Морфология разрушения диафизов длинных трубчатых костей под воздействием острого индентора при различных условиях опирания

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Морфология разрушения диафизов длинных трубчатых костей под воздействием острого индентора при различных условиях опирания

Леонова Елена Николаевна

14.00.24 - «Судебная медицина»

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре судебной медицины ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный медицинский университет Росздрава».

Научный руководитель:

Доктор медицинских наук, профессор Авдеев Александр Иванович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация: Государственное учреждение здравоохранения «Бюро судебно-медицинской экспертизы» Департамента здравоохранения г. Москва

Защита состоится «____»_____________ 2009 года в ____ часов на заседании диссертационного совета ДМ208.041.04 при ГОУ ВПО «Московский государственный медико-стоматологический университет Росздрава» по адресу Москва, ул. Долгоруковская, д. 4, строение 7, (помещение кафедры истории медицины).

Почтовый адрес: 127493 Москва, ул. Делегатская, 20/1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного медико-стоматологического университета (127206, Москва, ул. Вучетича, д. 10а).

Автореферат разослан «_____»__________________2009 год.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат медицинских наук, доцент Т.Ю. ХОХЛОВА

Общая характеристика работы

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ: Повреждения длинных трубчатых костей от действия индентора в судебно-медицинской практике занимают особое место, поскольку связаны с наиболее часто встречающимися видами травмы. Широко изучены и освещены в литературе причины возникновения переломов, описаны условия зарождения, развития трещин (переломов) и завершения разрушения, изучены основные виды деформаций, что позволило выработать экспертные критерии определения механизма разрушения по морфологии излома (И.В. Скопин, 1960; К.Л. Назаретян, 1961; О.П. Горяинов, 1992; В.Н. Крюков 1971, 1977, 1980, 1984, 1986, 1998; В.Э. Янковский, 1973, 1974, 1990, 1991; В.И. Бахметьев, 1977, 1992; Б.А. Саркисян, 1977; F. Baldium, D. Ropolt, 1983; W. Durwald, 1987; В.А. Клевно, 1994; М.А. Кислов, 2007).

Научные работы в области современной судебно-медицинской травматологии оказались тесно связанными с техническими дисциплинами, в частности, с механикой напряженно-деформированного твердого тела. На необходимость использования теории сопротивления материалов в судебно-медицинской практике неоднократно указывали многие судебные медики (В.Н. Крюков, 1971, 1986; Н.С. Эделев, 1979; В.Э. Янковский, 1973, 1974, 1990).

Современная судебно-медицинская фрактология рассматривает лишь простые виды разрушения кости, однако в практической деятельности экспертов такие условия травмы наблюдаются далеко не всегда. Чаще имеют место сложные напряженно-деформированные состояния (СНДС), сочетающие в себе несколько видов деформаций (косой изгиб, изгиб с кручением и др.)

Морфологические особенности формирования повреждений длинных трубчатых костей при сложных напряженно-деформированных состояниях (с позиций биомеханики) изучены недостаточно, а математическое моделирование процессов разрушения в современной медицине носит эпизодический характер.

В литературе не нашел должного отражения анализ повреждений длинных трубчатых костей под воздействием острого индентора при различных условиях опирания, видах деформаций и их сочетаниях.

Таким образом, механизм разрушения кости на наш взгляд рассмотрен не до конца. Для изучения напряженно-деформированного состояния в костной конструкции наиболее эффективным и перспективным на сегодняшний день является применение метода конечных элементов. Этот метод является близким к «идеальному» для изучения процесса разрушения кости (В.И. Трофимов, Г.Б. Бегун, 1972; S.Н. Sundaram, C.C. Feng, 1977; Э. Хог, Я. Арора, 1983; Ю.И. Пиголкин, М.Н. Нагорнов 2004 и др.).

Указанные выше причины определяют актуальность и своевременность экспериментального исследования.

Целью исследования явилось установление морфологических критериев разрушения диафизов длинных трубчатых костей при различных сложных напряженно-деформированных состояниях: косом изгибе, чистом изгибе в сочетании с кручением и при опирании кости на упруго-податливой подложке.

Задачи исследования:

1. Изучить свойства морфологии разрушения длинной трубчатой кости при косом изгибе.

2. Выявить особенности морфологии разрушения длинной трубчатой кости при сочетании деформации чистого изгиба и кручения кости.

3. Изучить морфологию разрушения длинной трубчатой кости при чистом изгибе кости, расположенной на основании Винклера.

4. Провести математического моделирования сложного напряженно-деформированного состояния кости методом конечных элементов.

Научная Новизна работы состоит в том, что с позиции механики деформированного твердого тела установлены морфологические критерии разрушения диафизов длинных трубчатых костей с учетом особенностей нагружения при различных условиях их опирания; создана математическая модель сложного напряженно-деформированного состояния длинной трубчатой кости.

Практическая значимость. выявленные признаки, позволяют определять условия возникновения травмы. Полученные данные могут быть использованы при судебно-медицинских экспертизах, что позволит повысить их эффективность и качество.

С помощью визуального, стереоскопического исследования, математического моделирования процесса разрушения длинной трубчатой кости, статистических методов выявлены морфологические признаки разрушения диафизов длинных трубчатых костей при различных условиях опирания при воздействии острого индентора.

основные положения, выносимые на защиту:

1. Морфология разрушения длинной трубчатой кости при косом изгибе имеет видоспецифические признаки, отличающие этот вид разрушения.

2. При разрушении длинной трубчатой кости в условиях сочетания деформации изгиба и кручения, образовавшиеся отломки приобретают видоспецифические свойства, по которым можно судить об условиях нагружения кости.

3. Морфология разрушения при чистом изгибе длинной трубчатой кости, расположенной на основании Винклера имеет характерные видоспецифические отличия, присущие только этому виду нагружения.

4. Математическое моделирование сложного напряженно-деформи-рованного состояния длинной трубчатой кости методом конечных элементов подтверждает данные фрактологического исследования разрушения в каждом конкретном случае (может оказать помощь при проведении дифференциальной диагностики разрушения при различных условиях опирания).

