尸体早期PMI推断模拟计算的相关物理

尸体早期PMI推断模拟计算的相关物理
作者：刘东冯珣王锦辉
来源：《昆明民族干部学院学报》2016年第08期
【摘要】数值模拟法是推断尸体死亡时间（PMI）研究的新趋势，本文在调研文献的基础上，介绍了人体及尸体温度数值模拟的研究现状；给出描述尸体传热学性质的物理模型和数学表达公式；建立了尸体冷却计算的流程。

计算中关注初始温度影响、尸体冷却方式的表达。

提出用现场一段时间的肛温连续测量数据作为目标函数，实现Workbench软件平台上优化PMI 模拟结果的方法。

【关键词】死亡时间，数值模拟，热对流和辐射
序言
命案侦破中，PMI的推断一直是法医学研究的热点、难点。

准确地推断PMI，能为分析犯罪现场提供重要依据和更多线索。

PMI推断，从利用尸冷、尸斑、尸僵、超生反应等尸体现象、胃内容物的消化程度、尸食性昆虫的发展规律，到生物化学、分子生物学等方法的应用，使其研究取得了巨大进展。

无论各种方法，都涉及尸体组织特性随尸温的缓慢变化，因此，基于尸冷的PMI法，是一种基本的实用方法。

德国的G.Mall用有限元法模拟尸冷过程，使推断精度进一步提高。

与此同时，出自服装设计、采暖和航天领域的人体热舒适度的深入研究，给尸温冷却的数值模拟带来了新的生机。

下面节1介绍人体和尸体的模拟现状，节2简述人体热学模拟的对流、辐射公式，节3叙述影响人体温度及尸体初始温度的因素，节4描述模拟计算及结果确认。

1.人体、尸体温度数值模拟现状
人体温度的研究，现已有包括人体血流、神经温度调节、对环境变化有准确反应的模拟程序和暖体人模拟系统。

其中D.Fiala的通用模拟系统采用多节点模型：人体分12部位，用圆柱体或球体近似，每部位由外到内同心圆状的布置皮肤、脂肪、肌肉和骨或内脏。

其模拟和实验数据均有详细公布，提供了很好借鉴。

G.Mall首次发表尸体模拟计算的较详细数据，用矩形截面构成尸体模型，尸体个体身高和体重按公式比例代入，尸体衣着的热阻根据现场记录的材质、厚度算出；另外还给出尸体短时间内的自生热表达式。

日本的Y.Kanawaku对尸体头部做模拟计算，以便用外耳温度冷却过程推断PMI。

他采用流体力学CFD算子，处理空气热对流散热，耳温冷却曲线不出现初期的降温平台，有利于提高PMI推断精度。

尸体冷却问题在于对尸体几何以及环境参数的准确表达，这不仅需要今后的大量现场数据收集，更需要对模型选择、各冷却因素的表达等方面作深入探索。

2.人体传热学
人体传热涉及身体各组织的热传导、神经调节、血流热传递以及模拟对象的衣着和环境条件。

我们只关心尸体冷却，所以只涉及对流、辐射和衣着热阻问题。

人体热平衡公式：
M-W=（C+R+Esk ）+（Cres+Eres）（1）
M代谢产热，W是做工耗热，C、R是人体对流和辐射耗热，Esk是由于皮肤出汗导致的汗水蒸发总耗热，Cres 、Eres是呼吸的显热和潜热损失。

C、R、Esk热损耗都通过皮肤实现，皮肤的热源来自所接收的血流供热和肌肉、皮肤活动时产热。

2.1着衣时的显传热
热工中的显传热，又称干传热，是指传质无相变过程。

皮肤或衣服表面的显热对流传热：
C=fcl×hc×（tcl-ta ），fcl=1+0.15×Icl. （2）
f_cl是衣服面积系数，hc是对流系数，tcl，ta分别是衣服外表面和环境温度，Icl是衣服热阻。

皮肤或衣服散热的显热辐射传热R为：R=fcl×hr×（tcl-tmrt）。

线性辐射系数hr=4×ε×σ×Ar /Ad×（273+0.5×（tcl+ta））3（3）
tmrt是环境平均辐射温度，又称感知温度，它是对闭合黑面空间的非均匀辐射环境温度的一种平均度量。

