Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Кислов Максим Александрович

Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий
<
Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Кислов Максим Александрович. Морфология и механика разрушения костной ткани под действием колюще-режущих орудий: диссертация ... доктора Медицинских наук: 14.03.05 / Кислов Максим Александрович;[Место защиты: Московский государственный медико-стоматологический университет имени А.И. Евдокимова Министерства здравоохранения Российской Федерации].- Москва, 2016.- 241 с.

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Обзор литературы. актуальность вопроса колото резаных повреждений костей 10

Строение плоских костей 10

Разрушение костей 13

Колото-резаные повреждения 16

Колото-резаные раны кожи 19

Вопросы биомеханики колото-резаных повреждений 20

Методики фиксации повреждений 21

Разрушение костей с позиции теории резания материалов 25

Математическое моделирования методом конечных элементов для оценки механизма формирования колото-резаного повреждения 29

Колото-резаные повреждения костей 32

Глава 2 Материалы и методы исследования 43

Особенности резания слоистых материалов 48

Определение необходимого числа наблюдений и измерений . 50

Глава 3 Морфологические особенности колото-резаных повреждений ребер при воздействии колюще-режущим предметом под различным углом к длиннику ребра 59

Морфологические особенности повреждений ребер при колото-резаных повреждениях вдоль слоистости (возможный угол отклонения до 29) 59

Морфологические особенности повреждений ребер при колото-резаных повреждениях, расположенных косопоперечно к длиннику ребра (возможный угол отклонения до 30-59). 74 Морфологические особенности повреждений ребер при колото-резаных

повреждениях, расположенных поперечно к слоистости ребра (возможный угол отклонения до 60-90) 85

Глава 4 Морфологические особенности колото-резаных повреждений лопатки при воздействии колюще-режущим предметом 97

Изучение слоистости компактной ткани лопатки 97

Сквозные повреждения лопатки 102

Морфологические особенности сквозных повреждений, нанесенных поперек двусторонней параллельной слоистости 102

Морфологические особенности сквозных повреждений, нанесенных вдоль двусторонней параллельной слоистости 107

Морфологические особенности сквозных повреждений, нанесенных по участкам кости с косым расположением слоистости на наружной и внутренней компакте 112

Повреждения лопатки на участках, где кость имеет трехслойную структуру 118

Морфологические особенности повреждений лопатки с воздействием ножа вдоль остеонов 120

Морфологические особенности повреждений лопатки при колото-резаных повреждениях более 45 к слоистости компакты 123

Глава 5 Классификация 125

Синтетическая часть экспериментальных данных 125

Теоретические аспекты резания костной ткани. Систематизация и

классификация повреждений костной ткани под воздействием острых

предметов 134

Выводы 149

Практические рекомендации 151

Литература 155

Приложение 1 192

Колото-резаные раны кожи

Среди предложенных Темновым В.Г. принципов построения бионических систем и компонентов, особый интерес представляют: возможности построения траикториальных конструкций, размещения материалов на основе гетерогенных позиций, применение упаковок полигонального типа, резильянса – накопление наибольшего объёма упругой энергии и другие [230].

Его работы легли в основу моделирования путём конечных элементов и создания систем с пластинчато-стержневыми структурами. Были созданы архитектурные композиции с траекториальными типами конструкций [229].

Разрушение костей Под действием механических факторов костная система подвергается деформации. В зависимости от особенностей объекта, подвергающегося нагрузкам, сила напряжений перераспределяется [3,19,46,290,132,294].

В своих работах, Крюков В.Н. (1986) даёт определение процессу разрушения костей, как изменение сплошной структуры их материала под действием внешних факторов. Автор выделяет следующие этапы явления: 1) появление трещин – начальная стадия; 2) полное разрушение кости за счёт образования двух или более сегментов. А также различает: хрупкий; пластичный или вязкий; усталостный вид разрушения, а также, кратковременное или длительное [133].

Описаны способы механического разрушения трубчатых костей на основе теории деформации твердых тел. В прилагаемых расчётах приведены параметры зависимости жёсткости костной конструкции от диаметра её поперечного сечения. Автор впервые в учёном мире открыл зависимость величины образования глубины основной трещины в кости от силы, и резкости удара.

