Kriminalistika čtvrtletník pro kriminalistickou teorii a praxi |
ročník XXXIII 3/2000 |
Mezi velmi častá poranění, se kterými se v kriminalistice střetáváme, jsou poranění lebky tupým předmětem. Tupá poranění hlavy jsou významná jednak pro její exponovanou polohu, ale též pro to, že skoro vždy při napadnutí druhou osobou se stává přímo objektem ta část těla, ve které je životně důležitý orgán. Při biomechanickém posuzování poranění lebky je nutné především přihlížet ke skutečnosti, že zlomenina lebky sama o sobě nemusí být provázena vážným poraněním mozku a jeho plen, naopak i bez poranění lebečních kostí může jít o úraz smrtelný. Všechna poranění lebky jsou spojena s nějakým, třeba sebemenším poraněním mozku. 1) Za tupé poranění lebky je považováno každé poranění lebky, při němž nevznikají řezná, sečná nebo bodná zranění a při němž je úder veden plochou tupého předmětu; podstatné je působení vnější úderné síly plochou úderného předmětu.
Jako zlomenina lebky je označováno každé porušení celistvosti jedné nebo více kostí lebních, způsobené násilím. Násilí, které je vyvolává, je způsobeno buď úderem tvrdým předmětem, nebo nárazem hlavy o tvrdý předmět. Ke vzniku zlomeniny je přitom ovšem zapotřebí, aby hlava poskytla působícímu násilí jistý stupeň odporu, např. v důsledku setrvačnosti. Není-li zabráněno pohybu hlavy, uchyluje se hlava vlivem nárazu pohybem v kloubu atlantookcipitálním a atlantoepistrofálním (je možné uvažovat o krční páteři jako celku). Uchýlení hlavy od působícího násilí je omezeno rozsahem pohyblivosti v uvedených kloubech, který je dán zejména jejich poměrně neporušenými vazy. Tyto vazy někdy působí jako protisíla proti účinku násilí na lebku. Přitom se hlava může vychylovat různými směry, mimo jiné ji násilí působící shora může vtlačovat proti páteři. Tento způsob násilí a pohybu lebky není nikterak vzácný, dochází k němu např. při dopadu lebky na zem nebo při nárazu hlavy o stěnu auta, vlaku apod. při dopravních nehodách, stejně tak i při dopadu těžkých předmětů na temeno lebky.
Druh a rozsah zlomeniny závisí na několika činitelích:
Předměty malého rozměru obvykle vyvolávají, je-li síla, která působí na lebku, větší než elasticita lebečních kostí, ohraničené zlomeniny typu zlomenin z prohnutí, kdežto předměty o velké ploše zlomeniny typu fisur. Místo, kde násilí působí, udává rovněž druh zlomeniny a rozhoduje popřípadě o tom, zda vůbec ke zlomenině dojde. Úlohu tu má zejména tloušťka lebky a velikost zakřivení příslušného místa. Lebeční kosti se vyznačují značnou elastičností. Přitom lamina externa má větší elastičnost než lamina interna. Bylo prokázáno, že klenba lební se může prohnout, aniž dojde ke zlomenině kosti. Stupeň elastičnosti se mění s věkem, a to tak, že s přibývajícím věkem elastičnost ubývá. Důvodem je přibývání vápenatých solí v kostech. Tím si lze vysvětlit, že u starších lidí spíše vznikají roztříštěné zlomeniny, kdežto u mladých lidí, u nichž je elastičnost větší, spíše zlomeniny vpáčené.
Aby došlo ke zlomenině, je tedy třeba, aby násilí, které vyvolává prohnutí lebečních kostí, bylo větší než je elastičnost lebky. Překoná-li násilí právě elastičnost a jde o předmět malého rozměru s dostatečně velkou rychlostí, dojde ke zlomenině, kterou můžeme srovnat s lámáním hole o koleno. Nejprve se láme část hole vzdálená od kolena a teprve při pokračujícím násilí se láme hůl celá.
Při posuzování smrtelného poranění lebky tupým předmětem se vždy řeší otázka, zda úder, který směřoval proti lebce, byl smrtelný a jakou silou byl veden.
Základním aspektem všech fyzických a patofyziologických procesů, vznikajících v organismu člověka při lebečně mozkovém traumatu, jsou mechanické faktory. Poškození lebky a následně i mozku při extrémním dynamickém zatížení je složitý problém, jehož řešení vyžaduje komplexní posouzení biomechaniky traumatického děje. Pro schůdné biomechanické řešení je nutná určitá schematizace celého děje, a to tak, aby nebyly eliminovány hlavní mechanické příčiny. Pro biomechanické posouzení traumatického děje a úspěšné řešení je nutné nalezení hlavních biomechanických principů.