Апробация диссертации:

Материалы диссертации были доложены: на совместных конференциях кафедры судебной медицины и патологической анатомии Дальневосточного государственного медицинского университета (2007, 2008); на расширенном заседании организационно-методического совета ГУЗ «Бюро судебно-медицинской экспертизы» (2006, 2007); представлены на II-ой Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (2006), научно-практической конференции, посвященной 65-летию образования органов судебно-медицинской экспертизы ВС РФ (2008), 1-й международной научно-практической конференции «Интеграция науки и производства» (2008).

Личное участие автора:

Все разделы выполнены и проанализированы автором самостоятельно. Автором лично были изучены 147 экспериментальных переломов длинных трубчатых костей нижних конечностей с применением методов остеоскопии, стереомикроскопии и 135 экспертных наблюдений из архива ГУЗ «Бюро судебно-медицинской экспертизы» МЗ ХК. Приготовлены препараты из поврежденных костей для последующего макро- и микроскопических исследований. Осуществлено математическое моделирование процесса разрушения длинной трубчатой кости в среде ANSYS - 9 education (бесплатная версия пакета «ANSYS» для обучения). Экспериментальные наблюдения подвергнуты статистической обработке с применением пакета программ “Excel” (регистрационный номер 30926408ААЕ9910) на базе IBM PC AT среде “Windows.98” (регистрационный номер 32397-ОЕМ-0027462-17935).

Реализация результатов исследования:

Полученные результаты внедрены в практику учебной и научной деятельности кафедры судебной медицины Дальневосточного государственного медицинского университета и практическую деятельность ГУЗ «Бюро СМЭ» МЗ ХК.

Публикации:

Основные положения работы отражены в 12 публикациях, 2 из них в журнале, входящем в перечень рекомендованных ВАК России. Получен 1 патент РФ на изобретение, оформлено 4 рационализаторских предложения.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, характеристики материалов и методов исследования, 3-х глав собственных исследований, заключения, выводов, практических рекомендаций, библиографического указателя и приложения. Объем диссертации с приложением составляет 167 страниц компьютерного текста, иллюстрирована 11 таблицами, 87 рисунками. Список литературы включает 201 источник, из них 138 отечественных и 63 зарубежных авторов.

Содержание работы

разрушение кость напряженный деформированный

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: В процессе выполнения научной работы были проанализированы 135 экспертиз из архива ГУЗ «Бюро судебно-медицинской экспертизы» МЗ ХК за 2001 - 2005 гг. и результаты 147 собственных экспериментальных наблюдений в рамках конкретных уголовных дел по постановлению следственных органов (табл. 1.).

Таблица 1

Характеристика материалов исследования

№	Материалы исследования	Кол-во
1.	Судебно-медицинские (танатологические экспертизы) из архива ГУЗ «Бюро СМЭ» МЗ ХК:	75
2.	Судебно-медицинские (медико-криминалистические) экспертизы из архива ГУЗ «Бюро СМЭ» МЗ ХК:	60
3.	Собственные экспериментальные наблюдения:	147
а)	Разрушение при чистом изгибе	53
б)	опирание кости на основании Винклера при чистом изгибе	32
в)	Разрушение при косом изгибе	32
г)	Разрушение кости при сочетании изгиба и кручения	30

Выбор расчетной схемы

Для создания рабочей схемы, модели нагружения нами использовались базовые гипотезы сопротивления материалов, рекомендуемые и мэтрами судебно-медицинской фрактографии (А.П. Громов, 1979; В.Н. Крюков, 1995). В соответствии с этими гипотезами, нами допущены упрощения, вводимые в расчетную схему, в соответствии с которыми предполагается, что костная ткань человека обладает такими свойствами, что может считаться: однородной, изотропной, сплошной, деформируемой, упругой средой.

Диафиз длинных трубчатые костей, то с точки зрения механики деформированного твердого тела, нами рассматривались как тело (балка), одно из измерений которого (длина) больше двух других.

Удары наносились отвесно, поперечно и косо-поперечно к повреждаемой поверхности кости.

Для описания повреждений длинных трубчатых костей нами была использована терминология, принятая в современной судебно-медицинской травматологии - Янковский В.Я. (1974), Крюков В.Н. (1986, 1995), Бахметьев В.И. (1992), Нагорнов М.Н. (1992) и деревообработке - Рахманов С.И., Гороховский К.Ф., Лившиц Н.В. (1973).

В экспериментах были использованы 31 труп мужского и 18 - женского пола в стадии выраженного мышечного окоченения в возрасте от 25 до 73 лет. Экспериментальные наблюдения проводили в течение первых суток после наступления смерти.

Предварительно оценивая механизм действия топора, нами принято условие, что режущая кромка лезвия топора, действительно, ничтожно мала по сравнению с общими размерами разрушаемой кости. Соответственно, сила, приложенная к вершине острия топора, является сосредоточенной силой. Топор с острым и средней остроты лезвием, действует как острый индентор (Е.М. Морозов, М.В. Зернин, 1999).

1 серия наблюдений:

1.1 Нагружение длинной трубчатой кости при чистом изгибе, расположенной на упругом основании.

С целью исследования морфологических особенностей образования повреждений диафизов длинных трубчатых костей при однократных ударах топором нами проведено 45 экспериментальных наблюдений. Проанализированы повреждения 11 - бедренных, 10 - большеберцовых, 9 - малоберцовых, 7 - плечевых, 5 - локтевых и 3- лучевых костей. Фронтальный угол нанесения повреждения составил 900, то есть удары топором наносились отвесно, поперечно по отношению к длиннику кости. Уровень нанесения повреждений - диафиз длинной трубчатой кости.

Область нанесения повреждения (сегмент конечности) располагался нами таким образом, чтобы головки костей являлись точками опоры. При этом конечности и ее сегментам обеспечивали стабильность расположения, исключающее вращение кости в суставе (рис. 2.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Схема опирания кости при чистом изгибе

Удары наносили по наружной поверхности плеча, бедра и голени, передней поверхности предплечья.

