Ιατροδικαστική μελέτη αντοχής των οστών στην στατική φόρτιση

Abstract

The necessity of the right dispensation of justice calls for the assessment of the strength of the bones and their performance under prescribed loadings. The Forensic Medicine is therefore called upon to give the answers to the above questions following through a thorough, scientifically documented manner. The task of this thesis is to contribute to the study of specific categories of lengthy bones and inferring conclusions on their behaviour and strength. The lengthy bones, which according to their developmental formation, are considered as complex and granule materials, lacking in homogeneity and isotropy and even though having properties such as self-repairing and remodeling, under violent conditions undergo disruption of their continuity. The determination of the force, which is involved up to the fracture point, is the main object of the dissertation. Furthermore, the main task is the exploitation of the conclusions and results in the field of Forensic Medicine in a thorough, documented and scientifically unquestionable way in order to contribute to the desirable which is the dispensation of justice considering body injuries. Taking into account the great impact on the hacmo-dynamic equilibrium of the “blood-dynamic equilibrium at the bones, which is caused by the fracture of the long bones and especially of the femur, humerus and tibiae, we have chosen these typical long bones of the skeleton which are often involved in injuries. The aforementioned bones are natural bones, which belong to both men and women. The first part of the thesis, includes basic concepts of the mechanics of deformable bodies, which are essential not only for the comprehension of the evolution of the phenomenon till the fracture of the bone, but also for the determination of their strength using experimental results. Furthermore, the categories, the morphology, the properties and the behaviour of the bones is being presented, while a classification of the injuries according to their cause (causative classification), their morbidity (Forensic Medicine classification) and their morphology (morphological classification) is being accomplished. The total statistical sample of this dissertation, consists of ninety (90) bones and has the following distribution: Fifteen (15) men's humeri. Fifteen (15) men's femora. Fifteen (15) men's tibiae. Fifteen (15) women's humeri. Fifteen (15) women's femora. Fifteen (15) women's tibiae. The sex parameter was considered necessary for the study, taking into account that the formation of the bone mass depends on several factors, which are quite different in the two sexes. The results of the above, is the different mechanical properties of bones between both men and women. The bones come from cadaveric donors, of efficient physique and different age levels. Thus, the women's humeri belong to people who are aged between 27-66 years old, while the men's humeri belong to people who are aged between 29-67 years old. The woman's femora belong to people who are aged between 25-67 years old, while the men's femora belong to people who are aged 26-69 years old. The woman's tibiae belong to people who are aged between 25-69 years old, while the men’s tibiae belong to people who are aged between 24-72 years old. The case-history of the donors, as far as it was possible to be checked, was negative considering diseases of the metabolism of the bones, malignity, blood diseases and in general metabolic diseases, so that the statistical sample could be credible as far as possible. The fracture limit of the aforementioned bones was studied. The study took place at the Laboratory of Strength of Materials in the Civil Engineering Department of the Polytechnic School of the Aristotle University in Thessaloniki. The experiment was accomplished by the use of an arrangement, which consisted of a simple supported beam having a point load in the middle of the span, which coincides with the mean of the diaphysis. The loading was static and was controlled. In each experiment an incremental load was applied till the fracture limit of the specimen was reached. Details considering the arrangement of the simple supported beam, the selection of the loading and the hydraulic machine that was used in the experiment, are represented in the special part and the discussion. The statistical processing of the experiment measurements was accomplished by the use of the best line or the line of the mean/average price for the graphic elaboration and the inference of simple linear laws. The aforementioned are thoroughly analyzed in the corresponding chapter. From the experimental results it is shown that the ultimum flexural stress depends on the age (e.g. it becomes smaller for alter people). Moreover, one can observe a systematic difference in the maximum flexural stress between samples of male and those of female (with the ones of male being the strongest).