Mechanický efekt na lebce a v měkkých tkáních, deformace mozku a vzrůst nitrolebního tlaku, který vzniká při poranění hlavy, se řídí základními zákony mechaniky, které jsou charakterizovány kinematickými veličinami (rychlost a zrychlení předmětu, který naráží na hlavu) a dynamickými parametry (síly v okamžiku úderu).
Hlavní roli kinematických nebo dynamických parametrů, které charakterizují vnější poškozující faktor, můžeme formulovat jako poměr doby trvání mechanického zatížení na hlavu (lebku) k délce vibrace (chvění) tkáně. Označíme-li tz dobu, po kterou působilo mechanické zatížení na hlavu, a tv dobu po kterou trvala vibrace měkkých tkání, pak index I, charakterizující faktor poškození, lze vyjádřit 2)
Pokud je index I < 1, tj. mechanické působení je velmi krátké, mechanismus poškození mozku je spojen se zvýšením nitrolebního tlaku, na lebku působí kontaktní síly a charakteristické pro tento druh deformace je, že silové působení je skončeno dříve, než dochází k deformaci mozku. V tomto případě není pro deformaci mozku významná velikost působící síly, ale zvýšení nitrolebního tlaku.
V případě, že I > 1, je deformace mozku podmíněna velikostí přiložené síly, která působí na lebku relativně po dlouhou dobu. V tomto případě není rychlost působící síly významná.
Jestliže index I = 1, má významný vliv na deformaci mozku změna rychlosti přiložené síly. Přechodná charakteristika deformace mozku se shoduje s dobou trvání mechanického působení.
Podle doby silového působení a charakteru přiložených sil na lebku je možné mechanické poškození mozku rozdělit do tří skupin:
Kontaktní síly způsobují jednak místní a stykovou deformaci lebky a jednak zvětšení vlnové frekvence nitrolební tekutiny. Vlnová frekvence se šíří od místa přiložených sil přes celý mozek. Mohou být v několika druzích - úderné, dilatační a kompresní; rychlost jejich šíření závisí na fyzikálních vlastnostech tkání. V mozku byla rychlost šíření vlnové frekvence změřena v rozsahu 2000 - 2500 ms-1.
Sledování mechanického poškození kostí je velmi často svázáno s analýzou charakteru deformací dovolující vyvozovat závěry o podmínkách a mechanismu traumatu. Základem pro tyto závěry jsou výsledky jak experimentálních, tak expertizních výzkumů, u kterých byly zjištěny zvláštnosti topografie silového napětí při základních druzích deformací kostí následkem působení pevných tupých předmětů.
Jednou z překážek na cestě určení morfologických příznaků konkrétního druhu traumatu se jeví neexistence jednotných metodických principů, jako je např. inscenace experimentu. Poměrně často se při analýze charakteru poškození v teoreticko-expertizní praxi, ale i v experimentální činnosti aplikují anatomické principy dělení skeletu lebky na jednotlivé části, avšak zónu traumatizace s biomechanickými pozicemi je třeba pozorovat jednotně. Anatomické dělení nesouhlasí vždy s biomechanickými principy. Například z pohledu anatomie se lebka rozděluje na tři velké části - klenbu, lícní oddíl a spodinu či bázi lební. Biomechanická a elektrotenzometrická pozorování ukázala, že anatomické rozdělení nevyhovuje biomechanickým principům. Při zatížení kostí klenby lební se topografie silového napětí rozkládá takovým způsobem, že zůstane v dostatečném stupni typickém pro napětí, v ose vznikají nesymetrické obloučky s analogickou deformací. V oblasti jednotlivých kostí základu lebky se silové napětí ostře rozlišuje jak kvalitativně, tak kvantitativně a má dost přesnou hranici s napětím vznikajícím v klenbě. 3)
Na obrázku je znázorněna anatomická (AB) a biomechanická (ACD) hranice traumatu lebky.
Při úderu tupým předmětem do temenní oblasti vznikají v zóně úderu tlaková pole. Topografie silových polí v kostech lebky určuje rozdělení anatomické a biomechanické hranice lebky. Vyjdeme-li z principů symetrie napětí v kopuli lebky a bereme-li v úvahu kritéria pevnosti lebky, je zřejmé, že biomechanický základ pro mechanické analýzy traumatu lebky je na hranici ACD, a ne na přímce AB. Jsou to funkcionálně a geometricky odlišné části lebky.