1.2 Нагружение длинной трубчатой кости при чистом изгибе на упругом основании, при фронтальном угле менее 900.

Проведено 8 экспериментальных наблюдений, проанализированы повреждения 2 - бедренных, 2 - большеберцовых, 1 - малоберцовой, 1- плечевой, 1 - локтевой и 1- лучевой кости. Условия опирания, область и уровень нанесения повреждения (сегмент конечности) были аналогичными предыдущим наблюдениям (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Схема опирания кости при чистом изгибе (фронтальный угол нанесения повреждений менее 90)

1.3. Нагружение длинной трубчатой кости при чистом изгибе, расположенной на основании Винклера.

Проведено 32 экспериментальных наблюдения, проанализированы повреждения 10 - бедренных, 8 - большеберцовых, 6 - малоберцовых, 4 - плечевых, 2 - локтевых и 2- лучевых костей. Фронтальный угол составил 900. Уровень нанесения повреждений был аналогичным предыдущей серии наблюдений. Область нанесения повреждения (сегмент конечности) располагался нами таким образом, чтобы головки костей были интактными. Под конечность на уровне разруба подкладывалась деревянный брус шириной 15 см, изготовленный из древесины твердых пород. Конечности и её сегментам обеспечивали стабильность расположения точек опирания, исключающее поперечное смещение и вращение (рис. 4, а).

Особенность работы основания Винклера заключается в том, что вначале нагружения подложка (она отмечена на схеме в виде пружин) достаточно легко смещается в направлении действия силы (см. рис. 4, б).

Затем, подложка (в данном случае мягкие ткани) достигает предела податливости и приобретает жесткость и больше не сжимается (см. рис. 4, в).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Реакция подложки (основания Винклера) при нагружении

Удары наносили по внутренней и внутренней поверхности плеча, наружной, внутренней, задней, передней поверхностям бедра, передней, наружной, внутренней поверхности голени, тыльной поверхности предплечья.

2 серия наблюдений - нагружение кости при косом изгибе:

Проведено 32 экспериментальных исследования. Проанализированы повреждения 12 - бедренных, 6 - большеберцовых, 6 - малоберцовых, 3 - плечевых, 3 - локтевых и 2- лучевых костей. Удар топором наносился по дуге с протяжкой лезвия (рис. 5, а). Данный способ нанесения удара обеспечивал двойной изгиб кости при нагружении (рис. 5, б): костный объект нагружался в вертикальном (рис. 5, в) и в поперечном направлении (рис. 5, г).



Рис. 5. Схема косого изгиба кости, где х, у - ортодоксальная система координат, М - момент изгибающих сил (пояснения в тексте)

Конечности перед нанесением повреждений располагалась, так же как и при чистом изгибе на упругом основании. Головки кости обеспечивали точки опоры. Области тела (конечностей) и уровни нанесения удара по ним, были аналогичны серии 1.1. наших наблюдений.

3 серия - нагружение длинной трубчатой кости при сочетании чистого изгиба и кручения.

Проведено 30 экспериментальных наблюдений. Проанализированы повреждения 10 - бедренных, 8 - большеберцовых, 5 - малоберцовых, 3 - плечевых, 2 - локтевых и 2- лучевых костей. Фронтальный угол нанесения повреждения составил 900, то есть удары наносились отвесно. Уровень нанесения повреждений был аналогичным серии 1.1 наших наблюдений.

Область нанесения повреждения (сегмент конечности) располагался нами таким образом, чтобы головки костей являлись точками опоры. При этом конечности и ее сегментам обеспечивали стабильность расположения точек опирания, что бы исключить поперечное смещение, не ограничивающее поворот головок в суставах (рис. 6).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Схема опирания кости при сочетании чистого изгиба и кручения

Удары наносили по передней поверхности бедра, плеча, голени и наружной поверхности предплечья.

Определение необходимого числа наблюдений

Определив расчетные схемы, мы решали вопрос определения числа наблюдений для получения достоверных результатов(Е.В. Гублер, А.А. Генкин, 1973; Е.В. Гублер, 1978, 1990).

Статистический анализ, модифицированный в соответствии со спецификой биологических объектов, проводится на любых неединичных явлениях, объединенных в группы любой численности, начиная с двух. Достоверные результаты могут быть получены как на достаточно больших совокупностях, так и на малых (Е. А. Лукьянова, 2002; А.А. Самарский, А.П. Михайлов, 2001; В. Ю. Урбах, 1975).

Величина выборки в практике научных исследований должна обеспечить вероятность изучаемого явления не менее чем 0,95 и допустимую ошибку () не более 0,05 (Е.В. Гублер, А.А. Генкин, 1973; Е.В. Гублер, 1978, 1990). Установлено, что при обычных требованиях надежности в большинстве биологических исследований (n 30) для охвата 95 % всех ожидаемых наблюдений следует воспользоваться значением доверительного коэффициента - t = 1,96 (Е. А. Лукьянова, 2002; А.А. Самарский, А.П. Михайлов, 2001; В. Ю. Урбах, 1975). Эти критерии и были приняты нами за основу.

При исследовании экспериментальных рубленых повреждений длинных трубчатых костей выделены 28 признаков - повреждений и их сочетания.

Для каждого признака кроме его абсолютного значения в определенной группе и подгруппе была рассчитана условная вероятность P.

Для решения поставленных задач по определению механики разрушения длинных трубчатых костей по повреждениям, нами был использован метод последовательной процедуры распознавания с помощью диагностических коэффициентов (Е.В. Гублер, А.А. Генкин, 1973; Е.В. Гублер, 1978, 1990).

При проведении последовательной диагностической процедуры, для оценки информативности признаков применяли меру Кульбака. Полученными данными руководствовались при создании диагностической таблицы. Расчеты проведены при помощи электронных таблиц Excel (free ware).

Фотосъемку экспериментов и выявленных повреждений производили цифровой камерой «FujiFilm S5100» со стандартным объективом х10.

