生物力学在砍击成伤机制及行为分析中的应用探讨
肖晓飞1，吕 途2，郝卫亚3,*，石 屹2，王明直2,*，王 坚2，田雪梅2，武 斌2
（1. 滨州医学院，山东 烟台 264003；2. 公安部物证鉴定中心，北京 100038；3. 国家体育总局体育科学研究所，北京 100061）
摘 要: 在持刀砍击案件中，如何利用现场勘验调查信息，按照成伤规律与损伤机制，科学逆向溯源成伤行为过程、逻辑关联关键要素、系统构建成伤证据体系，是犯罪调查人员长期面临的难题。本文结合实际案例，梳理砍击成伤的生物力学要素，如伤人过程行为动力学、被害人组织损伤特征，提出使用生物力学、有限元仿真的方法，探索伤人行为的生物力学机制和重建分析关键技术方法。利用此研究成果将突破犯罪现场动态化数据重建的技术瓶颈，帮助案件侦办人员科学及时精准破案。
关键词: 生物力学；法医学；成伤机制；行为分析；砍伤
锐器伤人是他杀案件中的主要伤害类型，根据锐器类型及作用方式，锐器伤可以分为砍伤、刺伤、切伤、剪伤等类型，而砍伤则是锐器伤的主要类型之一[1]。文献调查表明，台湾2005～2009年间，法医鉴定中86.8%的死伤为锐器伤；德国每年伤害案例约有10%～20%是锐器伤[2]；加拿大14～19岁的青少年暴力犯罪致死案例中，锐器伤占了28%[3]；韩国1987～2008年间，276起凶杀案件中，刀是最常用的凶器（64.9%），年轻人多被锐器所杀害[4]；我国2001～2016年间31起典型的校园伤害案件中以砍击为手段的为21起，其中持刀砍击为主要方式[5]。因此，锐器伤人的比例较高，利用锐器进行暴力砍击的频发性的犯罪行为已严重威胁到社会稳定和群众生命安全，危害性极大[6]。
故意犯罪的他杀案件中，罪犯大多采用锐器伤人的方式，锋利的刀具伤及人体骨骼肌肉系统，必然会留下创口等。法医学评价个体伤害往往是基于尸体解剖，根据损伤的形态学特征（比如使用不同的锐器刺向骨头和软组织，然后评估穿透性损伤周围的骨头和软组织形态，确定锐器创伤的工具痕迹[7]），结合现场物证，给出的专家意见一般会包含损伤的类别及推测可能的致伤工具，事件可能的过程，为案件研判和法庭诉讼提供依据[8]。进一步探讨砍击死伤案件的各种统计数据，结合犯罪特征分析（如犯罪形态、凶器特征等），将有助于案件调查并预防同类案事件发生。然而，仅仅从作案工具痕迹的角度出发得出的对损伤的形态学观察数据，很多时候不易揭示致命伤害的动作及相关的生物力学机制，比如罪犯采用的刀具类型、伤害角度、伤害力量、如何造成致命性的伤害结果等。因此，亟需运用生物力学技术及实验模式来分析成伤行为中的致命要素，结合现场勘验物证，深化对成伤行为伤害机制的理解以及对案件过程的研判。
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1 锐器伤研究的基本现状及其关键要素
锐器的易得性，使得锐器杀人成为有目的伤害的首选方式，也是国内外同行持续研究的热点和难点。印度某高校法医系通过长达12年的跟踪调查发现，241起凶杀案中死于锐器伤害原因的约为37.8%[9]。伤害大多发生于头部、颈部、胸部、腹部、上肢、下肢等身体主要部位。锐器伤害中，84.6%的受害者被锐器刺杀，并且有25.3%的受害者出现致命性切割伤口。不同于钝器伤害常常集中于头部的单一攻击部位，锐器伤害的部位更分散，主要的伤害部位是胸部和腹部（损伤率分别约占72.5%和42.9%），此外，上肢由于防卫性阻挡，经常出现锐器切割伤（损伤率约占29.7%）[10]。该研究统计了锐器伤案件的伤害比例和伤害部位，却没有揭示成伤机制。锐器伤害案件发生后，通过勘验现场和检验人体损伤，法医等刑事技术人员根据受害人受害部位、损伤形态、损伤程度和损伤数量等信息，结合现场、物证等进行综合研判，去分析可能的案发过程。如果现场无嫌疑凶器遗留，推断致伤工具需要立足人体损伤信息，结合案发现场信息，参考调查信息，综合分析推断可能的致伤工具以及作案过程。实际案件中，由于现场环境多种多样，作案过程复杂多变，杀人工具形态各异，再加上作案人的攻击行为和被害人的防御、抵抗甚至反击行为相互作用，相互影响，因此单纯依据尸体损伤和现场痕迹分析揭示杀人行为中的力学机制的难度较大。尽管现有研究中，基于流行病学和法医学的原理、方法为砍击行为分析提供了研究热点和技术路径，但尚不能满足探索锐器伤成伤机制的研究需求。
