。
47.所述三维运动捕捉系统，用于：
48.记录的目标测试者的摇晃频率；所述摇晃频率范围为在设定时间内，所述目标测试者对手中砝码进行摇晃运动时产生的手部摇晃频率范围。
49.记录的目标测试者的位移-时间曲线；所述位移-时间曲线是根据目标测试者的头部运动轨迹确定的；所述头部运动轨迹为在设定时间内，所述目标测试者进行摇头实验时产生的运动轨迹。
50.所述三维运动捕捉系统用于获取成年男性测试者摇晃动作参数，并将所述成年男性测试者摇晃动作参数导入所述有限元分析软件的脑损伤成伤机制仿真平台中；所述成年男性测试者摇晃动作参数包括成年男性测试者摇晃动作的频率、振幅和位移-时间曲线。
51.三维运动捕捉系统设置有12个捕捉镜头，这些捕捉镜头环绕排列在表演场地，且这些捕捉镜头的视野重叠区域就是成年男性测试者的运动范围。为了便于处理，通常要求成年男性测试者穿上单色的服装，在成年男性测试者身体的关键部位，如关节、髋部、肘等位置贴上一些特制的“标记”，三维运动捕捉系统将识别和处理这些标记点。三维运动捕捉系统可以捕捉到成年男性测试者摇晃动作(例如摇头)的频率、振幅和位移-时间曲线。将捕获的信息加载到全人体有限元模型上，以作为真实有效的有限元仿真边界条件。
52.现在已有的国际广泛认可、广泛验证和应用的有限元假人模型，如丰田中心开发的thums4.0，5.0及6.0(the total human model for safety version4.0,5.0&6.0)模型，ghbmc(global human body models consortium)模型等；有限元前处理的软件，如ls-prepost(ansys,inc.)，ansys workbench(ansys，inc.)，hyperworks(altair engineering，inc.)等。
53.与现有技术相比，本发明实施例的技术效果如下：
54.1、基于计算力学和生物力学原理，仿真结果可靠且具有客观性、可重复性，可为司法鉴定工作提供科学的参考依据。
55.2、本发明使用的国内外极先进的动作捕系统，可有效地为有限元仿真提供边界条件。
56.3、本发明基于已有的、已经广泛验证的人体有限元模型，经过全面的有效性验证，具有较高的生物仿真度，仿真结果与真实情况近似。
57.4、本发明基于数字化假人模型，相比于尸体试验，具有可行性高、效率高、成本低、无医学伦理问题等优点。
58.5、结果表现形式清晰直观，既可通过常见的曲线图、数据表格反应损伤部位的指标变化，也可以通过应力、应变云图表示损伤发生的部位，还能通过动画形式直观展现成人摇晃综合征的形成过程。
59.6、可在同一模型上系统加载系列致伤条件矩阵，对比分析不同致伤条件形成损伤的特点，达到判别致伤方式的目的。
60.实施例三
61.本发明实施例以一真实案例应用为基础，探索成人摇晃综合征的的形成特点和成伤机制。使用三维运动捕捉系统来获得真实的摇晃振幅和摇晃频率，以重建更真实的脑损伤仿真结果。本发明实施例设计了一系列基于全人安全模型(thums)的有限元模型的模拟实验，即全人体有限元模型仿真实验，分析了成人摇晃综合征情况下摇晃方向、摇晃频率和重复摇晃效应与脑损伤之间的关系。同时还比较了在相同速度的冲击和摇晃载荷条件下脑组织损伤和成人摇晃综合征的差异，以识别成人摇晃综合征和评估脑组织损伤风险。
62.案例：一名男子，在12小时内被同一监室的其他室友反复摇晃(20多次)，每一次摇晃持续约0.3-2分钟。当天大约15点，这名男子表现出了不正常的行为，比如走路时摇晃，站立时不稳。这名男子在当晚大约23点时处于昏迷状态，同一间监室里的其他室友在大约0点时将其放置床上，之后无人监管。第二天早上5点，其他室友发现伤者生命体征也不稳定、神志昏迷，后马上被送往医院紧急治疗。医院检查示“左颞枕叶脑出血，硬脑膜下出血，蛛网膜下出血，脑疝”，后急诊下行“颅骨去骨瓣减压术和脑内血肿清除术”。手术后，他仍处于昏迷状态，10天后最终死亡。影像学表现如图3所示，图3中(a)显示左侧颞叶和枕叶有斑片状高密度区域，右侧枕叶侧脑室有小斑片状区域(水平面)，图3中(b)显示在左侧颞叶(矢状面)有较大的斑块状高密度区域，图3中(c)显示左侧颞叶血肿，贴近脑幕和颞骨(冠状面)，图3中(d)显示双侧视神经扭曲，图3中(e)显示显微镜下的脑出血(he，
