Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние и перспективы методов диагностики давности смерти 12
1.1. Исторические аспекты проблемы определения давности смерти 12
1.2. Термометрический метод диагностики давности смерти 22
1.3. Математическое моделирование динамики температуры трупа для целей определения давности смерти ... 28
Глава 2. Материал и методы исследования 37
2.1. Характеристика исследованного материала 37
2.2. Этапы и методы исследования 40
2.3. Характеристика методики специального исследования и используемых аппаратных средств 41
2.3.1. Методика проведения термометрии 41
2.3.2. Исследование теплофизических характеристик тканей, составляющих диагностические зоны термометрии 46
2.4. Методы обработки результатов исследования материала 56
Глава 3. Исследование теплопроводящей способности тканей тела человека 62
3.1. Условия формирования индивидуального температурного тренда тела человека в посмертном периоде... 62
3.2. Унификация значений теплофизических параметров исследуемых объектов 73
3.3. Установление наличия ошибок расчетного определения удельной температуропроводности анализируемых тканей и органов и характера ее распределения в рассматриваемых выборках 80
3.4. Сравнительный анализ теплопроводящей способности различных органов и тканей 85
3.5. Исследование тканей и органов, составляющих «температурное ядро» изученных диагностических зон 90
3.5.1. Исследование влияния половозрастного фактора 90
3.5.2. Исследование влияния этанолэмии 97
3.5.3. Исследование зависимости удельной температуропроводности от причин смерти 104
3.6. Исследование тканей и органов, составляющих «стенку тела» изученных диагностических зон 113
3.7. Установление причин появления зависимости удельной температуропроводности от причин смерти 122
Глава 4. Причины формирования погрешности определения давности смерти и пути их устранения 143
4.1. Анализ точности современных методик математического моделирования температуры трупа, применяемых для целей диагностики давности смерти 145
4.2. Погрешность, обусловленная точностью измерительной аппаратуры 165
4.3. «Диагностический промах», как причина появления ошибки расчета давности смерти 171
4.4. Влияние переворачивания трупа, предшествующего его термометрии, на формирование ошибки расчета давности смерти 184
Глава 5. Установление давности наступления смерти с позиций теплового моделирования 193
5.1. Математическое моделирование посмертного охлаждения трупа и установление давности смерти при недостатке априорной информации 193
5.2. Разработка объективной статистической оценки погрешности термометрического метода определения давности смерти 209
5.3. Практическая реализация теплового метода установления давности смерти 223
Обсуждение результатов 235
Выводы 249
Практические рекомендации 252
Список литературы 258
Приложение 287
- Математическое моделирование динамики температуры трупа для целей определения давности смерти
- Характеристика методики специального исследования и используемых аппаратных средств
- Унификация значений теплофизических параметров исследуемых объектов
- «Диагностический промах», как причина появления ошибки расчета давности смерти
Введение к работе
Глава 1. Состояние и перспективы методов диагностики давно
сти смерти 12
1.1. Исторические аспекты проблемы определения дав
ности смерти 12
Термометрический метод диагностики давности смерти 22
Математическое моделирование динамики температуры трупа для целей определения давности смерти... 28
Математическое моделирование динамики температуры трупа для целей определения давности смерти
Ранее, при проведении исследовательских работ, приходилось определять величину ежечасной средней скорости охлаждения путем накапливания ряда значений температур, измеренных в случаях с известным временем смерти, а требуемое время, прошедшее после смерти, определять делением величины падения посмертной температуры на полученное значение средней скорости охлаждения.
Внастоящее время существует множество моделей, описывающих закономерности изменения температуры, тела в зависимости от различных внешних условий.
Основная посылка способа моделирования заключается в том, что все особенные факторы, определяющие характер развития посмертных процессов, интегрированы в особенностях самих посмертных процессов [126].