3）借助于医学影像技术，建立人体主要部位的三维有限元模型，并进行模型有效性验证，然后基于人体砍创形态学的有限元仿真实验，分析不同的作用力、方向、锐器伤人角度等边界条件下，砍创部位可能出现的形态学特征，分析和提取成伤行为中重要人体伤害部位的关键力学信息，建立基于人体砍创形态学和主要生物力学特征的数据库。
2）三维运动学和动力学研究，使用假人开展模拟实验，以克服活体及尸体实验的局限性，基于颈部、胸部、四肢、背部、头部等人体主要部位，分析不同作用力、不同的砍击方向条件下，砍击伤人者和假人之间交互作用效果的生物力学特征，建立人体主要部位及对应动作的生物力学特征数据库。
2 砍击成伤机制及行为分析的实践需求
在侦查阶段，刑事技术人员通过现场勘查、尸体检验、物证检验，需要明确砍伤的受力点、受力方向、受力次数、力度大小，进而分析判断致伤工具、损伤程度、损伤时间和死亡原因。在有些情况下，技术人员会综合利用案件信息，进行作案人数、作案过程、作案动机、案犯刻画等方面的分析推断，达到提供侦查线索的目的。例如，在一起报复杀人案件中，通过分析两名死者的损伤特点发现，两人的致命伤均为颈部锐器伤，被害体位均符合仰卧位遭受攻击，工具作用方式均以砍、切为主。损伤反映出的相同杀人手法指向作案人数为一人，从而缩小了侦查范围。该案对于作案人数判断正是基于对砍伤部位、角度、形态等成伤机制相关方面的细致检验和规律总结。在诉讼阶段，如何完善证据以满足审判要求也是技术人员需要思考的问题。尤其在案件本身疑难或嫌疑人企图以狡辩逃避法律责任的情况下，通过致伤（包括砍击）行为的分析来完善证据链条，是重建案发现场，再现案发经过的重要手段。如在一起激情杀人案件中，案发地点位于私人办公室内，死者与嫌疑人为夫妻关系，案发过程的主要目击者又跳楼身亡，虽然嫌疑人被迅速抓获，但其对实施杀人行为的供述反复变化。案件成功告破，但诉讼存疑。此时，技术人员从死者砍伤入手，明确现场遗留的砍刀可以形成该损伤；接着对砍创的位置、数量、形态特点分析，发现死者颈、项部致命砍创符合在仰卧体位被砍击形成；结合现场信息，死者仰卧位置的地面发现嫌疑人多枚完整的血鞋印，嫌疑人裤子两条裤腿内侧近裆部有细小的击溅状血迹，以嫌疑人蹲在地面砍击死者颈、项部时形成解释较为合理。通过以上砍击行为的分析，间接证明了嫌疑人砍击死者的事实。尽管砍击成伤机制及行为分析在实际工作中具有重要价值，但受研究对象（人体）和研究手段的限制，该领域的实验设计与成果验证均有待深入。一方面，通过经验积累总结出的损伤分析模式与方法有赖于专业背景和个人领悟，推广范围有限，应用效果难以量化；另一方面，现阶段对于砍击行为的分析，通过语言描述仍比较抽象，专业人员之间可以交流，但非专业人士不容易理解。这限制了分析意见在诉讼过程中的证据能力和证明效果。因此，通过生物力学的研究方法，结合计算机科学、法医学、痕迹学等多学科的理论，实现砍击成伤机制及行为分析的数字化、标准化、可视化，具有重要的现实意义和研究价值。
3 砍击成伤机制及行为的生物力学应用
人员、人才、人力资源是企业生产与管理的重要因素，是企业实现绿色发展和低碳经济建设目标的根本前提。当前企业应该从人事制度、用人机制和人力资源管理等层面持续创新和系统完善，建立起适于低碳经济的企业管理制度体系，进一步规范市场化运行、结构性管理、功能化操作等相关环节，构建起符合低碳经济的企业人事管理新系统。
针对砍击成伤案件的现状，亟需研究砍创形态学指标与砍击动作之间的关联，分析和提取成伤行为中重要人体部位的生物力学特征。采用生物学、三维运动学、三维动力学、有限元仿真的方法采集砍击伤人过程中涉及到的动力学、组织损伤特征以及人体的运动学、动力学数据，通过建立对应的特征数据库，通过动作、动作结果也就是砍创形态的匹配，探索罪犯砍击伤人过程中的关键技术要素和重要损伤部位的生物力学规律。具体包括:
1）动物实验研究。关于砍击动物的实验研究，可以为人体砍击成伤形成过程与结果（砍创形态）提供极其有价值的借鉴[18]。选择与人体软组织和骨骼比较相似的动物的颈部、胸部、四肢、背部、头部等，使用砍刀，开展砍击伤人动作的实验研究，建立砍创形态和锐器伤人动作之间的关联数据库，即针对不同砍击部位、不同作用力、不同砍击角度、不同砍刀种类建立数据库，梳理锐器伤人动作、作用力、角度、部位与形态的对应关系。
