Огнестрельная перелом плоской кости

В современной литературе, посвященной огнестрельной травме, изложены лишь общие сведения о механизме формирования огнестрельного перелома. Морфология огнестрельного перелома плоской кости сведена к признаку «усеченный конус» либо «песочные часы». Причины формирования конусовидного дефекта или в форме песочных часов объясняются схематично, без подробного анализа механизма действия огнестрельного снаряда и учета новых научных данных теоретической механики.

Цель исследования — изучение механизма формирования огнестрельного перелома плоской кости.

Задачами исследования явились:

1. Изучение накопленного опыта и специальных судебно-медицинских познаний о механизме формирования огнестрельных переломов в плоских костях.

2. Изучение общих закономерностей формирования дырчатых переломов в плоских костях, причиненных выстрелами из пистолета ПМ и при внедрении тупого индентора.

3. Рассмотрение процесса трещинообразования при формировании огнестрельного дырчатого дефекта в плоской кости с использованием модели Хилла—Джонсона.

Провели анализ научной и специальной литературы, изучили экспертные (50) и экспериментальные (50) огнестрельные переломы плоских костей, причиненных выстрелами из пистолета ПМ, а также вдавлением в кость полусферического индентора (50). Контактную скорость пули в экспериментах измеряли на установке Скорость. Использовали визуальный, аналитический, сравнительный методы исследования, для оценки механики разрушения плоской кости — данные теоретической механики. Процесс разрушения под воздействием пули с полусферической головной частью рассматривали на примере задачи Герца и модели Хилла—Джонсона [1].

Известно, что, проходя через плоские кости, пуля оставляет конусообразные дефекты, основанием направленные в сторону полета пули [2]. Указанная морфологическая особенность нашла свое объяснение в теории ударного действия пули, которую разработали русские хирурги В.А. Тиле, В.Н. Павлов и Н.П. Ильин в конце XIX века. Согласно этой теории, в основе механизма огнестрельного повреждения лежат не гидрофильные свойства тканей, а энергия пули, которая по мере продвижения снаряда в пулевом канале распространяется в прямом и радиальном направлениях, вызывая разрушение тканей не только в зоне соприкосновения их с пулей, но и на периферии [3].

Теории ударного действия пули придерживался И.В. Давыдовский [4]. Он объяснял механизм формирования огнестрельного перелома явлениями разрыва и расщепления костной ткани в результате прямого удара, под действием которого плотная структура диафиза костей оказывается раздробленной. Множество свободных костных фрагментов, получив энергию от быстро движущегося снаряда, перемещается в виде вторичных снарядов, что, возможно, объясняет увеличение зоны разрушений в выходной части канала.

А.В. Смольянников [5] уточнил физическую сущность явлений прямого и бокового ударов. Он показал, что в результате прямого удара у точки, где снаряд входит в ткань, образуются ударные волны. Эти волны вследствие высокого давления толкают частицы ткани со скоростью звука, т.е. более 1000 м/с. В результате волны распространяются впереди снаряда как по оси движения пули, так и в стороны. Вследствие волнообразного движения частиц в радиальном направлении (без образования пульсирующей полости) возникает повреждение в стороне от оси раневого канала, что объясняет причины формирования конусообразных пулевых каналов в однородных средах. О механизме образования огнестрельного перелома А.В. Смольянников высказался схематично, используя данные Ф.К. Борнгаупта [цит. по 5]: «растрескивание костей черепа вызвано воронкообразным погружением наружной компактной пластинки в результате сжатия поперечника кости в месте удара (прямого удара) и сгибанием ее по длиннику, предшествующим перелому». Причиной бокового действия снаряда на плоскую кость, по мнению А.В. Смольянникова [5], является распирание стенок пулевого канала, а морфологическим проявлением распирания — образование радиальных и циркулярных трещин.

G. Callender (1943), E. Harvey и соавт. (1945), позднее С.С. Гирголав (1951), И.Ф. Огарков (1952) и другие исследователи [3, 6] установили, что при огнестрельном ранении высокоскоростными снарядами в тканях формируется конусообразная временная пульсирующая полость (ВПП). Возникновение ВПП, с одной стороны, подтвердило наличие бокового удара, а с другой — дало новые данные, в частности о формировании ВПП позади движущегося в тканях огнестрельного снаряда с направленностью вершины ВПП в сторону полета пули [3, 6]. E.Harvey и соавт. (1945) в отчете о высокоскоростной съемке процесса огнестрельного ранения показали, что «… бокового смещения тканей недостаточно для формирования ВПП если в них (тканях) нет наличия газа» [цит. по 3], фактически указав на «воздушное» происхождение ВПП. В дальнейших исследованиях эти данные не обсуждались. До появления работ А.Ю. Апполонова и соавт. [7] не было сведений о формировании ВПП в костной ткани. Вместе с тем развитие ВПП в тканях не объясняет причин формирования конусообразных пулевых каналов в плоских костях.