×
100)，图3中(f)显示β-app免疫反应性轴突收缩球(he，
×
200)。影像学表现结果：左侧颞叶和枕叶较大斑片状高密度区域。左侧侧脑室可见血液铸型，右侧枕叶侧脑室可见小的斑块状区域，左侧颞骨下可见弧形高密度区域。脑中线明显向右偏移，脑水肿明显。双侧视神经扭曲，局部高密度影，左侧最为明显。尸检结果：左侧颞叶枕叶出血并进入侧脑室，左侧颞叶硬膜下出血，脑水肿，脑软化灶形成。在显微镜下观察到坠积性肺炎、脑出血和弥漫性轴索损伤(dai)。没有发现其他任何创伤、窒息或中毒的迹象。因此，需要确定脑出血的成伤机制(病理机制或创伤性机制)，以阐明死亡的方式。本发明实施例以此案例为基础，进行了一系列的仿真模拟。首先在三维运动捕捉系统中获得志愿者的实验参数作为仿真边界条件。其次在ls-prepost中加载经过有效性验证的全人体有限元模型，定义接触，设定仿真边界条件以仿真不同摇晃频率不同摇晃方向的场景，并生成k文件。接着用ls-dyna求解器计算求解，并将计算结果d3plot文件导入到ls-prepost中，提取和分析摇晃头部后的生物力学数据，预测不同摇晃致伤方式下是否发生成人摇晃综合征，以及其形成特点和成伤机制，具体步骤如下：
63.步骤一、使用三维运动捕捉系统为全人体有限元模型提供仿真边界条件。
64.(1)三维运动捕捉系统设置有12个捕捉镜头；在三维运动捕捉系统1000hz测量的精度下，14名成年男性志愿者(22-51岁)双手持1公斤的物体快速摇晃。每个成年男性志愿者摇晃3次，每次摇晃过程持续15秒，计算3次摇晃事件的平均频率。
65.(2)为了量化实际的头部摇晃幅度，选择了一名身高与受害者几乎相同的志愿者，
并根据受害者的坐姿和身高进行了摇头实验。在志愿者的耳骨和枕外突起上方的髂骨间上放置标记点，并使用三维运动捕捉系统记录头部的运动轨迹，包括前后(ap)、左右(lr)和左前-右后(larp)方向的头部轨迹，并提取了四种标记点在主运动方向上合成的位移-时间曲线。
66.图4中(a)和(b)显示头部标记点的位置，图4中(c)显示前后摇晃方向和左右摇晃方向的位移-时间曲线，图4中(d)显示左前右后摇晃方向下的位移-时间曲线。
67.步骤二、对已有的全人体有限元模型进行有限元计算，确定不同摇晃致伤方式下成人摇晃综合征的形成特点和成伤机制。
68.(1)在有限元前处理软件(如ls-prepost)中加载全人体有限元模型。
69.全人体有限元模型(身高175cm、体重77kg)解剖结构精细。其中，颅脑模型应包括具体的解剖结构，如三层颅骨结构、脑膜、上颚、大脑、小脑和脑干等结构。骨性结构应包含外板、内板和板障，以及颅底的主要孔裂结构。全人体有限元模型的网格质量要求：单元长度约3-5mm、翘曲≤50
°
、纵横比≤5、偏移≤60
°
、雅克比≥0.3。颅脑模型通过平动撞击实验(水平面)、平动转动撞击实验(矢状面)和平动撞击实验(冠状面)等实验验证其有效性。
70.(2)以相关案件资料作为理论依据，通过步骤一获得的参数，确定摇晃致伤方式。
71.在摇晃致伤过程中颅骨几乎没有变形，将颅骨视为刚体。眉间点和枕外隆突间的中点(与运动捕捉的合成点基本相同)作为位移-时间曲线的加载点。同时，通过关键词*constrained_nodal_rigid_body对额骨、颞骨、顶骨和枕骨的加载点和节点进行绑定(相当于一个结构)，加载头部摇晃数据。