Изъятые костные фрагменты очищались методом биологической мацерации (выдерживались в термостате при температуре 30-38 в течение 5-7 суток). Остатки мягких тканей щадяще удалялись деревянным шпателем. Далее кости высушивались в течение 2-3 суток, проводилась их репозиция и склеивание осколков клеем - циакринолактатом. Контрастирование проводилось спиртовым раствором бриллиантового зеленого либо графитовой пылью, которые наносились на края перелома. Избытки красящего вещества удалялись ватным шариком, смоченным в спирте. Далее макропрепараты кости исследовались при помощи бинокулярной лупы и стереомикроскопа МПСУ.

Для проверки полученных в ходе экспериментальных исследований данных был предпринят математический анализ характера деформаций методом сечений с построением эпюр деформаций, возникающих при нагружении кости и осуществлено математическое моделирование процесса разрушения длинной трубчатой кости в среде ANSYS - 9 education (бесплатная версия пакета «ANSYS» для обучения).

Модель кости создавалась с использованием конечно-элементного пакета Ansys. Исследуемая кость делилась на сегменты. Количество сегментов и интервал разбиения выбирался в зависимости от конкретной кости. В каждом сегменте выделялся контур и последовательно импортировался в Ansys. На основе всех созданных контуров строилась твердотельная объемная модель кости. Задавались прочностные характеристики кости: модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Затем в программе производилось разбиение модели на конечные элементы. С использованием построенных конечно-элементных моделей исследовалось напряженно-деформированное состояние костей при различных условиях опирания. При изменении положения элементов при нагружении объекта программой производился пересчет для каждого из них. Полученные результаты математического моделирования верифицировались с результатами фрактологического исследования костных объектов.

1. Проведен метод слепых экспериментов, когда анализируемые данные сопоставлялись с повреждениями диафизов длинных трубчатых костей с заранее заданными условиями опирания, не известными исследователю при анализе экспериментальных данных.

Основные результаты исследования: Серия 1.1. Опирание кости по конца на упругом основании при чистом изгибе. Опираясь на данные В.Н. Крюкова (1971, 1986, 1995), поверхность разрушения диафизов длинных трубчатых костей была условно разделена на последовательно сменяющиеся зоны: зона разрыва, зона развития магистральной трещины, зона долома. В связи с тем, что в качестве индентора в наших исследованиях использовался топор, помимо перечисленных выше зон была выделена зона разруба. Для каждой условно выделенной зоны была характерна своя специфическая картина разрушения, что связано с последовательной сменой деформаций в процессе разрушения кости.

По морфологическим признакам область зарождения, развития и долома соответствовала картине поперечного перелома, который развивается при деформации поперечного изгиба длинной трубчатой кости, сформированного под действием сосредоточенной силы (индентора) (В. Н. Крюков, 1995, С.В. Леонов, 2001). Анализ морфологии разрушения, соответствующего деформации изгиба, показал симметричность развития перелома по всей поверхности кости (рис. (рис. 6, 7, 8).

Рис. 6. Тождественность морфологии разрушения латеральной и медиальной поверхностей большеберцовой кости. Зоны расположения: 1 - радиальных, 2 - шевронных и 3 - краевых рубцов



Рис. 7. Костные ступеньки (1) и гребни поперечного сдвига (2) на плоскости разрушения бедренной кости

Рис. 8. Развитие магистральных трещин на боковых поверхностях плечевой кости (латеральная и медиальная поверхности)

Характер ветвления, метрические параметры трещин на противоположных боковых поверхностях кости были практически симметричными (вер.1,0). Для наглядности наших наблюдений нами производилось наложение изображений противоположных поверхностей друг на друга, при этом накладываемое изображение тождественно отображалось (функция «зеркало») (рис. 8, 9.). На диаметрально противоположной (вер. 1,0) разрубу поверхности кости нами регистрировалась зона разрыва, которая макроскопически была представлена как площадка с отвесными, ровными, хорошо сопоставимыми краями, полукруглой или овальной формы (рис.10).

Рис. 9. Симметричность развития линий перелома

Рис. 10. Поверхность излома при чистом изгибе бедренной кости. Пунктирной линией указана зона первоначального разрушения (увеличение х 10)

Симметричность разрушения нами оценивалась и по макроскопической картине при исследовании кости со стороны зоны первичного разрыва. От этой зоны веерообразно на боковые поверхности в сторону разруба развивались как магистральные, так и пасынковые трещины, напоминая крест (рис. 11).

а)

б)

Рис. 11. Х-образная линия перелома бедренной (а) и плечевой кости (б) в зоне разрыва

При анализе повреждений тонких трубчатых костей наблюдалась аналогичная морфологическая картина разрушения, с той лишь разницей, что дополнительно на боковых поверхности кости формировались трещины распора и сколы компактного вещества.

Для проверки полученных данных нами предпринят математический анализ характера деформаций методом сечений с построением эпюр деформаций, возникающих при нагружении кости (рис. 12).

Рис. 12. Соответствие эпюр максимальных растягивающих и сжимающих напряжений морфологии перелома кости от деформации чистого изгиба при перпендикулярном ударе. Синей штриховкой обозначена эпюра сжимающих напряжений, красной - растягивающих, серой пунктирной линией обозначена зона прогнозируемого разрыва. F- действующая сила

Серия 1.2. Опирание кости по концам на упругом основании при чистом изгибе и фронтальном угле менее 900. Морфологии повреждения очень сходна с описанной в предыдущей серии наблюдений, однако отмечается смещение зоны разрыва относительно длинника кости и некоторая несимметричность элементов разрушения на латеральной и медиальной поверхностях кости, что связано с несимметричным загружением кости. Построение эпюр сил и моментов проходило в несколько этапов. На 1 этапе, пользуясь правилом параллелограмма, раскладываем действующую на кость силу F на F1 и F2. 2 этап построение эпюр полученных при разложении сил F1 и F2. Красным цветом выделены эпюры растягивающих напряжений, синим - сжимающих. На третьем этапе построения производим графическое суммирование эпюр сжимающих и растягивающих напряжений, полученных на первом этапе с учетом их знаков. Эпюры, имеющие один и тот же знак, суммируются, а противоположные знаки - вычитаются. В результате произведенных графических построений получаем фигуру, выделенную серой штриховкой (рис. 13).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 13. Построение эпюры максимальных растягивающих и сжимающих напряжений деформации чистого изгиба при косо-поперечном ударе

