Влияние механических и морфогеометрических свойств черепа на характер его повреждений

Исследованию прочности и жесткости костной ткани скелета человека, и в частности костей черепа, посвящен целый ряд исследований отечественных и зарубежных авторов (Циммерман С.Э., 1935; Крюков В.Н., 1966-1972; I. Melrin, 1970 и многие др.). В этих работах изучались свойства костей как материала, зависимость их от степени минерализации, биохимического состава, возраста и других факторов. Проведенные на биоманекенах исследования (Громов А.П., 1969-1972; Дербоглав В.В., 1975 и др.) показывают, что имеется определенное несоответствие между изменениями прочности костной ткани и прочности комплекса костей (конструкции), например черепа. Эти различия можно объяснить тем, что прочность конструкции зависит не только от прочности и жесткости материала, но и от формы конструкции, ее толщины.

В своей работе мы рассматривали свод черепа как выпуклую упругую оболочку, жестко закрепленную на основании черепа. Нелинейная теория упругих оболочек (Погорелов А.В., 1967) дает ряд формул для расчета верхней критической нагрузки, исходя из механических свойств материала и индивидуальных. особенностей формы и толщины оболочки.

Изучение жесткости костей свода черепа (чешуя лобной, девая и правая теменные кости) проводилось с использованием электротензометрического способа определения деформации в лаборатории сопротивления материалов МВТУ им. Н.Э. Баумана. Нами проводилось определение модуля продольной упругости и коэффициента поперечной деформации. Статистическая обработка результатов исследования показала, что имеется четкая зависимость между модулем упругости и возрастом, которая может быть выражена следующим уравнением:

Е = (0,566lgВ - 0,003)х10⁵ кгс/см²,

где: Е - модуль упругости, lgВ - десятичный логарифм возраста.

Коэффициент поперечной деформации с незначительными индивидуальными отклонениями колеблется около 0,35 и не зависит от возраста.

Для характеристики формы головы в антропологии используется черепной показатель, который оценивает отношение продольного и поперечного диаметров головы и совершенно не пригоден для характеристики индивидуальных особенностей формы головы или отдельных ее участков. Для анализа формы головы нами проводилось измерение сферических координат 65 точек наружной поверхности головы с последующим их анализом. Обработка этих результатов показала, что свод головы можно представить как эллипсоид вращения с переменным положением фокальных точек и в ряде случаев с переменной величиной его полуосей. Столь значительные индивидуальные изменения затрудняют использование аналитического метода для определения кривизны оболочки в месте приложения силы. Поэтому для измерения кривизны в двух взаимно перпендикулярных направлениях нами был использован простой механический кривизномер, который позволял измерить среднюю кривизну на участке 8 си.

Возможность применения для расчета критической нагрузки положений нелинейной теории, нами осуществлялась в эксперименте на биоманекенах с электротензометрической регистрацией развивающихся усилий, В процессе моделирования повреждений головы нами были получены различные по характеру повреждения. Минимальным повреждением явились ушибленные раны мягких тканей волосистой части головы, затем трещины внутренней костной пластины, переломы костей, не распространяющиеся на основание черепа и, наконец, максимальным повреждением - многооскольчатые переломы, переходящие на основание. Во всех случаях моделирования повреждений ударяющей поверхностью служила полусфера радиусом 10 см. Анализ нагрузок и возникших повреждений показал, что трещины внутренней костной пластины образовались при нагрузках 250 - 550 кгс, в этом же диапазоне лежат нагрузки, при которых возникли раны мягких тканей и другие костные повреждения, т.е. не представилось возможным выявить какую-либо зависимость между приложенной силой и образовавшимися повреждениями. После расчета критической нагрузки с использованием данных о жесткости костей черепа и индивидуальных особенностях его толщины и формы в месте приложения силы оказалось, что имеется четкая зависимость между разностью приложенной силы и критической нагрузкой, с одной стороны, и характером повреждений, с другой. Чем больше разность, тем более выражено повреждение. При наличии ушибленных ран разность во всех случаях была отрицательной, т.е. приложенная сила была меньше запаса прочности черепа. При трещинах внутренней костной пластины разность в среднем составляет 34 кгс. Обнаруженная зависимость описывается уравнением

Р_р = 14,7х2,34^Х кгс,

где: Р_р - разность приложенной силы и критической нагрузки, т.е. запаса прочности головы, X - характер повреждений, условно закодированный цифрами 1, 2, 3.

Обнаруженная нами зависимость легла в основу алгоритма расчета силы удара по характеру повреждений костей черепа в судебно-медицинской практике.