Были установлены основные отличия между разрушениями под действием статистического или динамического напряжений. В работах были представлены критерии выявления способов воздействия, ставших причиной травм. Благодаря исследованиям в области топографии костных деформаций в процессе силовых воздействий были открыты возможности по прогнозированную вида разрушения, в зависимости от силы и направления удара [132-134]. При этом отмечается, что кость разрушается на небольшом участке, за счет относительно равномерно распределяющихся растягивающих напряжений. Однородность прочностных характеристик обеспечивает одномоментное разрывное разрушение. Оно имеет достаточно определенные морфологические признаки. Плоскость разрыва направлена перпендикулярно направлению растягивающих сил. Края перелома в этой зоне относительно ровные, поверхность разрывного участка – мелкозернистая, за счет различных прочностных характеристик гидроксилаппатита и коллагена. В области максимальных поверхностных растягивающих напряжений, прилегающей к внешней части, выделяется небольшой участок – место удара или начало разрушительной зоны. Затем наблюдается её сдвиг. Область повреждения расширяется. Растягивающие кость напряжения перетекают в касательные, что связано с образованием отклонения линии перелома от наплавления, полученного в первый момент удара и приобретение ею извилин, с образованием ступенек и зубцов, которые по мере роста и развития магистральной трещины увеличиваются и приобретают некоторый наклон по ходу плоскости разрушения, на которой исследователями регистрировались «шевронные», краевые и радиальные рубцы, гребни поперечного и продольного сдвига, ямочные вырывы [126, 290, 188].

В зоне сдвига, в краевой части компактного вещества обнаруживаются мелкие ступеньки, которые формируются за счет того, что «веерообразные трещины» составляют с магистральными и друг с другом острые углы, которые открываются навстречу нагружению [54, 306].

При этом на направление и вид трещины в большой степени зависит от формы повреждённой кости. Так, продолговатые, прямые, подобно стержням или слегка изогнутые получают трещины преимущественно в поперечном направлении и соотносится с их длиной. В отличие от них пластинчатая материя подвергается и деформации на изгиб, и магистральное разрушение в поперечине, с параллельной направленностью относительно поверхности. Такие повреждения характерны для костей таза, основания черепа и пр. Учитывая особенности биомеханического и возрастного характера, автор, определил основные критерии различных видов повреждений костей, создав математические и физические модели костных систем. На их основе он провел исследования и определил критерии прочности и отличительные особенности от воздействия тупых, колющих предметов [127].

В результате исследований было установлено, что видов механического разрушения костей множество. Каждый из них зависит от многих факторов, и в первую очередь от орудия удара. Важнейшим фактором при этом следует считать форму поверхности, подвергающейся травмирующему воздействию; силу удара или кинетической энергии и угол её направленности.

Сочетаний таких факторов может быть огромное разнообразие. При этом, в одних случаях, главным критерием служит форма, в других, - сила удара, в-третьих, направленность.

Особое внимание уделяется двум типам травм. Один из них характеризуется тем, что, в процессе воздействия растягивает или сдавливает костные ткани. При большем приложении силы – разрывает их или раздавливает.

Второй, вид воздействия, создаёт режущие или расщепляющие травмы. Он осуществляется телом с острой поверхностью. При этом форма предмета может оставлять на повреждённом объекте чёткие очертания, только при небольшой скорости. При её увеличении в характере повреждения будут отражаться ещё и другие важные факторы, например, сила кинетической энергии.

Анализируя виды переломов, современные специалисты особое внимание уделяют факторам начала появления и распространения магистральной трещины. Её вершина отражает деформацию, образовавшуюся во время отрыва или сдвига в продольном или поперечном направлении. Схема хорошо работает при исследовании костных тканей, разрушающихся по хрупко-пластичному или по хрупкому виду. Его применял в работе с соавторами В.И Бахметьев, в процессе фрактографических исследований (1991г) [8].

Определение необходимого числа наблюдений и измерений

Метод конечных элементов, применяющийся для определения напряжённо-деформированного состояния костной конструкции [12] зарекомендовал себя, как эффективнейший и перспективный способ изучения биологических конструкций. Он стал широко использоваться лишь недавно, благодаря развитию ЭВ [195].

Преимущества метода конечных элементов заключаются в возможности учитывать в анализе множество данных, таких, как форма кости, неоднородность её механических свойств по поперечному сечению и длине. Для изучения процессов, происходящих при разрушении кости, метод близок к «идеальному», если не считать, что работы на базе компьютерных технологий сложны и объёмны.

