Среди разнообразия происшествий, связанных с применением для нанесения повреждений различных механических средств (тупые орудия, острые орудия, огнестрельное оружие), тупые твердые предметы занимают доминирующее место при дорожно-транспортных происшествиях, падении с высоты, сдавлении тела массивными предметами. В разные периоды времени возникает определенная зависимость условий травматизации механическими средствами от плотности и скорости движения транспортных средств и высоты зданий при падении с них, что требует разработки новых методов доказательств характера происшествия, в том числе и от судебно-медицинской экспертизы, с работы которой начинает формироваться юридическая доказательная база.

Результаты научных исследований ученых, изучавших характеристики повреждений костей, показывают, что каждый костный комплекс (череп, грудная клетка, позвоночник, таз, или кости конечностей) по разному реагирует на силовую нагрузку и механогенез их разрушений. По данным многочисленных исследований, помимо общих механических и структурных факторов, на характер разрушения кости существенно влияют конструкция объекта, его анатомо-морфологические и биомеханические свойства [1—5].

Длинные трубчатые кости отличает стержнеобразная конструкция. С точки зрения строительной механики они реагируют на внешнюю нагрузку при силовых воздействиях преимущественно как двухопорная балка без консолей. Длинные трубчатые кости имеют в своей структуре хорошо выраженный слой компактного (на уровне диафиза) и губчатого вещества (на уровне метаэпифиза), в связи с чем в биосопромате их рассматривают как композитный материал, отвечающий на внешнюю нагрузку при достаточно хорошей прочности и определенной эластичности. В наиболее часто травмируемом возрасте трудоспособного населения (20-60 лет) они разрушаются по хрупко-пластическому типу в зависимости от скорости и направлений травматизации [6, 7].

С учетом того, что до настоящего времени в литературе недостаточно освещены вопросы механогенеза повреждений длинных трубчатых костей нижних конечностей в зависимости от скоростного нагружения, целью исследования являлась разработка судебно-медицинских критериев установления механизмов переломов нижних конечностей при динамическом (удар) и статическом (сдавление) воздействии тупыми предметами применительно к дорожно-транспортной травме и падению с высоты.

Задачи исследования

1. Изучение морфологических характеристик повреждений длинных трубчатых костей нижних конечностей при ударном и компрессионном нагружениях конечностей биоманекенов и костных образцов по методу фрактографии на разных структурных уровнях.

2. Установление особенностей фрактографических признаков излома кости в условиях нормального развития напряжений в костной ткани и сочетания деформирующих сил.

3. Выявление объективных морфологических качественных и количественных критериев разрушений при разных видах нагружений на основе анализа морфологической характеристики излома и в глубине компактного слоя кости.

4. Разработка программы сбора и учета диагностических признаков повреждений костей с использованием современных информационных технологий и средств визуализации.

5. Разработка моделей диагностики вида внешнего воздействия, ориентированных на внедрение результатов исследований в судебно-медицинскую практику.

Материал и методы

Материалом исследования являлись переломы в эксперименте на биоманекенах в 200 случаях повреждений длинных трубчатых костей нижних конечностей (из архива кафедры судебной медицины ВГМУ им. Н.Н. Бурденко) и 189 экспертных наблюдений на трупах лиц, погибших в результате дорожно-транспортных происшествий и падения с высоты.

Применяли следующие методы исследования: остеоскопию, стереомикроскопию, морфометрию, метод множественного регрессионного анализа.

Результаты и обсуждение

Для оценки переломов были использованы положения механики разрушения кости как деформируемого твердого тела, в основе которых лежит теория зарождения и развития трещины вследствие внешнего воздействия (нагружения) тупым предметом [7]. При этом в костной ткани происходит концентрация силовых напряжений в какой-то конкретной геометрической точке, обладающей минимальными запасами прочности. По своему характеру это разрушение — всегда разрыв. Возникнув, разрывная трещина начинает расти, что приводит к нарушению изначальной топографии силовых напряжений в виде изменения траектории магистрального разрушения, направление которого зависит от скорости и уровня нагружений относительно концевой части длинной трубчатой кости. На протяжении такого разрушения проявляются морфологические признаки его текстуры (структуры), которые отражают типы разрушений костной ткани, обозначенные как разрыв, поперечный сдвиг, продольный сдвиг — срез.

Отмеченная последовательность зарождения, распространения и завершения разрушений обусловливает нормальное развитие напряжений в костной ткани и отражает в чистом виде применение одного вида деформации кости — поперечного изгиба.

Описанный выше механизм разрушения свойственен больше диафизарной части длинной трубчатой кости и, как правило, возникает в результате локального (местного) приложения внешней нагрузки, что происходит чаще во время дорожно-транспортного происшествия при столкновении автомобиля с человеком и/или переезда колесами, а также типичен для удара или сдавливания конечности любым тупым предметом в поперечном (или близким к нему) направлении относительной продольной оси длинной трубчатой кости. Исследование таких переломов возможно ограничивать изучением на остеоскопическом уровне или применением методов непосредственной микроскопии при небольшом увеличении (рис. 1, на цв. вклейке).

