Inovace SEBS a ASEBS

EXTRÉMNÍ MECHANICKÉ ZATĚŽOVÁNÍ ORGANISMU

Taktéž v této kapitole čerpáme nejvíce z dostupných materiálů prof. Strause, avšak i ze zdrojů jiných autorů uvedených v seznamu použité literatury.

Druhou nejčastější oblastí, kterou řeší forenzní biomechanika je problematika extrémního dynamického zatěžování organismu. Jak jsme již uvedli, biomechanika se zabývá pohybem živých organismů, tedy mechanickou strukturou, mechanickým chováním a jeho řízením na různé rozlišovací úrovni. Dnes se biomechanika zaměřila především na řešení typických otázek z oblasti biomechaniky člověka: mechanické charakteristiky typických pohybů člověka (lokomoce, manipulace…), etiologie traumat pohybového ústrojí a jejich terapie, umělé náhrady, sport, ergonomie a problém kompensace pracovní zátěže, vztah člověk – stroj, tolerance organismu člověka na zátěž, atd.

Již koncem dvacátých let minulého století vznikl vědní obor reologie, jakožto nauka o deformaci a tečení látek. Současnou otázkou, kterou biomechanika řeší, je deformace tkáňových a orgánových struktur a jejího průběhu v čase coby odezvy na vnější mechanické zatížení. Díky tomuto trendu se stále více využívá poznatků z reologie, dokonce můžeme hovořit o vzniku tzv. bioreologie. Výsledky výzkumu v této oblasti mají značný aplikační potenciál, protože znalosti reologických vlastností tkání umožňují předvídat jejich odezvu na mechanické zatížení. Pojmem extremní zatěžování se myslí takový režim účinku mechanické zátěže, který je polarizován ve smyslu hypo, hyper. Objektem zkoumání je člověk, a to jak na úrovni celulární, tkáňové, tak celého organismu. Hypokinetická zátěž se např. projevuje nedostatečnou mechanickou stimulací organismu pohybového ústrojí člověka a jeho logistiky, tudíž i procesů na úrovni jiných orgánů, a jejich vnitřní komunikace a řízení, což vede k řadě negativních adaptačních procesů. Hyperkinetická zátěž naopak vede k řadě degenerativních procesů v organismu a v krajní formě ke vzniku traumat, až jeho destrukce.

Oblasti, kterým se biomechanika extrémních mechanických zátěží věnuje, můžeme shrnout následovně:

• sportinženýring a rehabilitační inženýrství (problém účinných ochranných pomůcek, nářadí, pomůcky, náčiní, výzbroje a výstroje, adaptabilita a tolerance člověka vůči extrémním zátěžím, biomechanické aspekty nezávislého života tělesně postižených, apod.)
• zátěžová patobiomechanika (problém tolerance organizmu na mechanickou zátěž z hlediska tkáňové reologie, zátěž versus logistika organismu, zátěž a posttraumatické a degenerativní změny, interakce organismus – pomůcka, biokompatibilita, apod)
• forenzní biomechanika (problém identifikace zátěžové historie typu mechanické zátěže, rizika a příčiny selhání systému člověk – stroj, dynamika interakce dopravních prostředků a zátěžových důsledků na organismus člověka, aspekty prevence, aktivní i pasivní bezpečnosti apod.). Významnou aktivitou je expertní a soudně znalecká posudková činnost.
• analýza a syntéza pohybu člověka (problém diagnostiky přirozeného a adaptovaného pohybu člověka v ontogenezi, zdraví a patologii, možnosti jeho ovlivnění, zvýšení výkonnosti a spolehlivosti, ergonomické aspekty, apod.).