Построенные эпюры показали, что критическое сечение соответствует проекции воздействия внешней силе, и смещается проксимальнее или дистальнее по противоположной поверхности балки, что соответствует полученной в ходе эксперимента зоне разрыва (рис. 14.)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 14. Соответствие эпюры максимальных растягивающих и сжимающих напряжений морфологии перелома кости от деформации чистого изгиба при косо-поперечном ударе Синей штриховкой обозначены сжимающие напряжения, красной - растягивающие, серой пунктирной линией обозначена зона прогнозируемого разрыва

Отклонение удара от его поперечного направления приводит к качественным изменениям формы разрушения, траектория излома и веерообразных трещин становится несимметричной и отклоняется в одну из сторон по длиннику кости в направлении внешнего воздействия (В.Н. Крюков, 1986). Наличие большего количества рубцов в зоне развития магистральной трещины на медиальной поверхности кости, возможно, указывает на некоторую несимметричность развития процесса разрушения, что можно объяснить изменением направления плоскости разрушения или формой поперечного сечения кости на этом уровне.

Серия 1.3. Опирание кости на упруго-податливой подложке (основание Винклера) при чистом изгибе. Один из вариантов чистого изгиба - это разрушение на упруго-податливой подложке - основании Винклера, в роли которой выступали мягкие ткани конечностей, располагающиеся под средней частью диафиза длинной трубчатой кости. В отличии от предыдущей серии зона первичного разрыва была представлена несколькими локусами. Нами регистрировались в наблюдениях 2,3,5 зон первичного разрыва. От каждого локуса первичного разрыва отходила своя, независимая магистральная трещина, которая ветвилась, образуя пасынковые трещины (рис. 15.). Поверхность зон разрыва как и в предыдущей серии наблюдений была мелкозернистая, края ровные и сопоставимые.

Рис. 15. Формирование трех зон разрыва (отмечены белыми стрелками) плечевой кости расположенной на основании Винклера при однократном ударе, (х10)

Множественность зон разрыва и формирование нескольких трещин изгиба связано с тем, что соответственно наибольшему прогибу кости, формируется наибольшее сжатие материала подложки. Возникновение первичной зоны разрыва приводит к «проседанию» костного объекта на этом уровне нагружения. В этот момент ткани подложки перестают сжиматься, переходя в упругое состояние. Такое состояние расценивается как промежуточная опора. Однако внешняя сила продолжает действовать и распределение сил приводит к тому, что наибольшему прогибу подвергаются соседние с первичным разрывом участки. Когда предел прочности достигнут, в зонах наибольшего напряжения формируются разрывы - костный объект вновь «проседает». Данный процесс продолжается до тех пор, пока кость не потеряет устойчивость и не разрушится.

Во всех наблюдениях этой серии нами фиксировано четкое соответствие зоны разруба (место приложения травмирующей силы) и одной из нескольких зон первичного разрыва на диаметрально противоположной поверхности кости (вер. 1,0). Остальные зоны разрыва располагались попарно слева и справа от первичного локуса, что соответствовало практически перпендикулярному нагружению кости под действием индентора.

Как результат компрессии кости нами регистрировались единичные продольные трещины в зоне контакта с индентором. Продольная компрессия реализовалась в трещинах после формирования разруба, это подтверждалось тем, что трещины, развивающиеся на разных сторонах разруба параллельны друг другу, и не располагаются на одной линии, из этого следует, что они образовались независимо друг от друга (рис. 16).

Для проверки полученных данных, нами предпринят математический анализ характера деформаций методом сечений с построением эпюр деформаций, возникающих при нагружении кости. Построенные эпюры показали, что критическое сечение соответствует проекции воздействия внешней силе, и располагается на противоположной поверхности балки, что соответствует полученной в ходе эксперимента морфологии разрушения (рис. 17).

Рис. 16. Несовпадение продольных трещин (отмечено пунктирной линией)

Рис. 17. Соответствие эпюр деформаций растяжения и сжатия морфологии перелома кости от деформации чистого изгиба, перпендикулярный удар, упруго-податливая подложка

Резюме. В морфологии разрушения длинных трубчатых костей на упругом основании при чистом изгибе, обусловленном воздействием сосредоточенной силы, были выявлены следующие особенности:

· диаметральная противоположность зоны разруба и зоны разрыва;

· симметричность развития магистральных трещин;

· веерообразность магистральных трещин на боковых поверхностях кости;

· Х-образная линия перелома кости;

· округлая форма зоны разрыва;

· «шевронные» и «краевые рубцы» в зоне развития магистральной трещины на медиальной и латеральной поверхностях кости;

· костные гребни поперечного сдвига в зоне развития магистральной трещины на медиальной и латеральной поверхностях кости;

· костные ступеньки зоны долома, направлены перпендикулярно плоскости разрушения на медиальной и латеральной поверхностях кости;

При косо-поперечном воздействии нами выделен такой признак как

· смещение зоны разрыва по длиннику кости соответственно изменению плоскости нанесения удара;

В дополнении к выше перечисленным признакам, при чистом изгибе на упруго-податливой подложке (основании Винклера) нами регистрировалась

· множественность зон разрыва,

Наличие упруго-податливой подложки реализуется в формировании поперечной компрессии кости и проявляется в

· "смещении" участков продольной трещины относительно друг друга в зоне контакта с индентором.

Серия 2. Опирание кости по концам на упругом основании при косом изгибе.



Рис. 18. Морфология разрушения медиальной (1) и латеральной (2) поверхностей бедренной кости. Сплошной линией отмечена зона разрыва (3), пунктирной ось «y»

В отличие от первой серии наблюдений зона разрыва смещалась медиальнее или латеральнее проекции удара на диаметрально противоположную поверхность (вероятность 1,0), макроскопически она была представлена как и в первой серии мелкозернистой площадкой с отвесными, ровными, хорошо сопоставимыми краями, но форма ее в этой серии изменялась и приобретала с одной стороны вытянутый угол, направленный в сторону внедрения индентора (рис. 18.).