Согласно мнению Ю.И.Пиголкина, передовые инженерные методы исследований, адаптированные к вопросам судебной медицины, являются сегодня самыми перспективными [5].

Так, в процессе описания следообразующих орудий с целью их идентификации, пользуются понятием – зона острия. Учитывая, исследования, проведённые ранее [147], «зона острия» – это участок скоса клинка, находящийся под углом 45 относительного его продольной оси. На границе зоны острия осуществляется переход из резания в торец на продольное. То есть это есть зона, где сопротивление следовоспринимающего материла претерпевает изменение.

Роль зоны острия клинка в формировании повреждения колото-резанного типа широка. В частности, она определяет характер изменения напряжений в тканях, возникающих на границе главной и дополнительной кромки лезвия. для исследования поведения сплдовоспринимающего объекта в процессе резания применяют эффективный метод конечного элементарного анализа Для определения роли «зоны острия» клинка в формировании колото-резаных повреждений, напряжений (и их изменения) в материале, возникающих в области режущих кромок клинка (главной и дополнительных), а также поведения следовоспринимающего объекта в процессе резания, используется метод конечно-элементного анализа [212]. Метод - (англ. Finite Element Analysis, FEA) широко применяется в решение различных задач в различных областях физики, включая магнито-, электростатику, механику деформируемого твёрдого тела. В системах автоматизированного конструирования (CAE) её используют для моделирования в цифровом виде без изготовления макета.

Моделирование процесса в компьютерной программе сокращает расходы на проведение испытаний, таких, например, как аварийные крэш-тесты, продувка в аэродинамической трубе и пр. Математический метод конечных элементов (МКЭ) сегодня широко применяется в исследования судебно-медицинской науки.

Моделируя колото-резанного повреждения, и рассматривая их с позиции механики напряжённо деформированного твёрдого тела, определяем клинок, как индентор, а плоскую кость, как балку, мягкие ткани – основание Винклера [9, 134]. Изучая воздействие индентора, разрушающего ткань кости, создаём математическую модель с описанием характеристик взаимодействия, картины разрушения и прочих критериев процесса.

Численные исследования помогают получить прогнозируемые варианты повреждений и теоретическое обоснование сразу нескольких приёмов, которые можно было бы получить более затратным экспериментальным путём.

Метод конечных элементов наилучшим образом решает вопросы контактного разрушения объекта. Он удобен для численного описания контактного взаимодействия. Эффективен при аппроксимации сложной геометрии, нелинейных свойств материала и высокоградиентного распределения характеристик НДС. С его помощью сегодня моделируют многие процессы, в том числе, трещинообразования, контактного проскальзывания, фрагментации костных тканей.

Благодаря использованию МКЭ эксперты, в ходе проведения расчётов, без особых усилий проводят корректировку узлов и перестраивают конечно-элементарные сетки, получая оптимально точные решения на ЭВМ. Здесь создаётся фактическая модель пошаговых нагрузок, образующих картину разрушения кости с решением квазистатической контактной задачи.

В работе С.В.Леонова освещено применение МКЭ в исследовании процесса разруба костной ткани на основании применения программного комплекса. Рассматриваемая контактная задача решалась в двумерной постановке для плоского деформированного состояния, основными неизвестными являлись перемещения узлов конечно-элементной сетки. Построение дискретной модели системы «индентор-кость» соответствовало реальным геометрическим размерам контактируемых объектов. Использовались треугольные конечные элементы с линейной аппроксимацией перемещений.

Проведенный конечно-элементный анализ рассмотренной задачи позволяет смоделировать достаточно сложные процессы, происходящие при контактном взаимодействии рубящего предмета и деформируемого объекта (трубчатой кости). Это позволяет выполнять численные исследования подобных проблем как в практической, так и теоретической области.

Экспериментальная проверка, в свою очередь, показала целесообразность и эффективность применения компьютерного моделирования при решении задач контактного разрушения. Выполненные расчеты удовлетворительно коррелируются экспериментальными данными, что подтверждает правильность используемых методов и алгоритмов решения задачи.

Морфологические особенности повреждений ребер при колото-резаных повреждениях, расположенных косопоперечно к длиннику ребра (возможный угол отклонения до 30-59).

