MDCT 영상과 ADINA 유한요소해석 프로그램을 활용한 두개골 손상 평가에 관한 연구
김의수 † ․김종혁․양경무
국립과학수사연구원(2011. 10. 27. 접수 / 2013. 2. 19. 채택)
A Study on the Skull Injury Using MDCT image and ADINA F.E.M. Program
Eui Soo Kim † ․Jong Hyuk Kim․Kyung Moo Yang
National Forensic Service(Received October 27, 2011 / Accepted February 19, 2013)
Abstract : In this paper, the finite element analysis using ADINA has performed to investigate an accident that a man's head was damaged by the falling object. The simulation condition has defined by the point of forensic medicine view and the CCTV image analysis. From the CCTV image analysis, we expected that the sphere diameter of object is 15cm and object color is white. Assuming the falling mass is the ice mass, the results of the ADINA simulation show that a man's head can be broken by the falling ice mass.
Key Words : multi detector row computed tomography, finite element analysis, CCTV image analysis, skull injury, ADINA
†
Corresponding Author: Eui Soo Kim, Tel : +82-2-2600-4972, E-mail : [email protected] National Forensic Service, 139, Jiyang-ro, Yangcheon-gu, Seoul 158-707, Korea
1. 서 론
최근에는 인체 손상에 관한 원인 규명 및 사고 당시 인 체에 미치는 역학 환경 등을 파악하기 위해 3D 기술 및 유한요소를 활용한 공학적 검증 방법을 포렌직(Forensic) 분야에서 많이 활용하고 있는 추세이다. 인체 손상 분석 중 뼈 파단 분석은 피해자가 어떤 종류의 사고로 인해 사 망에 이르렀는지에 대해 중요한 자료로 제공될 수 있으며 이를 실제 역학 시뮬레이션을 통해 검증함으로써 법의학 적, 공학적 신뢰성을 드높이는데 큰 기여를 하고 있다. 또한, 다중검출 전산화단층촬영장치(MDCT, Multi Detector Row Computed Tomography)를 이용한 연구 수준은 머리, 뼈, 조직의 손상으로 노출된 경우 월등하며, 사후 영상은 법 의학의 가시적인 표현 도구와 증거 제출 자료, 인체 손상의 검사, 병리학적으로 대단한 잠재력을 가지고 있다1-3). 범죄 관련성 확인을 위해 변시체에서 작용된 힘의 종류와 작 용 방향인 손상기전에 대한 입증이 필요하며, 이런 손상기 전의 입증 방법으로 인체 손상에 대한 MDCT에서 얻어진 3차원 영상을 이용하여 손상기전을 계측, 분석하여 손상의 재구성을 수행할 수 있다4-5). 본 연구에서는 특정의 흰색 물체가 사고자의 머리에 낙하하여 두개골이 파손된 사고에 대해 법의학 관점의 소견과 CCTV 영상 분석 결과를 바 탕으로, 유한요소의 상용프로그램인 ADINA를 이용하여 충
격해석을 수행함으로써 추락에 의한 두개골 파손형태와 추락에 따른 파손 가능성을 평가하고자 한다.
2. 사고 개요 및 법의학 소견
본 사고는 사고자가 아파트 인도에서 길을 가던 중 머 리를 크게 다쳐 두개골이 손상을 입은 사건으로 사고자의 모자 우측 상부에 양 5 cm 가량 찢어진 부분이 관찰되고 사 고자가 넘어지면서 흰색 물체의 파편이 튕겨져 나가는 모 습이 CCTV에 녹화되었다. 사고자를 치료한 신경외과전 문의의 초기 진찰소견에 의하면, 피해자의 머리마루부위 오른쪽에서 앞뒤 방향으로 길게 형성된 열창(약 13 cm)이 있었고, 열창의 뒤쪽 부분은 피부가 짓이겨져 있었으며, 벌 어진 상처를 통해서 분쇄 골절된 안쪽 머리뼈가 관찰되었 다. Fig. 1에 나타낸 바와 같이 머리뼈를 촬영한 3차원 CT 영 상에서 두피의 상처와 동일한 머리마루 우측에 머리뼈가 넓게 함몰 골절된 것이 관찰되며, 이 함몰 골절은 직경이 약 10 cm 가량이다. 사고자가 사고 당시 착용하였던 모자 에서 머리 마루 부위의 오른쪽 안쪽 면에서 타원형태의 흰색물질이 부착된 소견이 있는데, 이 부위의 크기는 9.0×4.5 cm이고, 부착된 흰색물질은 외부충격 당시 모자 섬유가 닿은 두피로부터 각질이 묻은 것일 가능성이 존 재한다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이 CT 단면영상에서 충격
(a) top view
(b) side view
Fig. 1. The 3-dimension computed tomography of the damaged hu man's skull.