Различают аналитическое (математическое) и имитационное моделирование. Аналитическими называются модели реального объекта, использующие алгебраические, дифференциальные и другие уравнения, а также предусматривающие осуществление однозначной вычислительной процедуры, приводящей к их точному решению-[118]. Имитационными называются математические модели, воспроизводящие алгоритм функционирования исследуемой системы путем последовательного вы-полнения большого количества элементарных операций. Классическим примером имитационного моделирования-является использование аналоговых систем, воспроизводящих исследуемый процесс на основе его подобия [139], либо воссоздание в эксперименте условий, в которых этот процесс протекал в реальности, на том же самом объекте [133].
Математическое моделирование является одним из наиболее эффективных методов изучения физических систем. Часто математические модели проще и удобнее исследовать, они позволяют проводить вычислительные эксперименты, реальная постановка которых затруднена или может дать непредсказуемый результат. Логичность и формализован-ность этих моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемых объектов, исследовать отклик физической системы на изменения ее параметров и начальных условий [118].
Выделяют 5 принципов моделирования [55]: 1. Принцип информационной достаточности; 2. Принцип осуществимости; У. Принцип множественности моделей; 4. Принцип системности; 5: Принцип параметризации. Только при соблюдении указанных принципов возможно достижение высокой точности моделирования. Необходимо отметить, что, к сожалению, в судебной медицине соблюдение первого принципа -информационной достаточности, по понятным причинам, зачастую, невозможно.
Для целей судебной медицины используются точечные [190] и объемные математические модели на основе дифференциальных уравнений теплопроводности [75, 204, 205].
Наиболее часто применяемыми в практической экспертизе являются точечные модели, среди которых, по виду математической зависимости, лежащей в основе ее описательных характеристик, выделяют линейную модель Burmann [цит. по 190], параболическую [32], логистическую [189], экспоненциальную [104, 139, 200, 206].
Определение давности наступления? смерти с использованием точечных моделей осуществляется-путем измерения температуры объекта в одной фиксированной точке (диагностической зоне) на месте обнаружения трупа, после чего строят температурную кривую от измеренного значения до значения температуры тела в момент смерти - метод ретроспективной экстраполяции.
Первые попытки математического моделирования диагностического посмертного процесса с аналитическим (формульным) способом решения предпринимались еще в XIX веке. Одной из наиболее ранних работ такого рода является исследование Burmann [цит. по 190], который считал, что охлаждение трупа, в среднем, происходит на 0,889С в час.
Позднее, в 1958 году F. Fiddes, Т. Patten [227] предлагают для диагностики давности смерти подобную же линейную формулу, отличающуюся от формулы Burmann лишь коэффициентом (1,5), характеризующим скорость охлаждения трупа.
Подобный подход был продемонстрирован в работе Ревенсторфа (1903) [цит. по 126], который, хотя и исходил из предположения о ли-нейном развитии процесса, но пытался учесть его индивидуальные особенности путем двукратного измерения уровня депрессии.
Используя линейную модель, эксперт не в состоянии учесть ни температуру внешней среды, ни даже такие особенности конкретного объекта, как масса трупа. Безусловно, что невозможность учесть эти факторы значительно сужает круг задач, решаемых линейной моделью с приемлемой точностью.
На основании опытных данных известно, что темп падения температуры трупа, как впрочем, и любого физического тела без.внутреннего источника энергии при постоянных условиях теплообмена, характеризу-етсятремя периодами. Периодом неупорядоченного процесса, периодом регулярного режима и периодом выравнивания температур тела и среды. Величина скорости охлаждения в первые несколько часов .после смерти немного »меньше скорости охлаждения в течение последующего времени [245", 246, 262]. Точно так же скорость охлаждения тела на регулярном этапе выше таковой на этапе выравнивания температур. Естественно, что, в рамках линейных моделей, пренебрежение данными особенностями охлаждения тела приводит к ошибкам определения давности смерти.
Параболическая модель, в силу особенностей используемой математической зависимости, практически идеально описывает динамику реального охлаждения тела на начальном участке его температурной кривой. Тем не менее, ее продление на больший срок показывает, что температура тела становится ниже температуры среды [190], что, естественно, не соответствует реальности и снижает достоверность метода в целом.