V rámci tohoto výukového materiálu nás blíže zajímá problematika extrémního mechanického zatěžování organismu ve forenzní biomechanice. Jedná se nejčastěji o tyto situace:

• Extrémní zatížení organismu úderem - útočník napadne oběť úderem pěstí, kamenem, kladivem, basebalovou pálkou nebo jiným pevným předmětem. Nejčastěji je útok směrován na hlavu oběti, protože mozek představuje životně důležitý orgán. V případě těchto biomechanických analýz se jedná o posouzení odolnosti organismu, jeho snášenlivost na vnější zatížení. Forenzní biomechanika umožňuje přesnou kvantifikaci tolerance organismu na vnější zátěž, lze vypočítat, jaký úder vede ke zhmoždění mozkové tkáně, fraktuře kosti, a tedy zjištění skutečnosti, zda napadená osoba zemřela ihned, nebo nějaký čas přežívala a teoreticky by bylo možné ji zachránit.
• Dopravní nehody využívají biomechanické zkoumání při hodnocení mechanického působení na účastníky dopravní nehody uvnitř vozidla a mechanické působení na sražené osoby. Znaleckým zkoumáním se lze vyjádřit k pozici osob uvnitř vozidla v průběhu dopravní nehody, stanovení kritické nárazové rychlosti a vzniku zranění osob a jejich případnému upnutí bezpečnostními pásy.
• Bodnutí nožem je také poměrně frekventované. Biomechanická analýza zkoumá velikost síly, kterou je potřeba vyvinout při bodnutí, dále možnost účasti druhé osoby a vyjádření se k aktivnímu působení při bodnutí.
• Ostatní aplikace jsou ojedinělé a někdy až kuriózní případy, např. poranění osoby hozeným granátem (žák hodil granátem při hodině tělesné výchovy a poranil učitele), poranění vazů v koleni při rvačce, pohmoždění mozku dítěte při jeho třesení (otec třásl dítětem s úmyslem vyklepání korálku z dýchacích cest, v tomto důsledku vzniklo nitrolební krvácení dítěte), oběšení (posouzení pohybového chování sebevraha při oběšení na větvi stromu), smrtelné zranění při skoku do dálky (žák při lehkoatletických závodech nešťastně doskočil na betonový okraj doskočiště a poranil si játra, biomechanický posudek řešil varianty zranění, kdyby doskočiště bylo z měkčeného materiálu) atd.

Straus se domnívá, že např. v aplikačním směru extrémního zatížení organismu úderem, je možné řešit následující otázky:

• Biomechanický popis pohybového chování, při němž vzniklo zranění poškozeného.
• Jak velká síla a energie vzniká při úderu a zda je osoba schopna takovou sílu vyvinout, zda odpovídá popisu pohybového chování?
• Zda hodnoty vnější zátěže jsou schopny způsobit zjištěná zranění.
• Vyjádřit se k hranici tolerance organismu na vnější zátěž.
• Posoudit způsoby fyzického napadení poškozeného.
• Z hlediska biomechaniky se vyjádřit k pravděpodobnosti průběhu fyzického konfliktu (napadení) obviněného a poškozeného.
• Vyjádřit se k počtu úderů do hlavy, případně do těla.
• Výzkum v tomto směru umožňuje velmi přesně popsat reakce lidského těla a jeho segmentů na vnější zátěž a zcela přesně kvantifikovat toleranci organismu.

Systémy těla z aspektu iniciace pohybu

Abychom lépe pochopili reakce lidského organismu člověka na extrémní mechanickou zátěž, podívejme se nejprve na základní poznatky o jednotlivých systémech pohybového aparátu, jakožto východiska pro studium jejich reakcí na danou mechanickou zátěž.

Pohybový systém člověka je tvořen těmi komponentami lidského organismu, pomocí kterých jsou uskutečňovány jeho mechanické interakce s okolím. Z pohledu funkční anatomie pohybového systému sem patří:

1. opěrný subsystém – kosti a klouby
2. svalový subsystém – svaly a šlachy
3. řídící subsystém – tvoří CNS a periferní nervový systém
4. zásobovací neboli energetický subsystém – cévy, zabezpečující přísun potřebných látek

Pohybu se zúčastňuje přímo anebo nepřímo řada orgánů, resp. orgánových soustav lidského těla. K vlastním orgánům pohybového systému patří kosti, klouby, svaly a šlachy. Kosti tvoří opěrný systém a jsou pasivním pohybovým aparátem, svaly a šlachy jsou na druhou stranu pohybovým aparátem aktivním.