Rozdíly vznikají při úderu lebky sférickým, cylindrickým nebo plochým tupým předmětem; vznikají odlišná a velmi specifická napěťová pole. Při úderu plochým tupým předmětem vzniká kruhové napěťové pole, čtyři hlavní prasky jsou na sebe vzájemně kolmé. Při úderu cylindrickým předmětem vzniká napěťové pole ve tvaru elipsy, ve směru hlavní osy elipsy se nacházejí dva prasky.
Tolerancí organismu člověka na extrémní dynamické situace je myšlena jeho snášenlivost (odolnost) vůči nadkritickým velikostem sil, zrychlení a napětí, které mohou způsobit poranění organismu, které ještě lze přežít, anebo již přežít nelze. Pak hovoříme o poraněních smrtelných. Tato poranění vznikají, když je překročena kritická hodnota tolerance organismu na dynamické působení. Hranice tolerance jsou však značně široké a individuální, a proto je kromě individuálního kasuistického přístupu nezbytná kinematická a dynamická analýza. Pečlivý kasuistický přístup je potřebný nejen pro věcné biomechanické poznání, ale i proto, že jde občas o vážné aplikace forenzní biomechaniky při vyšetřování a soudním posuzování trestných činů.
Velikost působících sil není přímo úměrná velikosti a druhu traumatického poškození lebky. Byla například provedena řada experimentů na mrtvolách, při nichž byla sledována velikost úderné síly a následné charakteristiky traumatu. 4) Celkem bylo provedeno 76 experimentů rovnoměrně rozdělených do třech skupin v závislosti na sférickém poloměru úderného zařízení (3, 6 a 8 cm).
Analýza charakteru traumatu na lebce umožnila vytvořit 4 základní skupiny poranění, odlišujících se vzájemně kvantitou a objemem poranění. První skupinu tvoří bodové poranění; lebka nepraskne a vznikne jen bod poranění. Druhá skupina je tvořena kráterem, který je geometricky vymezen sférickým předmětem. Lebka ani v tomto případě nepraská, vzniká jen prohlubeň. Třetí skupina je tvořena kráterem s radiálními prasky a čtvrtá skupina kráterem s transverzálnímí i radiálními prasky.
Podle analýzy mechanického namáhání lebek mrtvol při experimentech můžeme uvést přehledně velikost působících sil v okamžiku úderu v závislosti na poloměru sférického předmětu v následujících tabulkách, kde jako příklad uvádíme první variantu destrukce lebky (nevznikají prasky) a čtvrtou variantu (vzniká typický kráter s radiálními i transverzálními prasky).
Poloměr sférického předmětu (cm) | Síla úderu (N) |
Tloušťka kosti (cm) |
3 | 9 986 | 0,68 |
6 | 6 605 | 0,63 |
8 | 12 691 | 0,68 |
Střední hodnota | 9 761 | 0,66 |
Poloměr sférického předmětu (cm) | Síla úderu (N) |
Tloušťka kosti (cm) |
3 | 7 428 | 0,45 |
6 | 7 311 | 0,44 |
8 | 6 978 | 0,37 |
Střední hodnota | 7 239 | 0,42 |
Z tabulkových hodnot je zřejmé, že druh a rozsah traumatu poškození lebky při tupém poranění nejsou přímo úměrné velikosti úderné síly. Obě tabulkové hodnoty představují krajní hodnoty destrukčních sil působících na lebku při úderných pohybech. Lze konstatovat, že vymezení destrukčních sil je možné jako interval od 7000 N do 10 000 N pro tloušťku lebeční kosti od 0,42 cm do 0,66 cm. Velikost této hodnoty je nepřímo úměrná tloušťce lebeční kosti. Působení extrémního dynamického zatížení lebky je třeba posuzovat vzhledem k druhu a tvaru traumatického poškození (poškození 1. - 4. stupně) a tloušťce lebeční kosti v místě úderu. Biomechanické hodnoty traumatického poškození lebky jsou podstatně vyšší, než uvádí soudnělékařská literatura.