과 골절이 있었던 머리 마루부위에 인접한 마루엽 표면을 중심으로 여러 종류의 출혈(경막상출혈, 거미막밑출혈,
Fig. 2. The 2-dimension computed tomography of the damaged hu man's skull.
뇌좌상 등)이 나타났으나, 충격의 반대쪽인 이마엽과 관 자엽의 바닥면에서는 특기할 좌상성 출혈이 관찰되지 않 았다. 따라서, 머리 충격위치가 머리마루부위이고, 이 충 격부위에서는 뇌좌상이 관찰되나 이 반대 부위인 이마엽 과 관자엽에서는 뇌좌상이 관찰되지 않으므로 사고자의 머리 손상 원인은 전도손상 보다는 일종의 물체에 가격 된 상황이 가능하다고 판단된다. 또한 머리뼈의 함몰골절 직경이 약 10 cm 가량인 점과 모자 안쪽 면에 각질로 판 단되는 물질이 넓게 부착된 점으로 볼 때, 머리에 작용한 충격은 그 작용 면적이 비교적 넓었던 것으로 판단된다.
3. CCTV 분석
사고 당시의 모습이 녹화된 CCTV 영상을 육안 관찰시 험, CCTV 재연 시스템을 이용한 외형 측정 및 영상 비교 시험, 윤곽선 검출 시험을 통해 분석하였다. Fig. 3에서 나 타낸 바와 같이 CCTV 영상에는 사고자가 넘어지면서 흰 색 물체의 파편이 튕겨져 나가는 모습이 출입문에 반사 된 상태로 녹화되었다. CCTV 재연 시스템을 이용한 외형 비교 시험에서 동영상의 고정 물체의 외각선과 CCTV 재
Fig. 3. The white object recorded by CCTV(Image sharpening and Borderline extraction).
Fig. 4. The comparison borderline of the fixed object
Fig. 5. The reenactment of the CCTV image for comparing and mea- suring object dimension
(a) Front view
(b) Side view
Fig. 6. The skull model providing Digital Korean Co.
연에 의해 촬영된 영상의 고정 물체를 비교하였으며, 이 를 Fig. 4에 나타내었다.
비교 결과, 위치 및 크기에서 차이가 보이지 않으므로 재연 조건이 사고 당시 영상과 동일한 조건으로 판단된 다. 사고 당시의 CCTV 영상에서 흰색 물체의 외형 비교 를 위해 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 CCTV 영상 내 유사 위치에서 흰색 물체의 윤곽선과 비교 물체를 중첩시켰으 며, 그 결과 흰색 물체의 외형 크기는 약 15 cm 정도로 측정되었다. 흰색 물체는 출입문에 반사된 상태로 측정한 경우로 정확한 비교 및 계측시험은 불가능하다.
4. ADINA를 이용한 유한요소해석
4.1.
유한요소 모델 및 해석조건현장 자료, 법의학적 소견, CCTV 영상 분석 결과를 근 거로 흰색 물체는 약 15 cm 직경을 가진 얼음 덩어리로, 아파트 4층 옥상에서 낙하한 것으로 가정하여 두개골 파 손이 일어날 수 있는지에 대해 ADINA를 이용하여 충격 해석을 수행하였다. 해석 조건으로는 아파트의 층간 높이를 2 m로 가정하였을 때 4층 높이는 약 8 m 높이에 해당하 며, 고정되어 있는 두개골로부터 8m 높이에 얼음 덩어리를 위치시켜 중력가속도 9.81m/s2으로 자유낙하 하는 조건이 다. 두개골 모델은 제시된 CT 영상을 3D 변환 상용프로그램 인 MIMIC를 이용하여 해석을 위해 재구성하였으며 물성 치의 경우 디지털 코리언(digital korean) 인체 데이터에서 공 급된 성인 두개골 모델(성인 남자 34세) 물성치 데이타베 이스를 참고 하였다. 적용된 두개골 모델을 Fig. 6에 나타 내었으며, 두개골 및 얼음의 물성치는 Table 1과 같다.