От зоны разрыва по боковым поверхностям кости нами регистрировались магистральные трещины, которые на медиальной стороне кости ветвились (вер. 1,0), образуя группу пасынковых трещин, отходящих под углом до 450 (рис. 19.). Трещины второго порядка развивались по поверхности кости на длину около половины её диаметра, в этой же области в ряде случаев имелись сколы компактного вещества кости (рис. 20). На латеральной поверхности кости, магистральная трещина имела минимальное ветвление на пасынковые (вер. 1,0).



Рис. 19. Макроскопическая картина плоскости разрушения бедренной кости с медиальной стороны: а - зона разрыва, б - зона развития магистральной трещины, в - долома, г - зона разруба

Рис. 20. Макроскопическая картина плоскости разрушения бедренной кости с латеральной стороны. Стрелкой отмечена зона сколов

На плоскости излома в зоне развития магистральной трещины наблюдалась неодинаковая морфологическая картина разрушения на медиальной и латеральной поверхностях кости (рис. 21).

В зоне развития растягивающих напряжений на медиальной поверхности в направлении внедрения индентора, где преобладали деформация отрыва, наблюдалась ровная, гладкая область разрушения, соответственно ей - ровный край излома с еле угадывающимися гребнями поперечного сдвига, которые постепенно переходили в гребни продольного сдвига, на латеральной поверхности нами регистрировались «шевронные» и «краевые» рубцы, соответственно им наблюдался мелкозубчатый край излома.

Рис. 21. Несхожесть морфологии разрушения противоположных поверхностей бедренной кости: 1 - «шевронные», 2 - «краевые рубцы», 3 - ровная, гладкая поверхность области разрушения

В зоне долома на латеральной поверхности, после перехода деформации отрыва в поперечный сдвиг наблюдались костные гребни поперечного сдвига, которые были более массивными чем в первой серии наблюдений. Не схожесть морфологической картины - «разнорельефность» зоны разрушения на латеральной и медиальной поверхностях кости при деформации косого изгиба (рис. 21) свидетельствует о развитии сложного напряженно-деформированного состояния, сочетающего разные виды деформаций (отрыв, поперечный и продольный сдвиг) в этих областях в момент развития процесса разрушения. На медиальной поверхности в зоне долома регистрировался ямочный вырыв (рис. 22).

Рис. 22. Костные гребни поперечного сдвига (1), гладкая, ровная поверхность (2), ямочный вырыв (3), пунктирной линией показаны края излома на медиальной и латеральной поверхностях бедренной кости

Несимметричность разрушения нами оценивалась и при исследовании кости со стороны зоны первичного разрыва. От этой зоны, веерообразно на боковые поверхности в сторону разруба, развивались как магистральные, так и пасынковые трещины, напоминая букву «У» (вер. 1) (рис. 23).

При анализе повреждений тонких трубчатых костей наблюдалась аналогичная морфологическая картина разрушения, в ряде наблюдений нами регистрировались трещины распора и поперечной компрессии.

Построенная нами эпюра напряжений при косом изгибе представлена на рис. 24.



Рис. 23. У-образная линия перелома в зоне разрыва большеберцовой кости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 24. Построение эпюры напряжений при косом изгибе

Моделирование процесса разрушения нами было предпринято в среде ANSYS-9 education. На рис. 25. изображен характер деформации полого цилиндра под воздействием острого индентора при косом изгибе. На рис. 26. показан характер и направление главных напряжений, как на поверхности, так и в толще кости при деформации полого цилиндра, опертого по концам под воздействием острого индентора, создающего направлением своего воздействия состояние косого изгиба.



Рис. 25. Характер деформации полого цилиндра под воздействием острого индентора. Стрелкой показано направление воздействия

Рис. 26. Характер и направление главных напряжений при косом изгибе Стрелкой показано направление воздействия индентора. Цветовая шкала отображает рост величины главных напряжений (синий цвет отражает отсутствие напряжений, красный - максимальную величину главных напряжений)

Как показали результаты математического моделирования область максимальной концентрация напряжений (на рисунке она отмечена красным цветом) в отличии от деформации чистого изгиба смещается в соответствии с плоскостью нанесения повреждения согласно условий косого изгиба.

Резюме. В морфологии разрушения длинных трубчатых костей на упругом основании при косом изгибе, обусловленном воздействием сосредоточенной силы были выявлены следующие особенности:

· вытянутость, углообразность формы зоны разрыва в сочетании со смещением ее в медиальную или латеральную сторону;

· У-образная линия перелома кости;

· наличие шевронных и краевых рубцов в зоне магистральной трещины на одной стороне разрушения и ровной гладкой поверхности на другой;

· наличие гребней поперечного сдвига на одной из поверхностей кости переходящих в гребни продольного сдвига;

· ямочный вырыв в зоне долома на одной из поверхностей;

· магистральные трещины на медиальной и латеральной поверхности кости имеют неодинаковое развитие и направление (мощное ветвление на одной и слабое на другой поверхности);

· пасынковые трещины на медиальной поверхности имеют веерообразное, а на латеральной - линейное строение.

Серия 3. Опирание кости на упругом основании при сочетании деформации чистого изгиба и кручения. Зона разрыва макроскопически представлялась как площадка с отвесными ровным, хорошо сопоставимыми краями. Как и в предыдущих сериях наблюдений, она была мелкозернистой, а в нативном препарате - блестящей, но форма ее была полукруглой, она занимала меньшую площадь поверхности разрушения, что связано с быстрым переходом растягивающих напряжений в касательные, а деформации отрыва - в поперечный сдвиг (рис. 27).

Рис. 27. Морфология разрушения медиальной (1) и латеральной (2) поверхностей бедренной кости. Сплошной линией обозначены зона разруба (3) и зона разрыва (4), пунктирной линией обозначен вектор направления удара

Зона разрыва в сравнении с наблюдениями первой серии экспериментов, смещалась медиальнее или латеральнее проекции удара от диаметрально противоположной поверхности кости в зависимости от направления и величины крутящего момента.