Проведя экспериментальные исследования по морфологии разрушения костной ткани под действием острого колюще-режущего следообразующего объекта при различных условиях вкола, различных видов плоских костей скелета человека, под различными углами к расположению трабекул костной ткани (слоистости) мы обнаружили схожесть различных видов разрушений. Принципиальное значение имели следующие факты: морфология разрушения зависела от толщины и выраженности каждого слоя костной ткани (компакты и/или губчатого вещества); морфология разрушения зависела от взаимного расположения плоскости действия клинка и его лезвия по отношению к расположению слоистости ткостной ткани в зоне повреждения; морфология разрушений различных костных структур не зависела от названия кости, ее положения, конфигурации и т.д.; морфология разрушения костных структур практически не зависела от условий опирания кости на уровне формирования повреждения (чаще всего оно было представлено арочным опиранием пластины или балки с жесткой или полусвободной фиксацией концов).

Полученные морфологические данные, с учетом ранее проведенных изысканий, нам позволило дать характеристику различных видов морфологии разрушения костей под воздействием колюще-режущего следообразующего объекта.

Характеристика различных видов морфологии колото-резаных повреждений костей При исследовании повреждений нами выделено три зоны, соответствующие морфологии входного повреждения: участок действия зоны острия (торцевое резание), участок действия лезвия (продольное, либо поперечное резание), участок излома (трещина распора). S 3 зоны, соответствующие морфологии входного повреждения: a) Со стороны НКП: Чаще всего в зоне вкола обнаруживался дефект костной ткани с краями, образованными смятой компактой. Форма дефекта в точке вкола приближалась к равнобедренному треугольнику и соответствовала размерам зоны действия острия экспериментального ножа b) Профиль: на первом участке регистрировалось продольное расслоение НКП, смятие (уплощение в поперечном направлении) ячеек губчатого вещества кости. Отмечается перенос осколков компакты вглубь, на стенки повреждения. Исследование участка зоны действия острия показывает наличие преимущественное смятие ячеек губчатого вещества со стороны действия клинка ножа, то есть, от наружной компакты в сторону внутренней. Соответственно действию ребра обуха отчетливо фиксировался невооруженным глазом участок зашлифованности компакты и спонгиозы. Отмеченное соответствие объясняется единым механизмом образования повреждений - торцевое резание; c) профильное исследование стенок раневого канала повреждения позволяет четко определить точку вкола - зону действия острия клинка. Характер деформации НКП и ячеек спонгиозы позволяет дать оценку направления воздействия острия клинка и метрические характеристики острия клинка. Переход от первого участка ко второму регистрируется в виде углообразного изгиба края и стенки повреждения; a) Со стороны НКП: Ровная, гладкая зона разделения, параллельность противолежащих краев друг другу во всех плоскостях свидетельствовали о действии режущей кромки клинка на кость. b) Профиль: Участок действия лезвия (собственно резания) макроскопически определяется как ровная плоскость отделения. Деформация ячеек спонгиозы отсутствует. При исследовании участка зоны действия острия при помощи бинокулярной лупы (х10) хорошо видна плоскость разделения, которая представлена в виде незначительно выступающих и западающих плавных волнистых участков. Наиболее выступающие участки кости имеют выраженный блеск - это указывает на зашлифованность поверхности от действия полей заточки клинка.

Поля заточки лезвия при погружении в материал кости оказывают давления на стенки повреждения по типу клина, что приводит к формированию трещину распора (или опережающую трещину – синоним из теории резания материалов). После скачкообразного развития трещины происходит падение напряжений на стенках повреждения. При дальнейшем погружении клинка давление полей заточки на стенки вновь возрастает, что приводит к нарастанию напряжений к созданию условий для формирования трещины распора вновь. Размер опережающей трещины можно оценить по зашлифованности стенок поверхности резания. При развитии опережающей трещины вдоль линий слоистости, когда сопротивление материала кости минимальное, трещина должна получить максимальное развитие (по типу колки материала). При действии клинка поперек линий слоистости сопротивление костной ткани максимальное и однократное развитие трещины распора будет ограничиваться двумя- тремя линиями слоистости кости.

