人体血管有限元建模及生物力学的研究进展与法医学应用

doi:10.12116/j.issn.1004-5619.2021.411103

法医学杂志 ›› 2023, Vol. 39 ›› Issue (5): 471-477.DOI: 10.12116/j.issn.1004-5619.2021.411103

人体血管有限元建模及生物力学的研究进展与法医学应用

曾勇¹^,²(), 邹冬华²^,³, 范颖²^,³, 徐晴⁴, 陶陆阳¹, 陈忆九²(), 李正东²()

^1.苏州大学苏州医学院基础医学与生物科学学院法医学系，江苏苏州 215000
^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 550004
^4.上海理工大学机械工程学院，上海 200063

收稿日期:2021-11-01 发布日期:2023-11-24 出版日期:2023-10-25
通讯作者: 陈忆九,李正东
作者简介:李正东，男，助理研究员，主要从事法医病理学研究；E-mail：lzdadv@163.com
陈忆九，男，教授，博士研究生导师、研究员，主要从事法医病理学研究；E-mail：chenyj@ssfjd.cn
曾勇（1996—），男，硕士研究生，主要从事法医病理学及法医损伤生物力学、有限元仿真研究；E-mail：1053496552@qq.com
基金资助:
国家重点研发计划资助项目(2022YFC3302002);上海市法医学重点实验室资助项目(21DZ2270800);司法部司法鉴定重点实验室资助项目;上海市司法鉴定专业技术服务平台资助项目;国家自然科学基金资助项目(82171872);上海市自然科学基金资助项目(21ZR1464600);中央级公益性科研院所资助项目(GY2021G-5)

Research Progress and Forensic Application of Human Vascular Finite Element Modeling and Biomechanics

Yong ZENG¹^,²(), Dong-hua ZOU²^,³, Ying FAN²^,³, Qing XU⁴, Lu-yang TAO¹, Yi-jiu CHEN²(), Zheng-dong LI²()

^1.Department of Forensic Science, School of Biology of Basic Medicine and Sciences, Suzhou Medicine College of Soochow University, Suzhou 215000, Jiangsu Province, China
^2.Shanghai Key Laboratory of Forensic Medicine, Shanghai Forensic Service Platform, Academy of Forensic Science, Ministry of Justice, Shanghai 200063, China
^3.School of Forensic Medicine, Guizhou Medical University, Guiyang 550004, China
^4.College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200063, China

Received:2021-11-01 Online:2023-11-24 Published:2023-10-25
Contact: Yi-jiu CHEN,Zheng-dong LI

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摘要/Abstract

摘要：

有限元法是求解工程问题近似解的一种数学方法，随着计算机技术的发展，已广泛应用于人体生物力学研究。将有限元法和生物力学技术应用于法医学血管损伤与疾病的关系以及病理机制探索是传统法医学的一次技术革新。本文综述了人体血管有限元模型的构建、发展历程及其在血管生物力学的研究进展，对其在法医病理学中的应用前景进行展望。

关键词: 法医病理学, 生物力学, 有限元法, 血管, 综述

Abstract:

The finite element method （FEM） is a mathematical method for obtaining approximate solutions to a wide variety of engineering problems. With the development of computer technology， it is gradually applied to the study of biomechanics of human body. The application of the combination of FEM and biomechanics in exploring the relationship between vascular injury and disease， and pathological mechanisms will be a technological innovation for traditional forensic medicine. This paper reviews the construction and development of human vascular FEM modeling， and its research progress on the vascular biomechanics. This paper also looks to the application prospects of FEM modeling in forensic pathology.

Key words: forensic pathology, biomechanics, finite element method, vascular, review

中图分类号:

曾勇, 邹冬华, 范颖, 徐晴, 陶陆阳, 陈忆九, 李正东. 人体血管有限元建模及生物力学的研究进展与法医学应用[J]. 法医学杂志, 2023, 39(5): 471-477.

Yong ZENG, Dong-hua ZOU, Ying FAN, Qing XU, Lu-yang TAO, Yi-jiu CHEN, Zheng-dong LI. Research Progress and Forensic Application of Human Vascular Finite Element Modeling and Biomechanics[J]. Journal of Forensic Medicine, 2023, 39(5): 471-477.