В дальнейшем в научной литературе процесс взаимодействия пули с преградой стали сравнивать с высокоскоростным ударом [8]. Были уточнены физические параметры ударной волны, которая возникает в тканях при огнестрельном ранении. В опытах Л.Б. Озерецковского [8] был установлен еще один вид волн, который фиксировался границами ВПП. В судебно-медицинской литературе последних десятилетий, посвященной огнестрельной травме, акцент сделан на демонстрацию отдельных морфологических проявлений огнестрельных повреждений без теоретического обобщения полученных эмпирических данных. Как следствие такого подхода возникло непонимание физической сущности и взаимосвязи выявляемых явлений и процессов, что привело к фактическому отказу от теории ударного действия пули. В современной судебно-медицинской литературе в понятие «механизм образования огнестрельного повреждения» стали вкладывать другое содержание — поражающая способность огнестрельного снаряда, т.е. способность вызвать повреждение с определенными морфологическими характеристиками, на которые влияют главным образом скорость огнестрельного снаряда и свойства повреждаемых тканей. Специалисты [4] стали выделять кавитационное действие при ранении высокоскоростными снарядами мягких тканей и ударное действие при ранении низкоскоростными снарядами и ранении «тканей с низкой плотностью» (костей). В учебной литературе [9] стали рассматривать несколько механизмов действия пули: разрывное, пробивное, клиновидное, контузионное, гидродинамическое и дробящее.

В.Н. Крюков [10] показал, что разрушение плоской кости при огнестрельном повреждении черепа происходит аналогично формированию дырчатого перелома при вдавлении в нее сферического твердого предмета: разрушение начинается за границей контактного круга с возникновения кольцевидной трещины от слияния краевых микротрещин, возникающих в однородном поле напряжений. Расширение (углубление) кольцевидной трещины сопровождается отклонением ее от центра и образованием по окружности конуса (так называемый конус Герца), что объясняет конусовидную форму пулевого канала.

В наших исследованиях [11, 12] рассматривали механизм образования огнестрельного перелома с позиции теории ударного действия пули. Было доказано, что прямой удар вызывает мгновенную локальную деформацию и начальное разрушение костной ткани вследствие разрыва от сжатия—растяжения и сжатия—сдвига с образованием пересекающихся подповерхностных, осевых и радиальных трещин в пределах конусообразного пространства, ограниченного кольцевидными трещинами (конус Герца). Внедрение снаряда сопровождается расщеплением ткани по наметившимся трещинам в результате отрыва со сдвигом и без сдвига и перемещением костных осколков с формированием конусовидного дефекта. Боковое (радиальное) ударное действие снаряда слагается из различных явлений: «измененного направления движения» пули, повреждающего действия движущихся раздробленных костных частиц и радиального действия ударных и баллистических волн, которые увеличивают зону локального разрушения костной ткани и формируют дополнительные ее повреждения, увеличивая угол осевого сечения конусовидного дефекта [13] или формируя дополнительное разрушение наружных слоев кости с формированием пулевого дефекта в форме песочных часов [14].

К недостаткам наших исследований [15] следует отнести отсутствие подробных научных данных о процессе «мгновенной локальной деформации» костной ткани. Кроме того, морфология дырчатого огнестрельного дефекта в наших исследованиях, как и в научной литературе, сведена к понятиям «конус Герца» (усеченный конус, «форма песочных часов») (рис. 1, а, на цв. вклейке).Рисунок 1. Образование осколков по типу «песочные часы» (выстрел из пистолета ПМ стандартной пулей). а — схема; б — огнестрельное повреждение плоской кости на поперечном сечении. В то же время экспертная практика и наши оригинальные наблюдения показывают, что форма огнестрельных переломов плоских костей черепа, причиненных стандартной оболочечной полусферической пулей пистолетного патрона 9×18 мм при выстреле из пистолета системы ПМ, отличаются от общепринятых характеристик: дефект на поперечном сечении кости имеет параболическую форму (см. рис. 1, б, на цв. вклейке).

Такую форму дырчатого огнестрельного перелома можно объяснить особенностью образования кольцевидной трещины, которая отклоняется от центра повреждения по мере ее погружения в костную ткань [10]. Подобное объяснение не объясняет причин ее отклонения. Приблизиться к понимаю особенностей формирования огнестрельного дырчатого перелома мы постарались путем детального изучения причин разрушения сплошного материала при внедрении тупого индентора на примере задачи Герца.