От зоны разрыва по боковым поверхностям кости регистрировались магистральные трещины, которые принципиально отличались от всех магистральных трещин, регистрируемых в предыдущих сериях наблюдений. Они давали минимальное количество пасынковых трещин. В предыдущих сериях наблюдений трещины отходили от магистрального направления на угол до 450, и далее развивались практически линейно, а затем затухали в толще кости. В этой серии наблюдений трещины отходили от зоны разрыва под углом, большим 450, затем параболически (в виде плавной дуги) изгибались, стремясь приобрести направление вдоль длинника кости (вер. 1,0).

На боковых поверхностях кости трещины развивались преимущественно в противоположных направлениях. Например: на внутренней поверхности кости максимальное развитие получали трещины на проксимальном отломке и направленные вверх (рис. 28).

Рис. 28. Трещины на проксимальном отломке бедренной кости

На наружной поверхности кости максимальное развитие получали трещины на дистальном отломке и направленные вниз (рис. 29).



Рис. 29. Трещина на дистальном отломке бедренной кости

На плоскости излома в зоне развития магистральной трещины наблюдалась разная, асимметричная морфологическая картина разрушения на медиальной и латеральной поверхности кости, за счет вращения их в противоположных направлениях, а зоны тождественного разрушения располагались на дистально и проксимально расположенных участках.

От зоны разрыва в направлении внедрения индентора на латеральной поверхности, расположенной против направления кручения нами регистрировались «шевронные» и «краевые» рубцы. Медиальная поверхность, расположенная по направлению кручения была ровной, гладкой и круто переходила в долом с подрытием края излома (см. рис. 30).

Рис. 30. Морфологии разрушения медиальной и латеральной поверхностей бедренной кости: 1 - «шевроны», 2 - «краевые рубцы», 3 - ровная, гладкая поверхность области разрушения

В зоне долома на медиальной поверхности кости нами регистрировались гребни поперечного, а на латеральной поверхности - гребни продольного сдвига, костные ступеньки направленные по ходу кручения (см. рис. 31).

Рис. 31. Костные гребни поперечного сдвига (1), костные ступеньки (2) на поверхности разрушения бедренной кости

Характер ветвления трещин, метрические параметры на диаметрально противоположных боковых поверхностях кости были достаточно схожими (вер.1,0). Зона долома открывалась в разруб. По морфологическим признакам область зарождения, развития и долома соответствовала картине поперечного перелома, который развивается при деформации поперечного изгиба, но на продольных участках пасынковых трещин нами регистрировались сколы компактного вещества и сами трещины параболически изгибались и по форме напоминали крыло бабочки, тем самым, указывали на деформацию кручения, присоединяющуюся уже после начавшегося разрушения от деформации изгиба. Края трещин были пилообразными, что характерно для разрушения костной ткани от разрыва при сдвиге.

Зона разрыва, при сочетании деформации изгиба и кручения отличалась от таковой при чистом изгибе и напоминала кривую в виде графика функции арктангенса (рис. 32).



Рис. 32. Зона разрыва бедренной кости с формированием трещин при изгибе в сочетании с кручением (а), график функции арктангенса (б)

Морфология повреждения показала этапность развития разрушения трубчатой кости при сложном напряженно-деформированном состоянии, вызванном деформациями изгиба и кручения. Сочетание двух этих видов деформаций вызывают смещение критического сечения, что обуславливает перемещение первичного разрыва от диаметральной противоположной поверхности кости в сторону, т.е. с задней на боковую поверхность кости. Далее, деформация изгиба приводит к развитию магистральной трещины, которая, ветвясь, дает две мощные трещины - одну по направлению «классического» разрушения при изгибе, а другую - по направлению деформации кручения, при этом пасынковая трещина проходит под углом 45, что характерно для деформации кручения, затем трещина изгибается, приобретая продольное направление. Большое конкурирующее значение деформации кручения доказывает значительная степень развития указанных трещин. За счет того, что подвижность бедра в тазобедренном суставе при горизонтальном положении тела обеспечивается в пределах нескольких градусов, что приводит к тому, что разрушение по типу винтообразного перелома не происходит - превалирует деформация изгиба.

При исследовании переломов нами регистрировался зубовидный отломок (рис. 33), описанный В.И. Бахметьевым (1992) как признак винтообразно-сгибательного перелома (вер. 1,0).

Рис. 33. Зубовидный выступ показан стрелкой

Для проверки полученных данных нами предпринят математический анализ характера деформаций методом сечений с построением эпюр деформаций, возникающих при нагружении кости (рис. 34).

На рис. 35 приведены результаты математического моделирования процесса разрушения в среде ANSYS- 9 education (бесплатная версия пакета «ANSYS» для обучения). Красными стрелками показано направление воздействия индентора, черными - направление кручения. Цветовая шкала отображает рост величины главных напряжений (синий цвет отражает отсутствие напряжений, красный - максимальную величину главных напряжений)

Рис. 34. Построение эпюр при кручении в поперечном сечении с изгибом

Резюме. В морфологии разрушения длинных трубчатых костей на упругом основании при сочетании деформации чистого изгиба и кручения при воздействии сосредоточенной силы были выявлены следующие особенности:

· полукруглая зона разрыва в сочетании со смещением ее в медиальную или латеральную сторону;

· линия перелома кости в виде графика функции арктангенса;

· асимметрия развития разрушения на латеральной и медиальной поверхностях в сочетании с тождеством на дистально и проксимально расположенных участках кости;

· наличие гребней поперечного сдвига на медиальной поверхности в сочетании с гребнями продольного сдвига на латеральной поверхности кости;

· костные ступеньки в зоне долома направленные в сторону кручения;

· мощное развитие магистральных трещин в поперечном и продольном направлении;

· параболический изгиб магистральной трещины;

· разнорельефная картина излома на медиальной и латеральной поверхностях в сочетании с параболическими трещинами;

· пилообразность края магистральных трещин;

· зубовидный отломок кости.