通过以上传统方法与新兴手段的比较，可以发现锐器伤，尤其是砍伤研究中的关键要素。一是砍伤形态的准确辨识，即如何在人体多种损伤中分辨出砍击导致的损伤。这要从损伤的大小、形态、分布等要素加以分析。二是砍击致伤工具的分析推断，包括对工具的种类、数量、质地、刃数、刃宽、刃长、刃厚等形态细节及要素的把握。三是对砍击行为过程的重建，包括砍击的次数、角度、方向、力度、速度以及作案人与被害人的相互体位等要素。在某些情况下，甚至有必要进一步分析判断砍击行为人的个体特征，包括行为人的数量、性别、年龄、身高、生活习惯、职业特点等要素。以上四大方面的要素层层递进，相互关联，共同组成了砍伤研究的要素体系。
生物力学作为该领域新的研究手段，已经在一些相关研究中表现出积极贡献。经梳理案例，初步研究表明，骨质、刀痕角度与所用刀具之间的关系可以通过生物力学实验模式确立，产生的生物体工具痕迹验证技术，有助于厘清刀具类型、形状尺寸等因素，这些因素能够作为犯罪案件的侦查证据甚至判别死亡原因[9,11]。由于伦理道德限制和他杀案件现场存在大量的变量，往往很难采用真实人体实验测试并精确量化他杀事件中涉及的力学数据，动物实验成为研究中首选的替代方式。建立动物模型，选择与人体皮肤、软组织、骨骼比较接近的部位，开展模拟实验，可以测试不同的作案工具产生的创口形状、大小所对应的力学特征，从痕迹的角度反推作案工具的特征[7,12]，成为常规的实验手段。更重要的是，可量化的力学数据会给法医学家在法庭上提供论证他杀事件中力的程度的证据。通常，伤口尺寸、形态与罪犯通过凶器施加的作用力大小、凶器的形状以及几何尺寸有关。在锐器、玻璃等的刺杀案例研究中，采用生物力学量化的手段，通过专门设计的实验仪器，比如在刀、玻璃和手柄之间添加力传感器，然后通过实验采集刺杀过程中锐器和刺杀目标之间的接触力、能量数据。结果表明，115 J的刺杀能量，1000 N的刺杀力，可以对软组织产生严重伤害[13-15]。还有研究表明，锐器伤害中，切力、能量也是产生致命伤害的主要力学指标，1885 N的轴向力和69 J的能量即可对软组织产生严重伤害[16]。生物医学工程领域的学者采用有限元模型仿真的方式，计算锐器伤害案例中，穿刺力对皮肤等软组织的创伤形态的影响[17]。采用生物力学量化手段，通过实验测试冲击力、冲击速度、冲击区域、产生的伤害效果（如是否骨折等），可以分析犯罪工具的冲击速度、冲击位置等参数[18]。因此，生物力学技术的使用，如加速度传感器、力/力矩传感器、视频捕捉系统，可以直接量化和计算锐器伤害案件过程中法医学所关注的各关键要素，如锐器伤人损伤位置，伤害行为方式，受害者反抗行为方式等，理顺凶器类型和受害者之间的关系，有助于确定攻击行为模式[4,19]，从而揭示案发过程中致命伤害的力学特征。
4）建立现场勘验数据库，将罪犯和受害人的人体形态学参数、身体的创伤形态和尺寸，凶器的种类、尺寸、质量等信息，结合现场目击者提供的信息、摄像头采集的视频或图片信息，以及血液轨迹、物证位置坐标变换情况，作为研判的输入信息以及研判结果的对照验证性信息。
将动物实验的动力学参数、人体模拟实验的动力学参数以及有限元模拟实验的参数结合起来，观察各种砍击伤人动作的生物力学特征，建立对应的动作研判数据库，分析砍击伤人过程中各种可能因素（砍刀的位置、挥刀角度、刀接触受害者身体部位、刀与砍击部位的角度、砍击作用力大小、砍击能量等）与砍创的形态学特征之间的因果关系，为后期的研判分析提供证据。
4 小结
本文结合实际案例和基本理论分析，拟对模拟罪犯作案典型动作进行运动学采集和影像采集，获取三维运动学参数，获得成伤行为中人体力学反应，以及相关的动力学信息。与此同时，对采集的人体影像（CT/MRI）进行图像处理，三维重建，建立人体重要部位的几何模型和有限元模型。拟利用动物实验以及模拟砍击伤人动作获得的力/力矩驱动有限元模型完成载荷和边界条件分析，从而获得案犯砍击伤人典型动作的生物力学规律，通过提取关键的信息，对动作的动力学特征、重要部位损伤的特征进行综合分析。分析成伤行为中的生物力学要素以及关键技术，将有助于突破传统理论研究的方法和手段，突破犯罪现场缺乏有效影像证据的瓶颈，帮助办案人员快速锁定犯罪嫌疑人，节约经费，及时破案，保障社会安全。
纯电动船舶在储能系统的设计中，应综合考虑成本、功率限制、装置使用寿命、重量等多方面因素，因此该类纯电动船舶储能系统中复合储能装置的优化选型是一个多目标的优化问题。
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Biomechanical Analysis into the Slashing and Chopping Action and Injury