图/表 1

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颈总动脉	LS-DYNA	28 196个六面体单元	Mooney-Rivlin模型	ρ_s=1.00 g/cm3、K=2.71×10³、 γ=5.20、E=0.236 N/mm2	[19]
全主动脉	ANSYS	-	Ogden模型	ρ_s=1.00 g/cm3、η=0.004 Pa?s	[20]
主动脉弓	ANSYS	14 707个四面体单元	-	E=3 MPa、γ=0.49	[21]
主动脉弓	ABAQUS	18 000~20 000个三角形单位（9 000~10 000个节点）	-	E=3 MPa、γ=0.46	[22]
腹主动脉	BioDyn	2 000 000～2 500 000个四面体单元	Ogden模型	ρ_s=1.05 g/cm3	[23]
全主动脉	ANSYS	-	-	ρ_s=1.03 g/cm3、η=0.003 5 Pa?s、壁面密度=2.0×103 kg/m3、 E=1.08 MPa、γ=0.45	[24]
腹主动脉	ANSYS	146 858个六面体单元	超弹性模型	ρ_s=2.0 g/cm3、E=0.352 9 MPa、 η=0.003 5 Pa?s、γ=0.45	[25]
腹主动脉	COMSOL	13 832个域单元，9 324个边界单元，1 035个边单元	-	ρ_s=1.121 g/cm3、E=2.7 MPa、 γ=0.45	[26]
全主动脉	LS-DYNA	-	线弹性模型	ρ_s=1.20 g/cm3、E=8.87 MPa、 γ=0.4	[27]
腹主动脉	LS-DYNA	49 920个六面体单元、 137 052个四面体单元	Ogden-Holzapfel 模型	ρ_s=1.05 g/cm3、K=2.4 GPa	[28]
冠状动脉	ANSYS	2 202 803个四面体单元（424 228个节点）	-	ρ_s=1.06 g/cm3、η=0.003 7 Pa?s	[29]
全主动脉	LS-DYNA	-	黏弹性模型	ρ_s=1.20 g/cm3、E=0.5 MPa、γ=0.4	[30]
全主动脉	LS-DYNA	12 296个四面体单元	超弹性模型	ρ_s=1.05 g/cm3、η=0.004 5 Pa?s、 K=2.5 GPa	[31]
全主动脉	LS-DYNA	4 118个四面体单元（1 310个节点）	Ogden模型	ρ_s=1.2 g/cm3、E=1 000 kPa、 γ=0.45、G=（137±18） kPa	[32]

部位	有限元软件	单元数量	材料模型	材料属性	参考文献
主动脉弓	LS-DYNA	7 355个四面体单元（4 281个节点）	Blatz-Ko模型	ρ_s=1.00 g/cm3、G=10 MPa、 E=1.0 MPa、γ=0.45	[18]
颈总动脉	LS-DYNA	28 196个六面体单元	Mooney-Rivlin模型	ρ_s=1.00 g/cm3、K=2.71×10³、 γ=5.20、E=0.236 N/mm2	[19]
全主动脉	ANSYS	-	Ogden模型	ρ_s=1.00 g/cm3、η=0.004 Pa?s	[20]
主动脉弓	ANSYS	14 707个四面体单元	-	E=3 MPa、γ=0.49	[21]
主动脉弓	ABAQUS	18 000~20 000个三角形单位（9 000~10 000个节点）	-	E=3 MPa、γ=0.46	[22]
腹主动脉	BioDyn	2 000 000～2 500 000个四面体单元	Ogden模型	ρ_s=1.05 g/cm3	[23]
全主动脉	ANSYS	-	-	ρ_s=1.03 g/cm3、η=0.003 5 Pa?s、壁面密度=2.0×103 kg/m3、 E=1.08 MPa、γ=0.45	[24]
腹主动脉	ANSYS	146 858个六面体单元	超弹性模型	ρ_s=2.0 g/cm3、E=0.352 9 MPa、 η=0.003 5 Pa?s、γ=0.45	[25]
腹主动脉	COMSOL	13 832个域单元，9 324个边界单元，1 035个边单元	-	ρ_s=1.121 g/cm3、E=2.7 MPa、 γ=0.45	[26]
全主动脉	LS-DYNA	-	线弹性模型	ρ_s=1.20 g/cm3、E=8.87 MPa、 γ=0.4	[27]
腹主动脉	LS-DYNA	49 920个六面体单元、 137 052个四面体单元	Ogden-Holzapfel 模型	ρ_s=1.05 g/cm3、K=2.4 GPa	[28]
冠状动脉	ANSYS	2 202 803个四面体单元（424 228个节点）	-	ρ_s=1.06 g/cm3、η=0.003 7 Pa?s	[29]
全主动脉	LS-DYNA	-	黏弹性模型	ρ_s=1.20 g/cm3、E=0.5 MPa、γ=0.4	[30]
全主动脉	LS-DYNA	12 296个四面体单元	超弹性模型	ρ_s=1.05 g/cm3、η=0.004 5 Pa?s、 K=2.5 GPa	[31]
全主动脉	LS-DYNA	4 118个四面体单元（1 310个节点）	Ogden模型	ρ_s=1.2 g/cm3、E=1 000 kPa、 γ=0.45、G=（137±18） kPa	[32]

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人体血管有限元建模及生物力学的研究进展与法医学应用

Research Progress and Forensic Application of Human Vascular Finite Element Modeling and Biomechanics

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