Mechanické vlastnosti tkání

Mechanickou impedanci neboli odolnost tkání proti mechanickému zatížení můžeme charakterizovat základními vlastnostmi jako je pevnost, tvrdost, tuhost, pružnost (elasticita). Z mechanického hlediska jsou kosti díky své struktuře nehomogenní a anizotropní. Je zřejmé, že kost je rovněž viskoelastický materiál. Její odezva je tedy mimo jiné závislá také na rychlosti zatížení. Mechanické vlastnosti jsou díky anizotropnímu charakteru kostí rozdílné pro různé směry zatížení. Udává se, že kosti jsou až desetkrát odolnější proti působení zátěže ve směru podélné osy (tah, tlak) než působí-li zatížení ve směru radiálním či tangenciálním. Např. pro stehenní kost klesá odolnost na zatížení: tlak (187 MPa ve směru podélné osy, 132 MPa kolmo na podélnou osu) → tah (132 MPa) → smyk (58 MPa). (Janura, 2003)

Kosti

U kostí se tyto charakteristiky liší pro kortikální a spongiózní kost. Kortikální kost se může protáhnout o 1 - 3%, kost spongiózní o 2 až 4%. Pevnosti kortikální kosti je 10 – 20 krát větší než u spongiózní kosti, neboť mez pevnosti je v prvním případě 100 – 150 MPa, v druhém pouze 8 – 50 MPa. V tabulce 9 uvádíme vybrané hodnoty pevnosti a pružnosti kostí.

Další hodnoty udává Koniar a Leško (1990) - například kritický bod pately v tlaku je 2000 N, humeru 6000 N, femuru 7500 N a tibie 5000 N.

Šlachy

Šlachy tvoří spojení svalů s kostmi. Hlavní funkcí šlach je přenos síly ze svalu na kost a uložení elastické energie. Vedle elastinových vláken jsou šlachy tvořeny především kolagenními vlákny, která se mohou protáhnout zhruba o 10% své původní délky. Co se týká pevnosti šlach, odhaduje se, že je asi čtyřnásobně vyšší, než je maximální izometrický tah odpovídajícího svalu (Konvičková a kol., 2007). Pevnost šlachy je také ovlivněna jejím příčným průřezem. Šlachy se chovají jako nelineární elastické struktury.

Tuhost šlachy je funkcí prodloužení. Při malém prodloužení šlachy je její tuhost nízká. Malé změny působící síly mají relativně velké účinky na délku šlachy. Ale se zvětšujícím se prodloužení, se zvyšuje i tuhost šlachy. V lineární části křivky je tuhost šlachy prakticky konstantní. Mez pevnost šlachy odpovídá napětí přibližně 100 MPa. Vzhledem k tomu, že pevnost šlachy je vyšší než pevnost jí odpovídajícího svalu, dochází při zranění častěji k přetržení svalu než šlachy.

Vazy

Mezi hlavní mechanické funkce vazů patří stabilizace kloubu, usměrnění pohybu kloubu a vymezení jeho pohyblivosti. Hlavními komponenty vazů jsou elastinová a kolagenní vlákna. Elastinová vlákna jsou pružnější, mohou se prodloužit až o 150%, avšak mají menší pevnost, asi 3 MPa. Kolagenní vlákna kosterních vazů jsou heterogenní (nestejnorodá), některá se křižují s převládajícími paralelními podélnými vlákny, některá jsou skloněna v určitém úhlu a slouží jako „poutač“ pro podélná vlákna. Jejich maximální protažení se pohybuje mezi 4 a 10%. Naopak pevnost dosahuje hodnot 50 – 100 MPa.