Рис. 1. Поверхность перелома (излом) длинной трубчатой кости при ударе (а) и давлении (б).

1 — площадка зоны разрыва; 2— гребни в зоне сдвига. Ув. 10. Стрелкой на белом фоне показано направление вектора разрушения. Объяснение в тексте.

1 — area of the rupture zone; 2 — ridges in the shear zone. ×10. An arrow on a white background shows the direction of the destruction vector. The explanation is provided in the text. На рис. 1, а достаточно четко показаны признаки ударного воздействия: относительно ровная площадка соответствующая зоне разрыва, далее (см. рис. 1, а, 2, на цв. вклейке) — ступенчатый переход в зону сдвига в виде остроугольных гребней. При медленной нагрузке вследствие давления зона разрыва вдвое превышает размеры предыдущего разрушения при ударе (см. рис. 1, б, 1, на цв. вклейке), а в зоне сдвига гребни приобретают пологий вид и направлены к поверхности кости под прямым углом (см. рис. 1, б, 2, на цв. вклейке). Если рассматривать перелом в зоне сдвига со стороны периостальной поверхности кости, то при ударе край перелома имеет зубчатую, а при давлении — волнисто-ступенчатую форму.

С учетом того, что излом является лишь границей разъединения кости, представляется информативным исследование строения контуров излома и морфологии трещин компактного вещества на продольно-профильных распилах кости, что позволит в полной мере судить о процессах, протекающих в толще костной ткани при ее разрушении, в том числе на этапе пластической деформации.

Выявленная зависимость морфологии разрушения от вида внешнего воздействия дала возможность провести морфометрическое исследование признаков, которые, с одной стороны, были доступны для определения, а с другой — допускали математическую формализацию. Перечень исследуемых количественных признаков, приведен в табл. 1.

Таблица 1. Признаки, использованные для морфометрического исследования

Схема измерения некоторых количественных признаков представлена на рис. 2, см. на цв. вклейке.

Рис. 2. Схема измерения количественных признаков на продольно-профильном шлифе.

1 — длина зоны разрыва, 2 — длина поперечной трещины на стороне растяжения, 3 — угол общей траектории разрушения, 4 — толщина компактного вещества на стороне растяжения, 5 — высота максимального гребня в зоне долома, 6 — длина зоны долома, 7 — толщина компактного вещества на стороне сжатия, 8 — угол отхождения микротрещины «расклинивающего» типа, 9 — длина микротрещины «расклинивающего» типа; 10 — калибровочная линейка. Белой стрелкой показано направление распространения магистрального разрушения. Ув. 5.

По результатам измерения признаков экспериментальных случаев, формирующих обучающую выборку, была создана база данных, являющаяся основой для математического моделирования.

Для построения моделей диагностики вида воздействия использовали логистическую регрессию — разновидность множественной регрессии, общее назначение которой состоит в анализе связи между несколькими независимыми переменными (факторными признаками) и бинарной зависимой переменной, принимающей только два значения. Качество регрессионной модели оценивали по следующим показателям: значение среднеквадратической ошибки (δ) и значение множественного коэффициента корреляции (R).

При пошаговом включении признаков в модель было установлено, что для достижения достоверного результата диагностики вида внешнего воздействия достаточно использовать 7 признаков из всего их многообразия:

y₌ –201,200 + 3017,724 × а2 + 113,140 × а25 + 299,477 × а14 + 158,628 × а19 ‒ 711,163 × а22 ‒ 93,813 × а18 + 9,669 × а4,

при R²=0,99, δ=0

Для определения вида внешнего воздействия конкретного случая вычисляется значение функции отклика для каждой модели y_i по формуле:

где y_i рассчитывается следующим образом:

a_i — множество анализируемых признаков; x — множество коэффициентов регрессии.

Если значение функции отклика оказывается меньше чем 0,5, принимают решение, что модель классифицирует рассматриваемый экспертный случай как удар; если функция отклика принимает значение от 0,5 до 1, принимают решение, что данный случай классифицирован как давление.

Вместе с тем в результате проведенных нами исследований в вариантах внешних воздействий тупыми предметами на конечности нередко отмечалось одномоментное сочетание деформаций, таких как продольный изгиб, осевая нагрузка на кость, ее ротационное смещение в виде кручения, что вызывает в кости сложное напряженное состояние, приводящее к конкурирующему влиянию типов разрушений разрывного и сдвигового характера. Это отражается на формировании других специфичных морфологических критериев разрушения кости, существенно отличающихся от обычно выявляемых при нормальном развитии напряжений. Такое явление обычно возникает при падении с высоты на выпрямленные нижние конечности или при их повреждениях в результате травмы в салоне автомобиля во время столкновения транспортных средств.

При продольном направлении нагрузки формирование переломов длинных трубчатых костей происходит в результате одномоментного влияния на разрушение трех видов деформаций: «осевого сжатия», «продольного изгиба», «кручения». Для таких травм характерно фрагментарно-оскольчатое разрушение, занимающее не менее ²/₃ длины диафиза кости (рис. 3, на цв. вклейке).