72.根据14名志愿者的统计，成人剧烈摇晃的频率范围为3.2-6.8hz，摇晃的振幅为98.04
±
17.928mm。在测试过程中，志愿者握手时的最大线性加速度为90.1m/s2。模拟了4hz、5hz、6hz和7hz时的脑损伤反应以及前后(ap)、左(lr)和左前-右后(larp)方向的脑损伤反应并进行排列组合运算，共17种不同的摇晃致伤方式。
73.(3)设定计算时长及输出数据类型:设定计算时长为20ms和输出d3plot文件(间隔时间0.01ms)。
74.(4)将前处理生成的计算文件提交服务器。
75.(5)计算结果后处理。
76.将计算结果d3plot文件导入有限元后处理软件(如ls-prepost)，提取不同摇晃致伤方式下的csdm
0.25
、hic
36
、mps、脑压力、vonmises应力等生物力学数据，对比脑组织耐受阈值，预测成人摇晃综合征发生的可能部位，再结合应力、应变云图分析成人摇晃综合征的形成特点和成伤机制。其仿真结果见表1。
77.表1不同载荷条件下损伤标准的值
[0078][0079]
图5中(a)-(c)显示在ap方向上仿真的头部摇晃运动，图5中(d)显示ap摇晃条件下不同脑区的位移-时间曲线和加载曲线，图5中(e)-(g)显示在lr方向上仿真的头部摇晃运动，图5中(h)显示lr摇晃条件下不同脑区的位移-时间曲线和加载曲线，图5中(i)-(k)显示在larp方向上仿真的头部摇晃运动，图5中(l)显示larp摇晃条件下不同脑区的位移-时间曲线和加载曲线。
[0080]
图6中(a)显示患者脑内血肿的三维重建，显示其在颅腔内的相对位置，图6中(b)显示由ap方向摇晃引起的mps≧0.21的云图分布，图6中(c)显示由larp方向摇晃引起的mps≧0.21的云图分布，图6中(d)显示由lr方向摇晃引起的mps≧0.21的云图分布。
[0081]
根据仿真结果，mps的应变分布与该病例的病理和影像学解释相一致。有限元模拟重建了脑挫伤、出血过程。在ap矢状面，应变集中在颞叶下部(mps》0.21)，这与本例出血部位一致，表明这种摇晃致伤方式下会出现脑挫伤。
[0082]
由于没有一个仿真模拟计算出的hic
36
达到阈值，故这一矛盾现象可能表明，基于运动学的hic
36
值可以预测了整个头部的损伤风险，包括颅骨骨折、颅内出血和脑挫伤，而成人摇晃综合征主要由硬膜下出血、脑挫伤和dai组成。因此，hic
36
的阈值1040可能过高，无法评估摇晃致脑损伤的可能性。von mises应力在预测不同摇晃加载下的大脑响应并不敏感和有效，这可能是因为这些损伤指标和耐受极限并不是基于全人体有限元模型开发的。值得注意的是，在快速冲击条件下(碰撞、摔跌等)，脑压力与大脑和颅骨之间的局部压缩高度相关。因此，在ap方向的摇晃载荷下，持续时间较长，线性加速度不够高，不足以产生足够的脑压力而引起脑出血。mps和csdm
0.25
标准可以比较敏感、特异性地预测脑挫伤、出血，并可以区分摇晃载荷下脑损伤的损伤生物力学响应。由于csdm
0.25
的耐受极限为0.69，可以预测ais4+的解剖性脑损伤。根据表1，在高频率ap、larp和lr方向摇晃条件下，mps值表明大脑存在损伤的风险。根据csdm值，发现解剖性脑损伤只发生在高频率ap和larp负荷下。由此可
见，摇晃方向对脑损伤存在显著性影响。
[0083]
本发明表明利用三维运动捕捉系统和全人体有限元模型仿真分析成人摇晃综合征，从生物力学的角度，更直观、更客观地解释成人摇晃综合征成伤机制，推断损伤形成的条件，为成人摇晃综合征案例的法医学鉴定提供依据。
[0084]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0085]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。