Podle analýzy mnoha autorů a empirických údajů soudních lékařů se rozděluje síla úderu do čtyř skupin: 5)
1. Malá síla úderu - do 160 N
2. Značná síla úderu - od 160 N do 1960 N
3. Velká síla úderu - od 1960 N do 4900 N
4. Velmi velká síla úderu - více jak 4900 N
Síla úderu není jediným faktorem, který vyjadřuje intenzitu útoku. Řada autorů se přiklání k názoru, že traumatické poškození kostí lebky ovlivňuje kromě velikosti síly úderu také síla kostí lebky, tvar a rozměr úderného předmětu, kinematické parametry úderného předmětu. Lze tedy shrnout, že na traumatickém poškození lebky se podílejí tyto faktory:
Velikost úderné síly není zcela odpovídající velikosti traumatického poškození, predikce velikosti síly není úměrná velikosti prasklin. Temenní část hlavy někdy vydrží velmi velkou údernou sílu.
Podstatné pro studium tolerance organismu na dynamické situace je sledování vztahů mezi mechanickými podněty a reakcemi organismu na různě zvolené rozlišovací úrovni daného systému či subsystému, který se potom stává systémem. Pro posouzení dynamického zatížení organismu má zejména význam zjištění mechanických dat:
Snaha nalézt kritické hodnoty tolerance má dlouhou historii. Významnou etapu představují rozsáhlé experimenty zaměřené na vlivy akcelerace a decelerace na člověka, zvířata (šimpanzi) a loutky v různé poloze (obličejem vpřed či vzad).
Vzhledem k četnosti výskytu a závažnosti poranění, které ještě lze přežít a které přesahuje kritickou hodnotu, dochází ke smrtelnému poranění a přežít je nelze, byla věnována pozornost zejména toleranci lebky a mozku na mechanické působení při tzv. tupém nárazu. Empirická data získaná při mnoha měřeních tupých nárazů lebky na tupý povrch (člověk, psi, opice), byla shrnuta do sumární „Wayne-State křivky tolerance“. Tato křivka se objevuje v různé literatuře. 6) 7) 8) Křivku tolerance je možné využít pro různé směry nárazu lebky a případně i pro jiné orgány.
Pro rozbor mechanických příčin a traumatických následků a při posuzování hodnot tolerance se jeví jako velmi praktický semiempirický tzv. „Gadd index of severity“ (GSI). Výpočtem tohoto indexu lze odlišit tolerované a netolerované kinematické podmínky tupého nárazu a dále řešit různé dynamické souvislosti s ohledem na traumatické následky nárazu. Index GSI lze vyjádřit jako integrál algebraické funkce
Tento index signalizuje, že při překročení kritické hodnoty GSI 1000 vznikají podmínky pro počátek netolerovaného nebezpečného tupého nárazu. Kinematické podklady závislosti zrychlení a(t) na čase pro výpočet hodnoty GSI jsou znázorněny na obrázku.
Příklady různých kritických hodnot tolerance, shromážděné od různých autorů na základě jejich mechanických a traumatických poznatků, uvádí přehledně tabulka.
Otřes mozku (comotio cerebri) |
Maximální hodnota zrychlení (ms-2) a = 350 g a = 300 - 600 g (zvířata) a = 280 - 400 g (opice, kočky) a = 80 - 120 g (člověk) Tlak intrakraniální 147 150 Pa (po dobu 6 - 12 ms) 206 010 Pa (po dobu do 6 ms) |
Zhmoždění mozku (contusio cerebri) |
Maximální hodnota zrychlení (ms-2) a = 350 - 500 g Tlak intrakraniální 196 200 Pa (po dobu 6 - 12 ms) |
Fraktura lebky (s mozkem) při pádu na betonovou či ocelovou desku |
Maximální hodnota zrychlení (ms-2) a = 515 g, při fraktuře klenby lební a = 500 - 700 g, při fraktuře v oblasti čela Maximální zátěžová síla při fraktuře klenby lební F = 25 750 N Tlak na vnitřní straně klenby lební 858 375 Pa Tlak spánkový 206 010 Pa |
Tento index signalizuje, že při překročení kritické hodnoty GSI 1000 vznikají podmínky pro počátek netolerovaného nebezpečného tupého nárazu. Hodnota zatížení, kterému je hlava v průběhu úderu vystavena, je hodnocena jako funkce zrychlení v závislosti na čase. Empirická data pro krátké pulzní intervaly (okolo 2 - 5 ms) byla získána z výsledků experimentů s mrtvolami, u kterých byla fraktura lebky brána jako kritérium odolnosti nebo poškození. Pro dlouhé pulzní intervaly (přibližně přes 40 ms) byly použity údaje testů s dobrovolníky. Zde byly jako kritéria snášenlivosti brány lehké otřesy mozku nebo bezvědomí. Střední (průměrný) rozsah pulzních délek je odvozen z výsledků experimentů se zvířaty, hlavně psy a opicemi.