Для логистической модели [189] характерны те же недостатки, что и для вышеописанных, поскольку используемые в модели коэффициенты являются константами; а конкретные особенности теплового взаимодействия-трупа и среды не учитываются.
Характеристика методики специального исследования и используемых аппаратных средств
Изучены результаты термометрии головного мозга и печени у 158-и трупов; проведенные методом компьютерного мониторинга с применением оригинального программно-аппаратного измерителя, с замерами, осуществляемыми с интервалом в 10 и 15 минут на протяжении 0,5 -40 часов. Из них 93 трупа исследованы исключительно на месте их обнаружения в ходе неотложных следственных действий (осмотр места происшествия и трупа на месте его обнаружения) 65 случаев дополнительно термометрировались в условиях ГУЗ «Бюро СМЭ» УР в ходе длительного исследования. Влияние на результаты термометрии некоторых следственных действий (переворачивание трупа) моделировалось в условиях осмотра трупа на месте его обнаружения.
Общее количество исследованных трупов, с распределением по полу и возрасту, представлено в таблице 2.2.
В. связи с тем, что при термометрическом исследовании в некоторых случаях на одном и том же трупе изучались показатели температуры, измеренные, как в головном мозге, так и в печени и в прямой кишке, действительное значение количества термометрических исследований превышало общее количество трупов. В1 таблице 2.3 представлены значения сроков посмертного периода, в которые осуществлялось первичное исследование трупа на месте его обнаружения.
В последующем, производился мониторинг температуры с целью создания выборки процесса длительностью от 0,5-и до 12 часов. Более длительное (до 40 часов) наблюдение за температурой .трупа осуществлялось в условиях Бюро судебно-медицинской экспертизы.
Мы намеренно не приводим традиционного для судебной медицины подробного анализа трупного материала по причинам смерти, поскольку самостоятельная отработка влияний этих параметров.достаточно подробно проводилась ранее [189, 168, 206] и не входит в круг задач настоящего исследования.
Выбор исследуемых диагностических зон был обусловлен: ткань головного мозга - голова, как орган, наиболее близкий по форме к правильной геометрической фигуре - шару, состоящий из меньшего количества, меньших по объему, однородных, равномерно распределенных слоев, а также как орган с наименьшей-продолжительностью его биологической жизни [113];. ткань печени и прямая кишка - традиционные и наиболее часто используемые для посмертной термометрии диагностические зоны;
Для специального исследования (определения температуры ткани головного мозга, печени, прямой кишки и окружающей среды), в абсолютном большинстве случаев использовался программно-аппаратный измеритель, разработанный под руководством профессора В.А. Куликова (Ижевский государственный технический университет) (Рис. 2.1).
Особенностью используемого термоизмерителя является высокая точность регистрации температуры (погрешность измерения 0,001С). Кроме того, реализация его с помощью микропроцессорной электроники позволила ввести в измеритель микропрограмму, управляющую его работой и получать 2 (или 3) последовательных замера температуры объ- екта и среды, разнесенные во времени на строго указанное значение (10-15 минут) с записью их в собственную память устройства.
В некоторых случаях (длительный компьютерный мониторинг) для регистрации температуры трупа использован восьмиканальный электронный термометр УКТ-038 (ПО «Овен» г. Москва) (Рис. 2.2).
Измеритель УКТ-038 позволяет осуществлять одновременный контроль температуры через любые заданные интервалы времени по восьми температурным линиям с записью результатов измерений в память персонального компьютера, для чего с ним устанавливается связь по интерфейсу RS-232.
Во время проведения экспериментов, температура окружающей среды измерялась посредством фиксации датчика на расстоянии 30 см от тела на уровне исследуемой диагностической зоны таким образом, чтобы исключить случайное прикосновение его к трупу, либо предметам окружающей обстановки.