Ar/Ad是有效辐射面积，ε，σ分别是衣着辐射率和斯帝芬-玻尔兹曼常数。

我们还经常用到传热的另一种表达形式：
（C+R）=1/（（RCL ）+（fcl×h）-1）×（tsk-t0 ）=h1×（tsk-t0）（4）
这里用衣服固有热阻RCL替代了衣服温度，操作温度t0=（hr×tmrt+hc×ta ）/h ，
h=hr+hc，h1=1/（（RCL ）+（fcl×h）-1）即为考虑了衣服热阻后的总显热传输系数。

2.2皮肤的潜热传输
3.人体温度和尸体初始温度
人体体心温度能够通过自我调整而保持较窄的稳定范围，人体代谢率变化对体温产生影响。

3.1人体体温的影响因素
体心温度昼夜变化：正常人、从事正常活动，体心温度呈周期性变化，早晨2-6点温度最低，下午1-6点温度最高。

性别、年龄影响：用基础代谢率（BMR）值衡量，BMR与年龄和性别有关，女性比男性低6-10%，但成年女性体温平均却比男性高0.3度。

精神与肌肉活动对体心温度也有影响：人处于精神过度烦恼、恐惧、激动、紧张状态下，可使代谢率提高4-5倍之多。

3.2尸体初始温度和自生热
尸体的初始体心温度和温度分布，是模拟计算的初始值，它由Workbench软件的稳态热模块计算，然后用其瞬态模块进行尸体冷却计算。

初始体温度不能准确给定，命案现场人死前会有精神紧张或搏斗，从而引起初始体温的变化，许多文献对此有较为详细论述。

人死后一定时间内，尸体会产生厌氧条件下的自生热，这使尸体冷却曲线初期形成平台状。

G.Mall初步确定该自生热呈指数衰减形式，半衰期约2.5小时，自生热在全身分配比例：内脏/肌肉/脑/骨
=60/18/17/5。

4.模拟计算及结果确认
用ANSYS软件对PMI模拟计算至今仍没推向实际应用，其原因在于现有模拟计算操作复杂，计算机耗时过长，因此我们的模型设计要同时考虑它的计算精确化、操作简便化和现场实用化。

尸体几何模型选择决定计算精度和计算机耗时。

我们分别比较了几种尸体模型，图1是把矩形截面尸体左右剖开的模型，它比较接近真实客体，能较好体现臀部和大腿之间的连接关系。

曾尝试两维模型，它是把尸体的双腿、双臂经简化处理成轴对称模型，其计算耗时大为减少，但计算精度有待确认。

图1 裸体矩形截面尸体模型：上图为前视几何形状，下图为侧视初始温度分布
目前模型是在ANSYS-Workbench软件中实现，尸体个体尺寸的给定以文献[2]的数据为基础，再加以比例改变。

通过前期的模拟计算表明，对室内无风条件下，模拟结果与许多实际尸体冷却曲线有较好的吻合。

接下来需对尸体的衣着热阻、风速影响、环境湿度等做更深入工作。

Workbench软件计算中涉及大量输入参数，我们仅着重影响较大的参数，有些输入参数是客观上不能准确给定的，如尸体的初始温度、客观环境的变化过程等。

另外，如果要兼顾计算机耗时，对有些参数的表达需做简化假定，如对周围环境物体的表面温度和辐射率的表达等。

为改善现场应用中模拟计算的平均误差和可信度水平，我们将采用命案现场一段时间肛温连续实测数据，并以它作为目标函数，通过Workbench优化模块对几个重要输入参数在给定范围内进行优化选择，以找到某一段模拟肛温数据与目标函数重合最好之处，从而能在模拟冷却曲线上定出现场测温时刻与死亡时刻的时间差，即给出更接近客观实际的PMI值。

5.参考文献：
[1]DusanFialaet al. UTCI-Fiala multi-node model of human heat transferand temperature regulation[J]. Int J Biometeorol，2012， 56：429–441.
[2]Henning Staiger et al. The perceived temperature，a versatile index for the assessment of the human thermal environment [J]. Int. J. Biometeorol，2012， 56：165-176.
作者简介：
1、刘东（1972--），男，河北省晋县人，刑侦系讲师，硕士，研究方向：法医物证。

2、冯珣（1964—），男，甘肃省会宁县人，刑侦系主任，副教授，大学，研究方向：痕迹检验。

3、王锦辉（1974—），男，甘肃省陇西县人，刑侦系科长，副教授，大学，研究方向：文件检验。