Typ působícího zatížení (úderu) ve křivce Wayne-State není vždy takový, jaký model předpokládá, a fyzické reakce, které se projevují jako bezvědomí nebo otřes mozku, nejsou chápány přesně. Stejně tak nejsou známa kritéria pro poškození mozkové hmoty. Nejpřesněji, jak se můžeme přiblížit k oblasti poškozujících kritérií se stávajícím modelem, je posoudit jak maximální tlak v mozku souvisí s časovým intervalem zatížení.
Důležité údaje byly získány na zátěžových testech, které byly provedeny na čerstvých mrtvolách 8) po pitvě při kmitočtovém rozsahu zatížení 1 - 350 Hz. Z experimentů vyplývá, že je třeba znát funkci zatěžování hlavy při kmitočtovém rozsahu 0 - 2200 Hz ve vztahu k zatížení, aby se dal vypočítat vliv tlaku trvajícího několik milisekund. Toto zatížení odpovídá svým charakterem údernému působení, krajní doba trvání zátěže je 0,0022 s.
Z provedených experimentů dále vyplývají důležité funkční údaje pro poznání dynamických účinků v lebce při extrémním dynamickém zatížení. Tlak v hlavě při úderu se proměňuje podél předozadní osy směrem k zadní straně lebky při impulzu do 2 ms. Při malé hodnotě t (t = 0,1 ms) má tlak v lebce přímo pod bodem zátěže kladnou hodnotu, narušení při t = 0,1 ms neproběhne do zadní části lebky. Při nárazu pevným předmětem na lebku se tlak šíří uvnitř a v průběhu určitého času se tlaková vlna odrazí od zadní stěny lebky. Tento odražený tlak je označován jako tzv. negativní tlak; dosahuje nejvyšších hodnot pro t = 0,8 ms, nejmenší hodnoty dosahuje pro t = 1,15 ms. Rozsah nejvyššího negativního tlaku v zadní části lebky je 54 psi (anglická jednotka tlaku vyjadřující libru na čtvereční palec) pro t = 0,8 ms. Z průběhu tlaků je zřejmé, že největší negativní tlak je na zadní straně lebky. Z toho vyplývá, že mozková hmota je snadněji poškoditelná napětím než stlačením a oblast na protilehlém místě lebky proti zátěžovému bodu vykazuje charakter většího poškození než místo úderu.
Tolerance organismu na úderné působení je závislá také na velikosti nitrolebního tlaku, který je dán velikostí vnější síly v ploše. Z literárních údajů je zřejmé, že hranice pro kritický nitrolební tlak je 21 N/cm2.
Na základě teoretické analýzy a srovnání literárních údajů můžeme stanovit základní kritéria pro posouzení otázky tolerance organismu na extrémní dynamickou zátěž při tupém poranění lebky. Závěry lze shrnout do následujících stručných bodů:
Tyto výsledky externího dynamického zatížení organismu experimentálně zjištěné citovanými autory značně rozšiřují současnou poznatkovou bázi biomechaniky, kriminalistiky a soudního lékařství.
1) Pavrovský, J.: Poranění lbi a mozku. Praha, Avicenum, 1977, 158 s.
2) Straus, J.: Forenzní biomechanika. Praha, PA ČR, 1999, s. 180.
3) Krjukov, V. N. - Plaskin, V. O.: Novyje dannyje o biomechanike a charaktere povrežděnij čerepa. Suděbno-medicinskaja expertiza, 1980, 4, s. 16 - 19.
4) Mogutov, S. V.: Suděbno-medicinskaja ocenka povrežděnij kostěj čerepa sferičeskimi predmetami. Suděbno-medicinskaja expertiza, 1984, 2, s. 31 - 34.
5) Kapustin, A. V.: Ob ekspertnoj ocenke sily udarov tupymi tverdymi predmetami. Suděbno-medicinskaja ekspertiza, 1999, 1, s. 18 - 20.
6) Patrick, L. M.: Head impact protection. Toronto, J. B. Lippicott, 1966.
7) Gadd, C. W.: Use of weighted impulse criterion for estimating injury hazard. In: Proc. Tenth Stapp Car Crash Conf. New York, Soc. Auto Engrs., 1966, 195, s. 95 - 100.
8) Hickling, R. - Wenner, M. L.: Mathematical model of a head subjected to an axisymmetric impact. J. Biomechanics, vol. 6, 1973, 2, s. 115 - 131.