Цель работы – описание методики математического моделирования механизмов образования повреждений органов брюшной полости методом конечно‑элементного анализа. Для математического моделирования механизмов образования повреждений органов брюшной полости в условиях их подвижности и фиксации при тупой травме планируется построить анатомически корректные трёхмерные модели биомеханического комплекса, включающего нижние отделы грудной клетки, поясничный отдел позвоночника, кости таза, а также селезёнку, печень, поджелудочную железу и основные связочно‑сосудистые структуры. Геометрия органов формируется на основе данных КТ‑исследований и литературных морфометрических данных. Моделирование выполняется в среде эксплицитной динамики с заданием нелинейных упруговязких свойств тканей по данным экспериментальных и справочных источников. Рассматриваются два состояния органов: «подвижный орган» (пустой желудок, низкий тонус мышц передней брюшной стенки) и «фиксированный орган» (наполненный желудок, вдох, напряжённая передняя брюшная стенка). Далее проводится серия виртуальных ударных воздействий различной силы и направления с оценкой повреждения тканей на основе распределения эквивалентных напряжений и деформаций. Предлагаемая методика моделирования позволяет исследовать принципиальные различия в механизмах повреждения органов брюшной полости в условиях их подвижности и фиксации и может быть использована для последующей формализации диагностических критериев судебно‑медицинской оценки силы и условий травмирующего воздействия. На основе результатов моделирования в дальнейшем может быть сформирована матрица соответствия типа повреждения и вероятных условий травмы, пригодная для использования в судебно‑медицинской практике как вспомогательный инструмент интерпретации повреждений.
The objective of this study is to describe a methodology for mathematical modeling of the mechanisms of abdominal organ injury using finite element analysis. To mathematically model the mechanisms of abdominal organ injury under conditions of mobility and fixation during blunt trauma, it is planned to construct anatomically correct three-dimensional models of a biomechanical complex including the lower thorax, lumbar spine, pelvic bones, as well as the spleen, liver, pancreas, and major ligamentous-vascular structures. The organ geometry is formed based on CT data and literary morphometric data. Modeling is performed in an explicit dynamics environment with the specification of nonlinear viscoelastic properties of tissues based on experimental and reference data. Two organ states are considered: a "mobile organ" (empty stomach, low muscle tone of the anterior abdominal wall) and a "fixed organ" (full stomach, inhalation, tense anterior abdominal wall). A series of virtual impacts of varying strength and direction are then applied, with tissue damage assessed based on the distribution of equivalent stresses and strains. The proposed modeling methodology allows for the investigation of fundamental differences in the mechanisms of injury to abdominal organs under conditions of mobility and fixation and can be used to subsequently formalize diagnostic criteria for forensic assessment of the force and conditions of traumatic impact. Based on the modeling results, a matrix of correspondence between the type of injury and probable injury conditions can be generated, suitable for use in forensic practice as an auxiliary tool for injury interpretation.
1. Coccolini F., Fugazzola P., Morganti L. et al. The World Society of Emergency Surgery (WSES) spleen trauma classification: a useful tool in the management of splenic trauma // World J. Emerg Surg. 2019. Vol. 14. Р. 30. DOI: 10.1186/s13017-019-0246-1.
2. Kozar R. A., Crandall M., Shanmuganathan K., Zarzaur B. L., Coburn M., Cribari C., Kaups K., Schuster K., Tominaga G. T. AAST Patient Assessment Committee. Organ injury scaling 2018 update: Spleen, liver, and kidney // Journal of Trauma and Acute Care Surgery. 2018. Vol. 85. № 6. P. 1119-1122. DOI: 10.1097/TA.0000000000002058.
3. Пиголкин Ю. И., Дубровина И. А., Дубровин И. А., Шестаков А. М. Судебно-медицинская классификация повреждений печени при тупой травме живота. Судебно-медицинская экспертиза. 2012. Т. 55. № 5. С. 8‑10.
4. Stassen N. A., Bhullar I., Cheng J. D., Crandall M. L., Friese R. S., Guillamondegui O. D, Jawa R. S., Maung A. A., Rohs T. J. Jr., Sangosanya A., Schuster K. M., Seamon M. J., Tchorz K. M., Zarzaur B. L., Kerwin A. J. Selective nonoperative management of blunt splenic injury: an Eastern Association for the Surgery of Trauma practice management guideline // Journal of Trauma and Acute Care Surgery. 2012. Vol. 73. № 5 (Suppl 4). Р. S294-300. DOI: 10.1097/TA.0b013e3182702afc.