Доступ к головному мозгу для измерения температуры в центральных отделах головы производился по методике О.В: Щепочкина [206] посредством введения острого игольчатого датчика термометра через верхний носовой ход под углом 15-20 к сагиттальной плоскости, с проколом решетчатой кости поступательно-вращательным движением под углом около 45 к горизонтальной линии.
Термометрия печени производилась, по методике предложенной П.И. Новиковым [138]. Для этого труп укладывали на спину. Термощуп погружали через прокол кожи в проекции угла между мечевидным отростком грудины и правой реберной дугой в направлении спереди назад, несколькоїснизу вверх и справа налево (под углом примерно 75 к фронтальной плоскости). В каждом случае термометрии головного мозга и печени первоначально осуществлялся поиск «температурного ядра»- диагностической зоны - плавно меняя глубину погружения термодатчика под контролем показаний термоизмерителя, находили экстремум распределения температуры в органе по ходу погружения термощупа. В наиболее теплой t точке органа, найденной таким образом, термощуп оставляли для последующих измерений температуры.
Ректальная термометрия осуществлялась по методике Г.А. Боте-зату [31, 32] введением датчика термоизмерительного прибора в прямую кишку трупа на глубину 10-12 см.
Во всех случаях, после введения температурного зонда в диагностическую зону, термощуп оставлялся в ней на срок 3 минуты (что было обусловлено его температурной инертностью), по истечении которого осуществлялись собственно замеры температуры трупа.
Унификация значений теплофизических параметров исследуемых объектов
В процессе изучения теплопроводящей способности исследуемых тканей и органов, получен ряд значений коэффициентов их теплопроводности (Глава 2). Тем не менее, непосредственный анализ полученных значений коэффициентов X (теплопроводность) невозможен, по причине неизвестной зависимости их от температуры, наличие которой следует а priory, т.к. является универсальным свойством любого физического объекта [187]. Между тем, поскольку все они получены при различных температурных режимах, использование их без предварительной стандартизации не является корректным, а полученные при этом зависимости величины X от каких-либо факторов будут вызывать серьезное сомнение.
Действительно, получаемые различными исследователямирезуль-таты, основанные на анализе теплопроводящей способности биологической ткани [5, 13, 82] в некоторых случаях противоречивы, несмотря на то, что все исследования выполнялись на базе одного учреждения системы здравоохранения сходными методами. Возможно, именно пренебрежение авторами, температурной зависимостью коэффициента теплопроводности, недостаточно высокое внимание, уделяемое стандартизации исследования и анализу его результатов, способствовало возникновению разности их толкования.
Температурная зависимость теплопроводности материалов небиологического происхождения хорошо изучена и приводится в« многочисленных литературных источниках справочного характера [109, ПО, 116, 170].
Биологические ткани в этом отношении совершенно не исследованы. Таким образом, изучение температурной,зависимости теплопроводности анализируемых тканей и органов тела человека, должно явиться первейшим необходимым условием, предваряющим собственно изучение их зависимости от каких-либо прочих факторов. Только выполнение данного условия, с целью приведения» коэффициента теплопроводности к некоей единой величине температуры, для стандартизации расчетов, приведет к получению объективных количественных характеристик изучаемых объектов.
В качестве «стандартной температуры» принято 36С, как условное значение прижизненной температуры тела человека [21].
Изучение температурной зависимости объектов, рассматриваемых в настоящей работе, проводилось по единой схеме, включающей вычисление коэффициента их теплопроводности при плавном изменении температуры объекта, достигаемого за счет повышения температуры воды, протекающей через холодильник установки (Глава5 2).
Для всех изученных тканей и органов.получены графические характеристики зависимости теплопроводности от температуры, аналогичные представленным на рисунке 3.1.
