颅脑损伤是常见的死亡原因，多由高坠、摔跌、交通事故以及击打头部等所致，鉴别颅脑损伤成伤机制是法医学实践的重要内容，以辅助推断死亡方式是自杀、他杀还是意外，对认定案件性质极为重要^[1]。而目前对成伤机制的鉴定主要依赖鉴定人员的主观经验判断，由于鉴定人的认知水平不一致，且个体差异及不同致伤方式造成的颅脑损伤可以呈现相同或相近的损伤形态，加之案件的发生存在未知性和复杂性，使得颅脑损伤成伤机制的鉴定常存在争议，成为法医学鉴定领域的难点问题。因此，探索一种客观、可量化的方法重建损伤过程，分析成伤机制和致伤方式，对推断死亡方式，判定案件性质及辅助案件侦办具有重要意义。

有限元法是由加州大学伯克利分校的CLOUGH教授于1957年提出的一种数学方法^[2]，用于求解物理和工程学中的复杂问题，其核心思想是将连续介质物理系统离散为有限数量的单元，并为每个单元建立对应的几何模型和方程，通过求解方程组得到整个系统的近似解。随着计算技术的不断进步，有限元法已逐渐成为生物力学领域仿真人体结构力学功能研究的关键手段。相较于传统生物力学试验，有限元法具有操作简便、变量可控、可重复模拟和不受伦理限制等优势^[3]。此外，该方法还支持根据具体案例设计个性化模型，从而使模拟的损伤分析更符合实际案例情况^[4]。目前，有限元模型已用于国内外法医学领域的成伤机制研究。LI等^[5]结合三维运动捕捉与有限元模拟，成功重建了一起真实的成人摇晃综合征（shaking adult syndrome，SAS）案例，系统分析了不同频率和幅度的头部摇晃所引起的脑组织损伤响应过程，以探究SAS引起脑出血的成伤机制，提出4 Hz以上的摇晃即可导致脑挫伤、出血，且在矢状及斜向方向的摇晃更易引起脑挫伤；GRINDLE等^[6]构建了坐轮椅行人与车辆碰撞的有限元模型，通过模拟坐轮椅行人碰撞车辆的不同接触位置、行人在轮椅上的不同坐姿及不同车速条件下的人车碰撞，分析交通事故中坐轮椅行人死亡率远高于站立行人的原因，得出坐轮椅行人更易发生颅脑损伤的结论。因此，有限元法在研究人类颅脑损伤的成伤机制方面展现出独特的价值。

本研究运用有限元法对1例致伤方式存疑的颅脑损伤案例进行损伤模拟，比较在不同枕部着地速度下的颅骨和脑组织等效应力曲线、分布云图和对冲侧颅内压数据，从颅骨骨折风险、脑组织损伤特征和应力传导特征等生物力学角度，分析颅脑损伤的损伤生物力学成伤机制，拟为法医学鉴定提供量化的鉴定依据。

死者为老年女性，被发现时呈仰卧位躺于某郊区水泥路面上，案发时间估计为凌晨3时许，案发现场位于监控盲区。经走访调查，了解到死者有精神病史，有路人称隐约看到有人猛踹死者致其倒地，但无法提供详细情况。通过调取附近监控录像，确认有一名男子在案发时段曾出现在现场周边。经询问，该男子承认曾与该女性发生过拉扯和推搡，但否认有踢踹行为。

尸表检查见顶枕部头皮擦挫伤（图1A），躯干及四肢未见明显皮肤损伤。解剖见颅骨人字缝部分哆开，矢状缝骨折哆开，顶骨左侧自人字缝至矢状缝见6.00 cm线性骨折，沿矢状缝向前延伸至额骨，颅前窝及颅后窝左侧局部骨折（图1B）；双侧额颞顶部广泛性蛛网膜下腔出血（图1C）；左侧额叶片状脑挫伤（图1D）；右侧额叶多发脑挫伤（图1E）；双侧颞叶底部多处脑挫伤（图1F），脑室内可见少量积血。上述头皮损伤未见工具类致伤物接触面特征，符合钝性外力作用所致，其颅脑损伤具有减速性运动致冲击-对冲伤特点。

案件焦点：进一步证实死者颅脑损伤符合摔跌伤特征，分析死者系意外跌倒还是受外力作用造成的摔跌。

本研究已获得司法鉴定科学研究院伦理委员会审批（审批编号：2023-2），未侵犯死者及家属的合法权益，遵循尊重生命、公正透明的伦理原则。

采用丰田汽车公司研发的开源THUMS 4.02（Total Human Model for Safety 4.02）50百分位站立位人体模型^[7]。该模型基于身高173 cm、体质量77.30 kg的成年男性开发。本案例死者身高170 cm、体质量75 kg左右，与模型相近。通过加载不同的摔跌速度，可在组织水平模拟颅脑不同组织的损伤生物力学响应结果^[8]。

采用三维建模软件SolidWorks（法国Dassault Systèmes公司）和有限元建模分析软件Hypermesh^®（美国Altair公司）构建几何模型并进行网格划分。采用LS-DYNA R11软件和LS-PrePost前后处理软件（美国ANSYS LS-DY­NA公司）进行仿真分析^[9]。将THUMS人体有限元模型与仿真现场的地面结合并调整位置，为后期实验提供完整的仿真模型^[7]。