ADINA에 적용된 두개골 및 얼음 덩어리의 유한요소 모 델과 경계조건을 Fig. 7에 나타내었다. 두개골에 적용된 요 소의 수는 1,022,132개이며, 두개골 윗부분에 얼음 덩어리 와의 접촉을 위한 범위를 정의하였다. 얼음 덩어리의 경 우는 적용된 요소의 수가 145,000개이며, 두개골과 마찬가 지로 두개골과의 접촉을 위한 범위를 정의하였다. 두 형 상에 적용된 요소는 4-node의 3차원 Tetrahedral 요소이다. 얼 음 덩어리는 정지 상태에서 중력에 의해 자유낙하 하여 두 개골과 충돌하게 된다. 충돌 시 접촉이 되는 면 사이에 Single side contact 조건을 적용하여 충돌 접촉면을 정의
Table 1. The material properties of the skull and ice mass
Parameter Values
Skull
Young's modulus(GPa) 7
Poisson ratio 0.3
Yield strength(MPa) 120 Tension strength(MPa) 150 Density(g/cm3) 0.917
Mean thickness(mm) 7
Ice mass
Young's modulus 9.1
Poisson ratio 0.28
Density(g/cm3) 0.920 Sphere diameter(cm) 15
(a) The skull model
(b) The ice model
Fig. 7. The ADINA mesh model and defined contact region.
하였다. 본 해석에서의 주요관심은 충돌에 의한 파손이기 때문에 contact 시 발생할 수 있는 마찰이나 미끄러짐은 고려하지 않았다. 또, 강체 충돌이 아닌 강성이 있는 연체 끼리의 충돌로 설정하였다. ADINA 내에서 사용된 contact algorithm은 contraint function method를 사용하였고, 두 개
Fig. 8. Contact view between skull and ice mass
골을 target, 얼음을 contactor로 설정하여 두개골의 요소로 얼음의 절점이 침투되지 않도록 하였다. Contact 조건의 반복계산을 위해 full Newton iteration을 사용하고 시간이 력해석을 위해 implicit method를 사용하였다.
4.2.
해석 결과 및 고찰충격 해석 결과, 얼음 덩어리가 정지 상태에서 자유낙 하 후 두개골에 도달하기까지의 시간은 약 1.7초에 달하 며, Fig. 8-11에 나타낸 바와 같이 충돌 시점에서 두개골 에서 약 500MPa의 최대 응력이 발생하고 충돌 부분에서 의 파손이 일어나는 것을 알 수 있으며, 얼음 덩어리의 경우 630 MPa의 최대 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 두개골에서 작용하는 약 500 MPa의 최대 응력은 Table 1에 나타낸 바와 같이 두개골이 갖는 항복 강도는 120 MPa, 인장강도가 150 MPa 보다 매우 크므로 이로 인해 두개골이 파손될 수 있음을 알 수 있다.
Fig. 9. The simulation results of effective stress on the skull and ice mass contact region.
Fig. 10. The distorted and broken deformation of the skull.
Fig. 11. The effective stress of the ice mass.
5. 결 론
본 연구에서는 사고자가 아파트 인도에서 길을 가던 중, 특정의 흰색 물체가 낙하하여 사고자의 머리에 맞아 사 고자의 두개골이 파손된 사고에 대해 법의학 관점의 소견 과 CCTV 영상 분석 결과를 바탕으로 하여 유한요소해석 상용 프로그램인 ADINA를 이용하여 충격해석을 수행함 으로써 특정의 흰색 물체가 얼음 덩어리 일 때의 두개골의 파손 여부를 확인하였다. 법의학 소견에 의하면 머리 충격 위치가 머리마루부위이며 일종의 물체에 가격된 상황이 가 능하다고 판단하였으며, 머리뼈의 함몰골절 직경이 약 10 cm 가량인 점과 모자 안쪽 면에 각질로 판단되는 물질이 넓 게 부착된 점으로 볼 때, 머리에 작용한 충격은 그 작용 면 적이 비교적 넓었던 것으로 판단하였다. 또한 아파트 현 관문 입구에 설치된 CCTV에 의해 사고 당시의 영상이 반 사되어 촬영되었으며, CCTV 분석 결과 흰색 물체의 외형
크기가 약 15 cm 인 것으로 측정되었다. 따라서 이러한 분 석 결과를 바탕으로 ADINA를 이용하여 충격해석을 수행 하였으며, 그 결과 충돌 시점에서 두개골에서 발생하는 최 대 응력이 두개골이 갖는 인장강도 보다 매우 크게 나타나 는 것을 확인하였으며, 얼음 덩어리가 낙하하여 두개골이 파손될 수 있음을 확인하였다.
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