Klouby

Pro pohyb segmentů jsou důležitá spojení kostí. Pohyby v kloubu jsou kombinací pohybu lineárního a úhlového, přičemž úhlová forma je dominantní. Z biomechanického hlediska je chrupavka pórovitý materiál a chová se jako houba, která je schopná zadržet velké množství tekutiny. Při zatížení dochází k její deformaci a při deformaci je z chrupavky tekutina vytlačována do kloubní dutiny, s čím roste koncentrace mezibuněčné hmoty. Při odlehčení chrupavky proudí tekutina (výživný kloubní maz) z dutiny kloubu do chrupavky, kde se osmotickými silami nasává do koncentrovaného prostředí mezibuněčné hmoty chrupavky. Touto cestou si chrupavka zabezpečuje výživu a zároveň pružnost. Pružnost chrupavky klesá s věkem úměrně s tloušťkou chrupavky. Pokud chrupavka kloubu není pravidelně zatěžována, tak výměna látek je porušená a chrupavka se rozpadává (degeneruje). Při opotřebování chrupavky je povrch chrupavky v kloubu nerovný a vláknitý. Tření mezi kloubními plochami se zvětšuje a kloub je poškozován. Výsledkem jsou pokračující degenerativní (artrotické) změny. (Binovský, 2003).

Svaly

Pohyb i stabilitu skeletu – segmentů těla vykonává soustava příčně pruhovaných svalů a šlach. Jejich řízení a regulaci zabezpečuje komplex řídících orgánů – nervů, tvořících nervovou síť. Základem svalové funkce je svalový stah - kontrakce vyvolávaný za normálních okolností nervovým podnětem. Pevnost svalu v tahu v klidu se pro lidský sval pohybuje v rozmezí 0,26 až 0,90 MPa (Karas, Otáhal a Sušanka, 1990 in Janura, 2003). K nevratným změnám ve svalu dochází po protažení o 40 - 50% klidové (fyziologické) délky. Přetržení svalu nastává až po změně klidové délky svalu na 1,5 až dvojnásobek. Pevnost maximálně kontrahovaného svalu – je rozdílná pro různé svaly, přibližná hodnota se pohybuje kolem 1,25 MPa. Je tedy zhruba 50 – 100x menší než u šlach. Účinnost udává, jaký je poměr spotřebované energie (vykonané, užitečné práce) ku energii dodané. Účinnost svalové práce je asi 20%, 80% energie se mění na teplo.

Extrémní mechanická zátěž ve forenzní biomechanice

Pro popis závislosti mezi mechanickým působením a biomechanickou odezvou je pro znalecké zkoumání ve forenzní biomechanice potřebné definovat kritéria, která vyjadřují míru předpokládané biomechanické odezvy na mechanické zatížení. Míra zranění může v mnohém napomoci rekonstruovat přesně průběh mechanického zatížení organismu, průběh napadení osoby a do jisté míry může být užitečnou kontrolní hodnotou. Zranění vzniká tehdy, když biomechanická odezva překročí limitní hodnotu a v biologickém systému dochází k nevratným změnám. Matematicky vyjádřitelná hodnota je dlouhodobým zájmem forenzní biomechaniky a v odborné biomechanické literatuře se objevuje několik přítupů a také i přesně vyjádřitelných parametrů (matematických vzorců) pro vyjádření tolerance organismu na vnější mechanické zatížení.

Ve forenzní biomechanice se objevují snahy o exaktní vyjádření hranice tolerance organismu na vnější zátěž, jsou to např. škály AIS, hodnoty GSI, HIC, Versace korekce.

Abbreviated Injury Scale (AIS)

Nejznámějším anatomickým číselným vyjádřením zranění celosvětově uznávaným je Abbreviated Injury Scale (AIS)-redukovaná škála zranění. AIS škála zranění byla stanovena pro zranění vznikající při nárazu. AIS rozeznává následující úrovně zranění:

0 – bez zranění
1 – lehké zranění
2 – střední zranění
3 – vážné zranění
4 – těžké zranění
5 – kritické zranění
6 – maximální zranění (zranění nelze přežít).

Uvedená škála popisuje zranění z medicínského hlediska, popis z technického a biomechanického hlediska je zatím neznámý.