В результате контакта тупого индентора с упругим полупространством в окрестности контактной поверхности возникают сложное напряженное состояние и деформирование материала (рис. 2).Рисунок 2. Точечный контакт тупого индентора с поверхностью кости. R — радиус тупого индентора, а — радиус контактной площадки, h — глубина внедрения, Р — внешняя сила, σ — напряжение (внутренние силы, возникающие в деформированном объекте). Все главные напряжения являются сжимающими, они приводят к развитию в области контакта состояния, близкого к гидростатическому сжатию (материал сжимается по всем трем направлениям одинаково) (рис. 3, 4, рис. 5, на цв. вклейке).Рисунок 3. Распределение главных напряжений на поверхности (I) и в глубине (II) материала.Рисунок 4. Контакт тупого индентора с упругопластическим полупространством. Штриховкой отмечена зона трехосного равномерного сжатия.Рисунок 5. Гидростатическое сжатие при контакте тупого индентора с плоской костью. I — вид со стороны наружной пластинки; II — шлиф кости; II — вид со стороны внутренней пластинки. В состоянии гидростатического сжатия разрушение материала невозможно [1].

Затем участок гидродинамического сжатия в толще кости оказывает воздействие на материал, расположенный спереди и сбоку, разрушая его. Следовательно, зона гидростатического сжатия способствует увеличению размеров деформируемого участка в толще ткани и расширению раневого канала в направлении движения огнестрельного снаряда.

Сложное напряженное состояние и деформирование материала, вызывающие развитие «гидростатического ядра», сменяются дроблением костной ткани с образованием трещин. Для объяснения закономерностей трещинообразования рассмотрим этот процесс с использованием модели Хилла—Джонсона «внедрение тупого индентора в упругое полупространство» (рис. 6).Рисунок 6. Контакт тупого индентора с упругопластическим полупространством. Черным цветом отмечена зона «гидростатического ядра»; штриховкой — зона пластической деформации, серым цветом — упругая зона; светлым — зона формирования трещин.

Согласно модели Хилла—Джонсона, при «внедрении тупого индентора в упругое полупространство» возникают напряжения, которые обеспечивают развитие кольцевидных, конических (параболически расширяющихся) и медианных трещин (рис. 7).Рисунок 7. Разрушение в упругопластическом полупространстве при внедрении тупого индентора (схема).

При низкой контактной скорости огнестрельного снаряда (до 150 м/с) разрушение происходит по квазистатическому механизму и полностью соответствует рассматриваемой модели Хилла—Джонсона. В результате такого вида разрушения кости образуются своеобразные грибовидные осколки (рис. 8, а, б, на цв. вклейке).Рисунок 8. Костные осколки, образовавшиеся с внутренней (а) и наружной (б) сторон костных пластинок при формировании переломов, причиненных пулями, выпущенными из пистолета ПМ с контактной скоростью 110 м/с (а, б), и осколки, образовавшиеся при скорости пули 275 м/с (в).

При высокой контактной скорости огнестрельного снаряда (более 250 м/с) в зоне гидростатического сжатия, характерного для статического нагружения, возникают динамические колебания — волны (согласно данным литературы). Эти волны распространяются от «гидростатического ядра» в направлении движения огнестрельного снаряда. Несмотря на образование множества мелких костных осколков, характер параболических трещин, образующих стенки дефекта (см. рис. 8, в, на цв. вклейке), полностью соответствует решению задачи, рассмотренной согласно модели Хилла—Джонсона. Объяснить такую особенность можно тем, что динамическое нагружение при действии индентора формируется с большей скоростью, чем скорость звука в нагружаемом материале. Скорость звука в компактном веществе кости составляет 1500—2000 м/с, в губчатом — 1400 м/с. Действие снаряда со скоростью 250 м/с также можно рассматривать как квазистатическое нагружение (статическое с элементами динамического).

Рассмотренные задачи теоретической механики позволили уточнить механизм формирования дырчатого перелома кости от воздействия полусферического огнестрельного снаряда. В основе формирования перелома лежит сложнонапряженное деформированное состояние материала кости, ведущее сначала к развитию «гидростатического ядра» в костной ткани, а затем к первичному разрушению материала, проявляющемуся образованием трещин. В зоне гидростатического сжатия при огнестрельном ранении возникают динамические колебания (волны), распространяющиеся со скоростью звука от «ядра» в направлении движения огнестрельного снаряда. Согласно модели Хилла—Джонсона, эти волны распространяются в направлении удара в пределах параболически расширяющегося пространства, что объясняет механизм образования параболических трещин и специфическую форму пулевого дефекта в плоских костях. Динамическое нагружение при действии индентора формируется с большей скоростью, чем скорость звука в нагружаемом материале, поэтому действие снаряда со скоростью 250 м/с можно рассматривать как квазистатическое нагружение.

Полученные данные являются вкладом в теорию ударного действия пули и углубляют представление о физической сущности прямого и бокового ударного действия огнестрельного снаряда, а также объясняют причины расширения выходной части огнестрельного дырчатого перелома в плоских костях.