Морфологические особенности сквозных повреждений, нанесенных поперек двусторонней параллельной слоистости

При исследовании повреждений со стороны наружной костной пластинки нами выделено три зоны, соответствующие морфологии входного повреждения: участок действия зоны острия (торцевое резание), участок действия лезвия (продольное, либо поперечное резание), участок излома (трещина распора): г) зоне действия острия соответствовал участок смятия (сколов) компакты с треугольным дефектом, по размеру несколько большим размерам зоны острия клинка, в виде мелких площадок, ограниченных трещинами; д) участок действия лезвия (продольное, либо поперечное резание): за зоной смятия края повреждения были ровные края повреждения; ровная, линейная зона разделения, параллельность противолежащих краев друг другу во всех плоскостях свидетельствовали о действии режущей кромки клинка на кость; е) участок излома: края повреждения приобретали мелко неровный характер, трещина распора отклонялась в сторону края, наиболее близкого к повреждению. При профильном исследовании повреждений нами выделено три зоны: участок действия зоны острия (торцевое резание), участок действия лезвия (продольное, либо поперечное резание), участок излома (трещина распора): а) на первом участке регистрировалось продольное расслоение НКП, смятие (уплощение в поперечном направлении) ячеек губчатого вещества кости, видны осколки компакты на стенках повреждения. Исследование участка зоны действия острия показывает наличие преимущественное смятие ячеек губчатого вещества со стороны действия клинка ножа, то есть, от наружной компакты в сторону внутренней. Соответственно действию ребра обуха отчетливо фиксировался невооруженным глазом участок зашлифованности компакты и спонгиозы; Переход от первого участка ко второму регистрировался в виде углообразного изгиба края и стенки повреждения; 145 б) участок действия лезвия (собственно резания) макроскопически определяется как ровная плоскость отделения. Деформация ячеек спонгиозы отсутствует.

При исследовании участка зоны действия острия хорошо видна плоскость разделения, которая представлена в виде незначительно выступающих и западающих плавных волнистых участков. Наиболее выступающие участки кости имеют выраженный блеск - это указывает на зашлифованность поверхности от действия полей заточки клинка; в) трещина распора определялась как неровная, зубчатая плоскость разделения. Макроскопическая картина в зависимости от условий нанесения повреждений. Направление удара. При перпендикулярном воздействии к плоскости по обоим краям повреждения регистрировались смятия компакты в виде мелких площадок, ограниченных трещинами. При вхождении клинка ножа в кость под углом смятие компакты наблюдалось преимущественно со стороны наклона орудия. Плоскость площадки смятия своим свободным краем была наклонена во внутрь повреждения, и соответствовала направлению погружения клинка. Направление извлечения клинка. При извлечении клинка ножа из повреждения с большим наклоном (углом более 10) на одну из сторон, чем при погружении, на кости образовались вторичные сколы компактного вещества, при этом в зоне вкола отмечался дефект костной ткани с краями, образованными смятой компактой с обоих сторон. При извлечении с наклоном на обух трещина, отграничивающая вторичный скол брала начало от зоны смятия компакты на уровне действия зоны острия ножа. При извлечении клинка ножа с нажимом на лезвие, образовывалась «возвратная» трещина, отходящая от острого угла повреждения.

Аналогичная картина наблюдалась при нанесении повреждения под одним 146 углом и извлечения под другим, без отклонения клинка ножа к обуху или к лезвию (с отвесным встречным углом). Когда наклон клинка незначительный, происходит обтирание края повреждения. Влияние типа резания на морфологию повреждения. Оценивая механизм разрушения с позиции слоистости материала, мы пришли к выводу, что колото-резаные повреждения объединяют в себе несколько видов резания, когда один вид резания при внешнем травматическом воздействии клинка переходит в другой. При колюще-режущем воздействии клинка имеет место комбинированное резание – торцевое, переходящее в продольное, либо торцевое, переходящее в поперечное. Все это формирует морфологическую картину, которая на 1 этапе (торцевое резание) свойственна колющим и рубящим (блокированный тип резания) предметам (при их полном погружении).

На втором этапе (собственно резание) макрокартина будет отражать действие предметов при свободном или полусвободном типе резания (действие режущей кромки клинка или вкол с нажимом на одну из его сторон). Извлечение клинка ножа, фактически, представляет собой второй этап формирования повреждения, с той лишь разницей, что образуется при извлечении клинка. Влияние вида костной ткани на возможности идентификации. Губчатая костная ткань с первым типом строения (ребра): можно определить ширину, длину, зону острия, наклон орудия; возможна трасологическая идентификация; профиль имеет достаточные размеры для его макро- и микроскопического исследования. Губчатая костная ткань со вторым типом строения (позвонки): можно определить ширину, длину, зону острия. Возможна трасологическая идентификация. Профиль повреждения оценить затруднительно – пригоден только для микроскопического исследования.