Рис. 35. Этапы нагружения полого цилиндра под воздействием острого индентора в динамике (стрелками указаны нагружения)

Выводы

Возникновение и формирование морфологической картины разрушения длинных трубчатых костей, сечение которых может быть круглой, треугольной, квадратной формы, в каждом конкретном случае имеет свою специфику при рубящем воздействии. Этот процесс сложный и многогранный. Деформирование, локализация и направление растягивающих, сжимающих и касательных напряжений, обусловливающих конечный этап деформации - разрушение, зависит не только от конструкционных свойств кости, но и от условий внешнего воздействия. Изменение свойств подложки, направления, а также уровня внешнего воздействия или его угла значительно влияет на распределение силовых напряжений в деформируемом теле. Происходит передислокация наиболее напряженных участков, а, следовательно, изменение характера деформации в целом. Меняется и вид разрушения. Различия в морфологической картине разрушения позволяют выявлять отдельные закономерности, на основании которых можно четко дифференцировать условия внешнего воздействия.

1. Деформация косого изгиба длинной трубчатой кости проявляется в несимметричности морфологической картины разрушения, для которой характерно сочетание разных элементов рельефа на медиальной и латеральной поверхности кости, углообразной формы зоны разрыва и смещении ее в медиальную или латеральную сторону, мощного ветвления магистральной трещины на одной и слабого на другой боковой поверхности; У-образной линии перелома кости, что позволяет отличать его от других видов нагружения острым индентором.

2. Установление разрушения длинной трубчатой кости в условиях сочетания деформации изгиба и кручения может быть осуществлено по видоспецифическим признакам повреждения: небольшой по площади зоне разрыва со смещением ее в медиальную или латеральную сторону; асимметрии разрушения латеральной и медиальной поверхности в сочетании с тождеством на дистально и проксимально расположенных участках кости; линии перелома кости в виде графика функции арктангенса; костных ступенек в зоне долома направленных в сторону кручения, параболически изгибающихся в виде крыла бабочки мощных магистральных трещин с пилообразным краем и зубовидного отломка для верификации которых были рассчитаны диагностические коэффициенты.

3. Морфология разрушения при чистом изгибе длинной трубчатой кости, расположенной на основании Винклера имеет характерные видоспецифические отличия, присущие только данному виду нагружения: множественность зон разрыва, диаметральная противоположность зоны разруба и одной из зон разрыва; однородность рельефа медиальной и латеральной поверхности кости; округлая форма зоны разрыва; симметричность и веерообразность магистральных трещин; Х-образной линией перелома кости; наличие костных ступенек в зоне долома, направленных перпендикулярно плоскости разрушения; "смещение" участков продольной трещины относительно друг друга (в зоне контакта с индентором).

4. Совокупный анализ морфологических свойств поверхностей изломов и своеобразие топографии разрушений позволяет в каждом конкретном случае не только реконструировать механизмы травмы, но и судить об отдельных деталях событий происшествия.

5. Математическое моделирование сложно-напряженного деформированного состояния длинной трубчатой кости методом конечных элементов является перспективным методом исследования, позволяющим проводить дифференциальную диагностику разрушения кости при различных условиях.

Практические рекомендации

Диагностика механизмов и условий формирования рубленых повреждений длинных трубчатых костей должна проводиться с позиции системного подхода исследования объектов, который включает в себя этапность проведения исследовательских процедур: описание повреждений на трупе, изъятие поврежденных костных объектов, приготовление костных препаратов, описание и качественная оценка морфологических особенностей рубленых повреждений, моделирование условий причинения повреждений.

При проведении осмотра места обнаружения трупа с повреждениями, причиненными рубящими орудиями руководствуются нормативными положениями (Приказ МЗ 161 от 24.04.2003г.), при этом особое внимание уделяется следующим моментам:

1. При наружном осмотре фиксируется положение тела на месте обнаружения (навзничь, боком, лицом вниз), взаиморасположение частей тела (головы, рук, ног) относительно друг друга; расположение микроследов пыли и повреждений одежды, которые необходимо сопоставить с повреждениями на теле, для констатации одновременности их появления; следы крови и биологических наложений (пятна, мазки, помарки), на одежде и окружающей обстановке, направление смещения этих следов; осуществляется замеры расстояния расположения повреждений на одежде, на теле от подошвенной поверхности к следам крови, фрагментам мягких тканей и мелким костным осколкам и отломкам, расположенным в близи и на отдалении от трупа (осуществляются замеры от области расположения повреждений до объектов окружающей обстановки и друг друга); размеры, общая длина и кривизна (радиус) разлета брызг от места разруба до окончания биологических наложений - эти и вышеперечисленные данных вносятся в Протокол осмотра трупа на месте обнаружения с фиксацией результатов осмотра.

2. Наружные повреждения описываются по общему плану с обязательным определением и указанием направления плоскости повреждения относительно продольной оси кости (для большей наглядности можно сделать схематический рисунок).

3. Во время упаковки и транспортировки трупа в морг необходимо соблюдать меры предосторожности для сохранения следов повреждений, осколков костей в местах разрубов, микроналожений крови и пыли в первоначальном виде (для этих целей используются полиэтиленовые пакеты, пленка, бумага, ткань) в соответствии с имеющимися нормативными документами.

4. Перед проведением экспертизы трупа в морге, одежда трупа описывается, снимается и передается для проведения дополнительных исследований. По ней определяют: область и сторона максимального повреждения и загрязнения ткани относительно тела пострадавшего; зону и способ предполагаемой фиксации к опоре, с учетом сведений об отсутствии дополнительных загрязнений тела в результате транспортировки или перемещения после происшествия.

5. Наружное исследование трупа необходимо проводить в соответствие с нормативными документами (Приказ МЗ 161 от 24.04.2003г.), особо внимание следует обращать на: длину расчлененных останков; полноту их присутствия; характер, морфологические и метрические особенности повреждений на теле трупа: характер рубленых повреждений, наличие подсыхания краев, наличие и локализация следов-вдавлений, состояние концов рубленых ран.

...