5. Coccolini F., Coimbra R., Ordonez C., Kluger Y., Vega F., Moore E. E., Biffl W., Peitzman A., Horer T., Abu-Zidan F. M., Sartelli M., Fraga G. P., Cicuttin E., Ansaloni L., Parra M. W., Millán M., DeAngelis N., Inaba K., Velmahos G., Maier R., Khokha V., Sakakushev B., Augustin G., di Saverio S., Pikoulis E., Chirica M., Reva V., Leppaniemi A., Manchev V., Chiarugi M., Damaskos D., Weber D., Parry N., Demetrashvili Z., Civil I., Napolitano L., Corbella D., Catena F.; WSES expert panel. Liver trauma: WSES 2020 guidelines // World Journal of Emergency Surgery. 2020. Vol. 15. № 1. Р. 24. DOI: 10.1186/s13017-020-00302-7.
6. Yoganandan N., Shah A., Koser J., Stemper B. D., Somberg L., Chancey V. C., McEntire J. Behind Armor Blunt Trauma: Liver Injuries Using a Live Animal Model // Military Medicine. 2024. № 189 (Suppl 3). Р. 659-664. DOI: 10.1093/milmed/usae214.
7. Biffl W. L., Ball C. G., Moore E. E., West M., Russo R. M., Balogh Z. J., Kornblith L., Castelo M. WTA Multicenter Trials Group on Pancreatic Injuries. Current use and utility of magnetic resonance cholangiopancreatography, endoscopic retrograde cholangiopancreatography, and pancreatic duct stents: A secondary analysis from the Western Trauma Association multicenter trials group on pancreatic injuries // Journal of Trauma and Acute Care Surgery. 2023. Vol. 95. № 5. Р. 719-725. DOI: 10.1097/TA.0000000000003990.
8. Al-Thani H., Ramzee A.F., Al-Hassani A., Strandvik G., El-Menyar A. Traumatic Pancreatic Injury Presentation, Management, and Outcome: An Observational Retrospective Study From a Level 1 Trauma Center // Frontiers in Surgery. 2022. № 8. Р. 771121. DOI: 10.3389/fsurg.2021.771121.
9. Budday S., Ovaert T. C., Holzapfel G. A., Steinmann P., Kuhl E. Fifty Shades of Brain: A Review on the Mechanical Testing and Modeling of Brain Tissue // Archives of Computational Methods in Engineering. 2020. Vol. 27. № 4. P. 1187-1230. DOI: 10.1007/s11831-019-09352-w.
10. Iraeus J., Brolin K., Pipkorn B. Generic finite element models of human ribs, developed and validated for stiffness and strain prediction - To be used in rib fracture risk evaluation for the human population in vehicle crashes // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2020. № 106. Р. 103742. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2020.103742.
11. Cebull H. L., Rayz V. L., Goergen C. J. Recent Advances in Biomechanical Characterization of Thoracic Aortic Aneurysms // Front. Cardiovasc. Med. 2020. № 7. Р. 75. DOI: 10.3389/fcvm.2020.00075.
12. Zhu J., Su Y., Liu Z., Liu B., Sun Y., Gao W., Fu Y. Real-time biomechanical modelling of the liver using LightGBM model // International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 2022. Vol. 18. № 6. Р. e2433. DOI: 10.1002/rcs.2433.
13. Morrison O., Destrade M., Tripathi B. B. An atlas of the heterogeneous viscoelastic brain with local power-law attenuation synthesised using Prony-series // Acta Biomaterialia. 2023. № 169. Р. 66-87. DOI: 10.1016/j.actbio.2023.07.040.
14. Yamada H. Strength of Biological Materials. Baltimore: Williams & Wilkins; 1970. 297 р. ISBN-10: 0683093231.
15. Walilko T. J., Viano D. C., Bir C. A. Biomechanics of the head for Olympic boxer punches to the face // British Journal of Sports Medicine. 2005. Vol. 39. № 10. Р. 710-719. DOI: 10.1136/bjsm.2004.014126.
16. Atha J., Yeadon M. R., Sandover J., Parsons K. C. The damaging punch. British Medical Journal (Clinical Research Edition). 1985. Vol. 291. № 6511. Р. 1756-1757. DOI: 10.1136/bmj.291.6511.1756.