根据现场情况、死者损伤特点构建本案例有限元仿真模型。

外力作用部位：死者头皮损伤集中在顶枕部，提示外力作用主要在此部位，因此将枕部区域设定为仿真的着地部位。

着地初速度：由于本研究案例的焦点是分析死者摔跌原因是否由外力作用造成，因此设计无外力作用和受外力作用两种情况的着地速度。第一种是无外力作用的情况，系意外平地跌倒，模拟人体直接向后摔倒至地面的运动模式，通常发生于未对跌倒做出快速反应的情况，其运动形态为类单摆运动^[10]（图2）。根据自由落体运动能量守恒定律mgh=12mv²推算死者接触地面时的初速度，h为173 cm的人体模型重心到地面的垂直距离^[11]，得出在自由摔跌时枕部着地速度为4.18 m/s。第二种是有外力作用的情况，在本案例中死者可能受到的外力作用是与人发生拉扯和推搡，所受力度相对较弱，基于无外力作用时4.18 m/s的着地速度，设定模拟受外力作用情况下的着地速度为5.00、5.50和6.00 m/s。

根据现场勘验结果，死者摔跌的地面为平整的水泥地面。在SolidWorks软件中建立长2.00 m、宽0.80 m、厚0.02 m的几何模型，将其以igs格式文件导入Hypermesh软件中进行网格划分。采用扫掠法（solid map）将该模型划分为六面体网格，划分完成后共计8 000个单元，12 393个节点。将该网格模型以k格式文件输出，并导入LS-PrePost软件中，并从素材库中调用111号材料（Material Model 111：JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE Model），为其赋予水泥材料特性，设置“*SECTION_SOLID”关键字将模型定义为实体单元，完成地面有限元模型的构建。

在LS-PrePost软件中将构建的地面有限元模型和THUMS人体有限元模型进行装配，固定地面模型并调整两模型相对位置，确保人体仰卧于地面，设置人体与地面为面-面接触，摩擦系数为0.40。在人体模型上分别加载4.18、5.00、5.50和6.00 m/s的初始速度，并通过LS-DYNA软件对四种工况进行求解，利用LS-PrePost软件进行数据后处理，提取四组等效应力云图和等效应力曲线进行生物力学分析（图3）。

枕部以不同速度着地后颅骨的等效应力云图（图4）显示，当着地速度为4.18 m/s时，枕骨最大等效应力为1.67×10² MPa，枕骨受冲击部位出现应力集中区，存在产生凹陷性轻微骨折的风险。当着地速度为6.00 m/s（受外力作用摔跌）时，枕骨的最大等效应力增大至1.93×10² MPa，颅骨应力集中区域沿人字缝向颞骨、顶骨传导。四组颅骨等效应力曲线（图5）对比显示，颅骨等效应力与着地速度呈正相关，着地速度越大，枕部骨折的风险和影响区域越大。

对比四种工况下脑组织等效应力曲线和等效应力云图（图6~7）显示，脑组织最大等效应力随着地速度的升高呈近似线性上升趋势，同一速度下脑组织最大等效应力显著低于颅骨最大等效应力，表现为典型的对冲性损伤力学响应特征（图6）。当着地速度为4.18 m/s时，脑组织应力集中区域主要在枕叶及端脑后侧，最大等效应力为7.61×10^-3 MPa（图7）。随着地速度的增加，枕部着地的脑组织等效应力不断增大，当着地速度为6.00 m/s时，脑组织应力集中区域范围扩展至胼胝体压部的下侧，最大等效应力为1.17×10^-2 MPa（图7）。

仿真结果显示，在水泥平地上，无外力作用以人体枕部着地的摔跌，可能产生轻微凹陷性骨折，脑组织损伤概率较低；受外力作用人体摔跌枕部着地时，枕骨产生凹陷性骨折的风险和区域均会增大，应力集中区域沿人字缝向颞骨、顶骨传导，与尸体检验中“颅骨人字缝部分哆开”“矢状缝骨折哆开”等特征相符（图1B），可造成中度脑组织损伤，脑组织应力集中部位由枕叶及端脑后侧扩大至额颞顶部，与尸体检验中“两侧额颞顶部广泛性蛛网膜下腔出血”“两侧额叶脑组织挫伤、出血”等特征相符（图1C~F）。

为全面、客观地展示人体颅脑损伤情况，本研究还检测了摔跌后颅脑着力点对冲侧颅内压。摔跌所致脑损伤以冲击-对冲伤为特征，典型的对冲伤主要分布于额颞叶，特别是两侧的额颞极和前端脑底部。在人体仿真摔跌模型中，分别提取着地速度为6.00 m/s的枕部、额部、额颞部等着地对冲部位的颅内压时程曲线（图8），结果表明摔跌不仅会导致着力部位的脑损伤，还可能引起颅底其他部位的脑损伤，特别是额颞部的挫伤、出血。这一结果与颅脑额颞部等效应力云图（图9A）和尸体检验所示结果相一致（图9B~C）。