XIAO Xiaofei1, LÜ Tu2, HAO Weiya3,*, SHI Yi2, WANG Mingzhi2,*, WANG Jian2, TIAN Xuemei2, WU Bin2
(1. Binzhou Medical University, Yantai 264003, Shandong, China;2. Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China;3. China Institute of Sports Science, Beijing 100061, China)
ABSTRACT: When cases occur from knife slashing and chopping, criminal investigators are always puzzled about how to reappear the process of injuring actions scientifically and retroactively because such an endeavor will bring forward the systematic evidence of injury. Usually, the investigators will have extruded the injury mechanism and regularity by analyzing the key logic elements based on the survey information from the crime scene. Through real cases being combined, this paper tries to analyze the biomechanical factors in occurrence of slashing and chopping, with inclusion of the behavioral dynamics during injuring actions and the characteristic injury from victim’s tissue/organ, thereby building up the biomechanics andfinite element approach to explore the biomechanical mechanism of injuring actions and the key reconstructive technologies. Such an established approach will likely break through the technological bottleneck about reconstructing a>KEY WORDS: biomechanics; forensic medicine; injury mechanism; behavior analysis; chopping injury
中图分类号: DF795.4
文献标识码: A
文章编号: 1008-3650(2019)05-0395-04
基金项目: “十三五”国家重点研发计划重点项目（No.2017YFC080380205）
第一作者简介: 肖晓飞，男，山东威海人，博士，副教授，研究方向为生物力学。E-mail: xxf1013@126.com
* 通讯作者简介: 郝卫亚，男，陕西横山人，博士，研究员，研究方向为生物力学。E-mail: haoweiya@ciss.cn王明直，男，四川巴中人，学士，研究员，研究方向为现场调查和分析重建。E-mail: wang2008mingzhi@163.com
DOI: 10.16467/j.1008-3650.2019.05.004
收稿日期: 2018-10-24；修回日期:2019-04-22
引用本文 格式:肖晓飞，吕途，郝卫亚，等.生物力学在砍击成伤机制及行为分析中的应用探讨[J]. 刑事技术，2019,44(5):395-398.
标签：生物力学论文; 法医学论文; 成伤机制论文; 行为分析论文; 砍伤论文; 滨州医学院论文; 公安部物证鉴定中心论文; 国家体育总局体育科学研究所论文;