В дальнейшем производился подбор по методу наименьших квадратов отклонений линейного тренда, наиболее точно соответствующего форме установленной температурной зависимости. При этом получены следующие выражения: Температурная зависимость теплопроводности ткани печени:
Каждый конкретный случай исследования коэффициента теплопроводности можно рассматривать как получение результата, отличающегося от расчетного по представленным выражениям для конкретной температуры с введением некоего коэффициента пропорциональности, что позволяет осуществить перерасчет каждого полученного значения X на любое, произвольно выбранное значение температуры объекта.
Произведенный перерасчет экспериментально установленных значений теплопроводности анализируемых тканей сопровождался получением следующих средних значений их теплопроводности (Рис. 3.2).
Можно констатировать, что значения коэффициента теплопроводности различных тканей и органов несколько различаются. Впрочем, достоверно судить о том, какое это будет иметь значение для теплопро-ведения, представится возможным несколько позднее.
Так же как и коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость является величиной, детерминированной, помимо физической сущности конкретного объекта, его температурой [171].
Принимая во внимание относительно небольшое изменение теплоемкости, обусловливаемое температурой (максимальное изменение удельной теплоемкости воды, являющейся, как известно, основным компонентом биологической ткани, в интервале температур 0-99С составляет 39,2 Дж/(кгхК)), а так же то, что все значения удельной теплоемкости получены при значении температуры «36С (Приложения 4-10) было принято решение не проводить изучение температурной зависимости теплоемкости биологических тканей (Рис. 3.3).
Определение плотности (р) изучаемых тканей и органов проводилось нами методом гидростатического взвешивания [159] с температурой воды равной 36С. Средние значения плотности изучаемых тканей представлены на рисунке 3.4.
Небольшие затруднения вызывало определение плотности жировой ткани, т.к. при погружении ее в воду данной температуры жировая ткань в некоторых случаях резко меняла свое агрегатное состояние. С прочими тканями и органами таких затруднений не наблюдалось.
Как следует из представленной диаграммы, головной мозг и жировая ткань характеризуются практически равными значениями плотности, являющимися минимальными среди прочих органов и тканей.
Наивысшие значения р установлены для печени, мышечной ткани и кожи. Промежуточные места принадлежат почке и селезенке.
Имея в своем распоряжении все необходимые значения теплофи-зических параметров тканей человеческого тела (Рис. 3.2-3.4) был произведен расчет удельной температуропроводности (Рис. 3.5), как указывалось ранее, характеризующей их теплопроводящую способность в нестационарном режиме.
«Диагностический промах», как причина появления ошибки расчета давности смерти
Использование ограниченного комплекса диагностических мето-дов; неверная или, недостаточно научно обоснованная трактовка результатов,полученных в ходе осмотра трупа на месте его» обнаружения Являются наиболее частымишричинами ошибок при определений давности смертт[144, 158]. При этом, по мнению ГЬИ. Новикова [139] ,наиболее частые ошибки обусловлены, не инструментальной погрешностью измерения ; что было разобрано ранее, а тем , что исследованию подвергается= не диагностическая зона;, а близлежащие мягкие ткани. Типичная ошибка, это «диагностический промах» - недостаточная, либо чрезмерная, глубина введения датчика термометра.
Как уже неоднократно указывалось в судебно-медицинской литературе, посвященной термометрическому исследованию трупа [138 139, 200], введение датчика термометра следует осуществлять медленно, послойно фиксируя температуры трупа, с целью нахождения точки максимальных их значений. Именно данная зона является «температурным ядром тела» - диагностической зоной, и только по результатам замера температуры в данной области, возможно точное установление давности смерти. Тем не менее, в условиях осмотра места происшествия, судебно-медицинские эксперты подменяют поиск диагностической! зоны простым введением датчика термометра в геометрический центр тела.
Действительно, «попасть» таким образомтдиагностическую зону возможно, но только; при одном условии - равенстве: температурных потоков с каждой стороны трупа. На практике это реализуется в одном единственном случае — механическая асфиксия, повешение, при котором тело висит вертикально, не касаясь каких либо поверхностей ни одной своей частью. Отсутствуют воздействия воздушных потоков и прямой солнечной радиации на труп, которые могли бы охладить (нагреть) одну из его поверхностей.