Gadd severity index (GSI) – Gaddův index zranění

První rozsáhlejší kvantifikace hodnot zrychlení a časového účinku přetížení při zraněních vzniklých v oblasti hlavy v době dopravní nehody byla vyjádřena pomocí WSTC (Wayne state tolerance curve). WSTC určuje vzájemný vztah mezi přetížením a délkou trvání přetížení. Kombinací těchto dvou faktorů vznikají poranění různé intenzity. WSTC popisuje takové kombinace přetížení a trvání přetížení, při nichž vznikají zranění životu nebezpečná (hranice smrti). Podkladem pro vypracování této křivky byly tři oblasti silového působení:

• přetížení trvající 1-6 ms (krátký impuls) nevyhnutelné pro vznik fraktury lebky (většinou spojené s otřesem mozku). Objektem zkoumání byly lidské mrtvoly,
• přetížení trvající 6–10 ms (středně dlouhý impuls). Objekt zkoumání – porovnání odezvy u lidských mrtvol a zvířecího mozku,
• dlouhý impakt, dlouhá doba brzdění pohybu hlavy. Objekt zkoumání – dobrovolníci. Takovéto přetížení nezpůsobilo žádné zranění.

Na základě těchto měření byla sestrojena asymptota křivky (původně pro 42 g, později byla tato hodnota ustálena na 80 g).

kde a je zrychlení při nárazu vyjádřené v násobcích gravitační konstanty g, t je impakt, čas zátěže. Tento index signalizuje, že při překročení kritické hodnoty GSI ≥ 1000 vznikají podmínky pro počátek netolerovaného nebezpečného tupého nárazu. Gadd uvádí, že pro otřes při čelném nárazu je maximální přípustná hodnota GSI = 1000. Pokud se jedná o nekontaktní náraz, je maximální přípustná hodnota rovna 1500.

Head injury criterion (HIC) – parametr zranění hlavy

Nejčastěji používaným kritériem pro posouzení poranění hlavy při testech vozidel je kritérium HIC (Head Injury Criterion):

V rovnici je a zrychlení při nárazu vyjádřené v násobcích gravitační konstanty g, t je impakt, čas zátěže. Zrychlení (zpomalení) lebky bylo obvykle měřeno na opačné straně hlavy než působil náraz. Výsledná hodnota HIC by neměla překročit hodnotu 1000, která odděluje vážné a smrtelné úrazy lebky od úderů, jež lze přežít.

Omezení HIC jsou:

• HIC uvažuje pouze zrychlení, zatímco biomechanická odezva hlavy zahrnuje také úhlový pohyb hlavy, který má také za následek poranění hlavy,
• HIC je použitelný pouze pro „tvrdé“ nárazy hlavy (impakt do 1–HIC je založeno na WSTC metodě, která je odvozena pouze od zatížení v předozadním směru.

I přes tyto nedostatky je HIC běžně použitelným kritériem při poraněních hlavy v automobilním výzkumu. Umožňuje rozlišit a predikovat biomechanickou odezvu v případě kontaktního a nekontaktního přetížení. V posledních letech byl na Policejní akademii ČR v Praze proveden rozsáhlý výzkum, jehož výsledkem je zjištění, že kritérium HIC není možné použít například pro řešení zátěže při úderu tonfou nebo tyčí. Při úderu tonfou do hlavy není zasažené hlavě udělena příliš velká decelerace a všechna energie je spotřebována při formaci lebky.

Hranice tolerance hlavy na vnější zátěž je závislá na tom, zda se jedná o úderné (50 ms) nebo impulsní působení (50–200 ms). Hranici tolerance organismu lze stanovit pouze na základě nepřímých údajů (mrtvoly, zvřata, dobrovolníci, figuríny). Kritérium tolerance organismu je primárně závislá na přetížení mozkové tkáně v okamžiku destrukce. Orientačně se studuje také velikost nitrolebního tlaku a velikost vnější síly, zejména jejího maxima dynamické složky při úderu. Jako kritérium tolerance lze stanovit:

1. Index zranění (GSI, HIC): a = 80-120 g (123 g pro t = 6 ms), kritériem tolerance je GSI = 1000
2. Kritický nitrolební tlak je p = 206010 Pa – otřes mozku, p = 618030 Pa – smrt
3. Kritická vnější síla při úderu je F = 4 kN (vznik fraktur), F > 7 kN (vznikají radiální a transversální prasky lebky)

Tabulka 10 uvádí přehled o velikosti síly potřebné pro vznik fraktur lebky.