Рис. 3. Схема формирования (а) и общий вид (б) фрагментарно-оскольчатого винтообразного перелома бедренной кости при падении с высоты с приземлением на стопу.

Сочетание деформаций: 1 — осевого сжатия, 2 — продольного изгиба, 3 —кручения; 4 — многооскольчатый перелом на участке верхней границы продольного изгиба с зигзагообразной траекторией разрушения; 5 — «муфтообразное погружение» концов отломков; 6 — поверхностный скол компактного вещества; 7 — продольно-вытянутый осколок; 8 — «отщеп» на уровне нижней границы перелома. Объяснение в тексте.

Такие переломы характеризуются многооскольчатым разрушением кости по верхней границе фрагмента с зигзагообразной траекторией (см. рис. 3, б, 4, на цв. вклейке), образованием гребней «муфтообразного погружения» концов отломков (см. рис. 3, б, 5, на цв. вклейке) с поверхностным сколом на уровне вершины гребня встречного отломка (см. рис. 3, б, 6, на цв. вклейке). Поверхность излома в зоне разрыва отличается наличием вклинений и борозд в результате одномоментного действия осевой нагрузки и кручения; зона сдвига — резкой сменой траектории от поперечной к винтообразной, образованием продольно-вытянутого осколка (см. рис. 3, б, 7, на цв. вклейке), заканчивающегося на нижней границе перелома сколом поверхности кости в виде «отщепа» (см. рис. 3, б, 8, на цв. вклейке).

Достоверность полученных результатов исследования подтверждается математико-статистическим анализом взаимосвязи качественных признаков повреждений и вариантом взаиморасположения длинной трубчатой кости с поверхностью приземления. Для оценки результатов был выбран метод множественного регрессионного анализа. Выполнена математическая обработка по выбранным параметрам, установлена их информационная значимость и диагностические коэффициенты. Для построения модели определения направления внешнего воздействия выбраны 24 параметра (табл. 2).

Таблица 2. Коэффициенты линейной регрессии полной матрицы факторов, влияющих на определение направления внешнего воздействия

Примечание. Звездочкой отмечены показатели, достоверность влияния которых на прогноз направления внешнего воздействия составляет не менее 90%.

Параметр «направление внешнего воздействия» считали зависимой переменной или откликом Y, а признаки (m) повреждений костей определены как объясняющие или варьируемые переменные. Дисперсионный анализ потенциала многофакторной матрицы в определении направления нагрузки на длинную трубчатую кость свидетельствует о статистической значимости на уровне 90% вероятности (табл. 3).

Таблица 3. Результаты многофакторного дисперсионного анализа влияния полной матрицы исследуемых факторов на определение направления внешнего воздействия

Примечание. Коэффициент детерминации R2=91,84%.

Значения величин коэффициентов прогнозирования для каждого направления внешнего воздействия представлены следующими диапазонами: для продольного направления нагрузки: 0—1,3, для поперечного — 1,3—3,51.

Результаты проведенного многофакторного дисперсионного анализа влияния исследуемых признаков переломов длинных трубчатых костей на определение направления внешнего воздействия свидетельствуют о достоверности значимости их влияния на искомый параметр более 99% (p=0,0021).

Установлено, что при высокой общей статистической значимости всего набора использованных признаков статистически значимое направление внешнего воздействия определяют следующие факторы: высота падения; локализация, вид и плоскость перелома плечевой кости; локализация перелома лучевой кости; направление нагрузки на локтевую кость и плоскость перелома; направление нагрузки на бедренную кость и плоскость перелома; направление нагрузки на большеберцовую кость и вид перелома.

Заключение

1. При действии тупого твердого предмета на нижние конечности разрушение длинной трубчатой кости зависит от вида внешнего воздействия и направления действующей силы, что вызывает образование разного вида деформаций, влияющих на формирование морфологических признаков переломов.

2. При поперечном воздействии орудия травмы доминирует деформация изгиба, сопровождавшаяся нормальным развитием напряжений в кости и образованием специфичных морфологических признаков повреждений на этапах зарождения, развития и завершения разрушений соответственно разрывного, сдвигового и срезывающего характера.

3. Одномоментное сочетание разных видов деформаций на кость вызывает сложное напряженное состояние костной ткани, что приводит к фрагментации с распространением разрушения на длину более ²/₃ диафиза, формированием характерных морфологических признаков на разных уровнях перелома, свойственных продольному направлению нагружений конечности.

4. Установлены морфологические критерии переломов, отражающие виды внешних воздействий, направления травматизации, положение тела пострадавшего в момент травмы.

5. Разработанные программы сбора и учета диагностических признаков повреждений костей, модели исследований переломов с использованием современных информационных технологий и средств визуализации определяют устойчивое и объективное решение вопросов диагностики механизмов переломов длинных трубчатых костей нижних конечностей для судебно-медицинской практики в случаях дорожно-транспортных происшествий и падения с высоты.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.