В том же случае если тело человека лежит, происходит смещение диагностической зоны относительно геометрического центра тела [139], обусловленное различием тепловых потоков с передней и задней его поверхности. При этом степень различия этих потоков напрямую зависит от материала, температуры и влажности-поверхности, на которой находится мертвое тело [42], а так же от особенностей находящейся на трупе одежды (раздел 3.1).
С целью установления степени влияния величины «диагностического промаха» на точность определения давности смерти проведен ряд исследований, в которых специально моделировалась ошибка введения датчика термометра в диагностическую зону.
Все эксперименты выполнены на трупах лиц, умерших скоропостижно с точно известной давностью смерти.
В ходе исследования на месте происшествия фиксировалась диагностическая зона, замерялась температура в ней, измерялась глубина введения температурного датчика, после чего датчик термометра извлекался назад на расстояние, равное половине глубины первоначального введения и оставлялся на время, достаточное для формирования необходимой продолжительности выборки процесса.
Представим имеющиеся в нашем распоряжении данные в таблице 4.4, внеся в нее, в том числе, температуру центра диагностической зоны.
Как следует из таблицы 4.4, расчет давности, смерти, проводимый по температуре, замеряемой на расстоянии от диагностической зоны, во всех случаях сопровождался формированием значительной погрешности, колеблющейся в пределах 5,75-10,50 часов.
Общим для всех случаев является изменение расчетной давности смерти в сторону ее увеличения. В тоже время, для этих же самых1 случаев, расчет по температуре центра диагностической зоны (температурного ядра тела) сопровождался погрешностью, не превышающей 0,4 часа.
В литературе [139] указывается, что при относительно небольших отклонениях от центра диагностической зоны ошибка определения давности смерти составляет около 5% ее истинного значения.
С целью проверки данного положения проведено компьютерное моделирование охлаждения тела, регистрируемого в центральных отделах головного мозга и в печени, соответственно. Для расчета использованы значения удельной температуропроводности, ранее определенные нами (Глава 3). Общая удельная температуропроводность диагностической зоны устанавливалась графоаналитическим способом [39, 60 79, 80] по геометрической сетке исходя из температуропроводностей органов, входящих в эту диагностическую зону (Приложения 4-Ю). Расчет температурного поля объекта производился по уравнениям 2.26-2.27. Поскольку геометрические размеры тела являются: индивидуальной величиной, при представлении результатов проведенного моделирования было решено использовать относительные величины, отражая отклонение температурного датчика от центра диагностической зоны не в сантиметрах, а в долях целого - диаметра тела. Точно так же, поскольку общее время охлаждения во многом зависит от конкретных условий теплового взаимодействия трупа с предметами окружающего мира, было решено заменить абсолютные значения временных характеристик их относительными аналогами - числами Фурье (Fo), подобно тому, как это сделано для размера тела. В качестве внешних температур, при которых находится объект, выбраны значения 0С и 20С. Выбор этих величин обусловлен необходимостью показа погрешности определения давности смерти- при- различной степени отличия температур тела и окружающей среды. Общий алгоритм расчета погрешности определения давности смерти, обусловленной отклонением температурного датчика от центра диагностической зоны, можно представить следующим образом: 1. Моделирование температурного поля различных диагностических зон объекта при температурах окружающей среды 0С и 20С; 2. Графическое представление температур различных слоев диагностической зоны на всем протяжении периода моделирования; 3. Установление математических характеристик экспоненциальной зависимости температуры центра диагностической зоны от времени; 4. Расчет давности смерти (Fo) по уравнению охлаждения центра диагностической зоны для рассматриваемых слоев тела по значению температуры в нем,.определенному на 3-ем шаге алгоритма; 5. Расчет величины погрешности определения давности і смерти, выражаемойв % от истинного значения; 6. Графическое представление полученных результатов..