Η αναγκαιότητα για ορθή απονομή δικαιοσύνης επιβάλλει την εκτίμηση της αντοχής των οστών, καθώς και την διερεύνηση της συμπεριφοράς τους, υπό την επίδραση συγκεκριμένων καταπονήσεων. Η Ιατροδικαστική επιστήμη, λοιπόν, καλείται από τους λειτουργούς της Θέμιδος να δώσει απαντήσεις στα ανωτέρω ερωτήματα, με εμπεριστατωμένο και επιστημονικά τεκμηριωμένο τρόπο. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να συμβάλλει στην αντιμετώπιση των υφιστάμενων απαιτήσεων, με την μελέτη συγκεκριμένων κατηγοριών μακρών οστών και την εξαγωγή συμπερασμάτων για την μηχανική συμπεριφορά και την αντοχή τους. Τα μακρά οστά, τα οποία από πλευράς διαπλάσεως θεωρούνται σύνθετα υλικά, ανομοιογενή, ανισότροπα, κοκκώδη με ιδιότητες ακόμη αυτές της αυτοεπισκευής και αυτοπροσαρμογής, ευρισκόμενα κάτω από συνθήκες βίας υφίστανται λύση της συνέχειάς τους. Ο προσδιορισμός της απαιτούμενης βίας για την πρόκληση της οστικής συντριβής (λύση της συνέχειας αυτών) είναι αντικείμενο της παρούσης μελέτης. Τελικός σκοπός είναι η αξιοποίηση των συμπερασμάτων-αποτελεσμάτων στην ιατροδικαστική διερεύνηση σε προβλήματα που αφορούν και αναφέρονται ως σωματικές βλάβες. Δεδομένης της μεγάλης επιβάρυνσης που προκαλούν τα κατάγματα των μακρών οστών στην αιμοδυναμική ισορροπία του οργανισμού, όπως του βραχιονίου, μηριαίου και της κνήμης, τα επιλέξαμε για το σχεδίασμά του πειραματικού μας προτύπου. Πρόκειται για φυσιολογικά οστά γυναικών και ανδρών. Στο πρώτο μέρος αναλύονται οι βασικές έννοιες της μηχανικής των παραμορφώσιμων σωμάτων, οι οποίες απαιτούνται για την κατανόηση της εξέλιξης του φαινομένου έως τη θραύση του οστού, αλλά και τον προσδιορισμό της αντοχής του μέσα από τα πειραματικά αποτελέσματα. Ακόμα παρουσιάζονται και αναλύονται η μορφολογία, οι ιδιότητες και η συμπεριφορά των οστών, ενώ πραγματοποιείται και η κατάταξη των κακώσεων ανάλογα με το αίτιο που τις προκάλεσε (αιτιολογική διαίρεση), την βαρύτητά τους (Ιατροδικαστική διαίρεση) και την μορφολογία (μορφολογική διαίρεση). Το στατιστικό δείγμα της παρούσης μελέτης αποτελείται συνολικά από ενενήντα (90) οστά με την εξής κατανομή: Δεκαπέντε (15) βραχιόνια οστά ανδρών. Δεκαπέντε (15) μηριαία οστά ανδρών. Δεκαπέντε ( 15) κνημιαία οστά ανδρών. Δεκαπέντε (15) βραχιόνια οστά γυναικών. Δεκαπέντε ( 15) μηριαία οστά γυναικών. Δεκαπέντε (15) κνημιαία οστά γυναικών. Η παράμετρος του φύλου, θεωρήθηκε αναγκαία, για την μελέτη επειδή η οστική μάζα διαμορφώνεται από ξεχωριστούς ελεγκτικούς μηχανισμούς ανάμεσα στα δύο φύλα και επομένως οι μηχανικές ιδιότητες των οστών μεταξύ ανδρών και γυναικών διαφέρουν. Τα υπό μελέτη οστά προέρχονται από πτωματικούς δότες καλής σωματικής διάπλασης, των οποίων τα όρια ηλικίας ποικίλουν. Έτσι τα βραχιόνια οστά των γυναικών ανήκουν σε άτομα ηλικίας 27-66 χρόνων, ενώ τα αντίστοιχα των ανδρών σε ηλικίες 29-67 χρόνων. Τα μηριαία οστά των γυναικών ανήκουν σε ηλικίες 25-67 χρόνων, ενώ τα αντίστοιχα των ανδρών σε ηλικίες 26-69 χρόνων. Τα κνημιαία οστά των γυναικών ανήκουν σε ηλικίες . 25-69 χρόνων, ενώ τα αντίστοιχα των ανδρών σε ηλικίες 24-72 χρόνων. Το ιατρικό ιστορικό αυτών, όσο ήταν δυνατόν να ελεγχθεί, είναι αρνητικό αναφορικά με νοσήματα μεταβολισμού των οστών, κακοήθη νοσήματα, νοσήματα του αίματος και γενικώς μεταβολικών διαταραχών, έτσι ώστε το στατιστικό δείγμα να είναι όσο το δυνατόν πιο αξιόπιστο. Μελετήθηκε το όριο θραύσης των αναφερομένων οστών. Η μελέτη αυτή έγινε στο εργαστήριο αντοχής υλικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Χρησιμοποιήθηκε η διάταξη αμφιερείστου δοκού, με μοναχικό φορτίο στη μέση του ανοίγματος, που συμπίπτει με τη μεσότητα της διάφυσης. Η φόρτιση ήταν στατική και ελεγχόμενη. Σε κάθε πείραμα εφαρμόσθηκε διαδοχικά αυξανόμενο φορτίο, μέχρι του ορίου θραύσεως του δοκιμίου. Λεπτομέρειες για την εφαρμογή της διάταξης της αμφιέρειστης δοκού, της επιλογής της φόρτισης, αλλά και για την υδραυλική μηχανή με την οποία πραγματοποιήθηκαν οι πειραματικές διαδικασίες παρουσιάζονται τόσο στο ειδικό μέρος, όσο και στη συζήτηση. Τέλος, για την στατιστική επεξεργασία των πειραματικών μετρήσεων έγινε χρήση, είτε της βέλτιστης ευθείας, είτε της ευθείας των μέσων τιμών για την γραφική επεξεργασία και την εξαγωγή απλών γραμμικών νόμων, οι οποίες αναλύονται διεξοδικά στο αντίστοιχο κεφάλαιο. Προκύπτει από την επεξεργασία των πειραματικών μετρήσεων ότι η τάση θραύσης είναι εξαρτώμενη της ηλικίας (φθίνει με την αύξηση της ηλικίας) και παρουσιάζει σταθερή διαφοροποίηση ανάλογα με το φύλο (σταθερά μεγαλύτερη τιμή για τους άνδρες).