颅脑损伤是由外力作用于头皮、颅骨和脑组织引起的损伤，常见于高坠、摔跌、交通事故和钝性外力击打等情况，是法医学鉴定中常见的机械性损伤类型。根据尸体检验结果，本研究案例符合减速性运动致颅脑损伤死亡，结合案情及勘验结果，由摔跌引起损伤的可能性较大。摔跌是高坠的一种特殊形式，一般是人体在未离开地面的情况下摔倒形成，所形成的损伤虽然具有一定的典型性，但其机制往往较为复杂，比如受外力作用所致摔跌（如被公交车剐蹭摔跌、撕扯过程中被人带倒、打斗中跌倒等）引发的颅脑损伤与意外摔跌所致颅脑损伤，在损伤程度、分布特点上基本相同^[12-14]。因此，对于案情不明确、缺乏相关人证或视频证据明确死者摔跌原因的案件，仅凭损伤的形态学改变和鉴定人员的经验难以客观判定颅脑损伤的致伤方式是意外还是受外力因素干扰，导致鉴定意见存在争议，甚至影响案件性质的判断。

动物实验、人尸体实验和物理模型实验是研究损伤成伤机制的常用方法。YOGANANDAN等^[15]通过对尸体头颅的撞击试验得出不同撞击部位下颅脑的力学指标参数；KILBOURNE等^[16]通过对大鼠颅骨前方施加冲击力构建大鼠闭合性颅脑损伤模型，研究颅脑损伤后的组织病理表现。但这些方法均存在诸多限制和弊端，如人尸体试验是研究成伤机制最直接有效的方法，但样本获取受限导致试验难以广泛开展，且由于个体差异，不同样本的损伤结果也不尽相同。动物颅脑结构与人体颅脑结构存在差异，难以准确反映人类真实的颅脑损伤响应。因此寻找能更客观、直观和准确地反映损伤成伤方式的新方法势在必行。

随着三维CT重建技术与有限元模型的发展，通过数值模拟开展仿真试验成为研究此类问题的突破方向。采用构建与实际案例相对应的人体有限元模型（身高、体质量等），进行人体损伤的生物力学分析，可有效模拟人体损伤过程，解释不同外力条件下人体损伤生物力学特征，同时减少个体差异对伤情的影响，最大程度还原案例中人体可能发生的损伤情况，清晰直观地解释损伤过程和力学成伤机制，为法医学颅脑损伤的致伤原因分析提供客观的理论依据，满足科学证据客观量化的要求。

本研究针对传统法医学尸体检验难以明确致伤方式的难题，开展了颅脑损伤生物力学分析，通过探究不同致伤方式的颅脑成伤机制，推断死者的摔跌是否曾受外力作用。研究首先对死者进行了人体数据的固定和致伤条件分析，基于THUMS有限元模型构建了人体不同着地初速度的平地摔跌颅脑损伤模型，以此模拟人体无外力作用和受外力作用摔跌两类颅脑损伤工况。通过提取颅骨等效应力、脑组织等效应力时程曲线及对冲侧脑颅内压等生物力学参数，定量分析颅脑损伤成伤机制，发现受外力作用下的摔跌（着地速度6.00 m/s）可引发中度脑组织损伤，造成的颅脑损伤与实际损伤特征相符合，而无外力作用的平地摔跌（着地速度4.18 m/s）脑组织损伤概率低且多为轻度，无法达到实际案例的损伤程度，据此排除死者自己摔倒受伤的可能，考虑死者生前系受外力作用跌倒致颅脑损伤死亡。

本研究以摔跌后颅脑损伤为研究对象，利用有限元法模拟损伤，并结合传统法医学对损伤特征进行了对比，尽管取得了一定的结果，但仍有不足之处。首先，由于颅脑本身的复杂性以及个体差异，虽然现存的有限元模型越来越精细，但也避免不了一定程度的简化，与实际情况存在偏差，如本研究使用的THUMS有限元人体模型为50百分位的男性模型，相较于案例中的老年女性更为健壮，生物反应也存在差异，虽然可以在一定程度上反映摔跌后颅脑损伤情况，但仍存在误差，后续需要开展各年龄段人体模型的数据采集及建模，完善模型库，通过改变材料属性、几何结构、调整边界条件和考虑病理变化等全面调整、优化THUMS模型，更好地反映老年人的颅脑特性。其次，由于本案例死亡原因是颅脑损伤，尸体损伤最严重区域为枕部，所以选用了刘晞^[10]在人体跌倒头部伤害评估模型研究中仿真模拟跌倒统计量最多且头部最先着地的“类单摆运动”方式（图2），可能无法完全还原真实的摔跌过程，但能在一定程度上分析和解释本案被鉴定人摔跌死亡的过程。

尽管有限元数值模拟技术还无法实现对实际案例的完全模拟，但其具有操作简单、变量可控、计算精准和过程可视等优势，可高效辅助传统法医学鉴定，使分析意见更加科学、客观、成伤机制更可视、易懂，为综合判断损伤性质、解答家属疑问和化解社会矛盾等提供重要支持。