Mezi velmi častá poranění, se kterými se v kriminalistice střetáváme, jsou poranění lebky tupým předmětem, čímž se podrobněji zabýval Straus (2000). 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. 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.

Druh a rozsah zlomeniny závisí na několika činitelích:

1. na rozměrech, hmotnosti, tvaru, konzistenci a elasticitě předmětu působícího násilí,
2. na směru, rychlosti i místě násilí,
3. na elasticitě lebky,
4. na možnosti pohybu hlavy po nárazu.

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).

Když část mozku utrpí trauma, výsledkem je obvykle bezvědomí nebo porucha neurologických funkcí. U úderu do hlavy závisí na tom, kam je úder směřován, jestli míří do středu hlavy nebo ze strany. Tak například úder, který směřuje ze strany do brady, tedy mimo střed hlavy, může způsobit nejméně 3,5 krát větší zrychlení hlavy než stejně velká síla směřující do jejího těžiště. Ve skutečnosti je to ještě víc, neboť 3,5 odpovídá výpočtu při kulatém tvaru hlavy. Hlava je však spíše elipsoid, čím docházíme až k hodnotám 4,2 (obr. 91).

Tangenciální úder do hlavy si můžeme z mechanického hlediska přirovnat ke kopu do míče. Čím bude vektor síly kopu procházet dál od těžiště míče, bude větší rameno síly a tedy i moment síly, což se projeví zvýšením úhlového zrychlení.

Dynamické vlastnosti hlavy uvnitř jsou obtížněji měřitelné. Nicméně hrají zde roli tyto faktory:

1. Hmotnost hlavy
2. Oscilace hlavy (vibrace)
3. Tlumení vibrací
4. Reakce nervového systému

Z největší části závisí faktory 2 – 4 na faktoru 1 – hmotnosti hlavy. Velikost změny hybnosti hlavy způsobené úderem se snižuje s rostoucí hmotností hlavy. Tloušťka lebky se zdá být méně významným faktorem determinujícím pravděpodobnost upadnutí do bezvědomí. Tlustší lebka může významně snížit riziko hematomu v místě úderu, ale zdá se, že má malý nebo téměř žádný vliv na příčiny vzniku dlouhodobého porušení mozku.

Například v boxu se setkáváme se snahou zasáhnout soupeřovu hlavu, což může způsobit omezení některé z funkcí mozku: rovnováha, koordinace, reflex, paměť, instinkt, strategické uvažování. Vzhledem k velikosti úderné plochy boxerské rukavice není úder většinou ničivý pro obličej, spíše jde o zrychlený pohyb hlavy dozadu. Dobře provedený boxerský úder tak může způsobit zrychlení hlavy o velikosti až 80g. Po úderu do hlavy se snaží svaly krku zabránit hyperextenzi krční páteře, čímž působí proti úderu. Následně se začne pohybovat mozek v lebce, podobně jako žloutek ve vajíčku, avšak se zpožděním vůči zrychlenému pohybu hlavy. Na opačné straně, než byla hlava zasažena, narazí mozek do lebky, vzrůstá napětí v mozkových tkáních, cévy se protahují, případně praskají a dochází k vnitřnímu krvácení.

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 t_z dobu, po kterou působilo mechanické zatížení na hlavu, a t_v dobu po kterou trvala vibrace měkkých tkání, pak index I, charakterizující faktor poškození, lze vyjádřit

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:

1. Úderné působení - vzniká při mechanickém radiálním úderu hlavy předmětem, doba trvání kontaktní síly je menší než 50 milisekund. V těchto případech se jedná o úder hlavy tvrdým předmětem, úder hlavou o tvrdou překážku nebo jejich kombinace. Jedná-li se o úder vysokou rychlostí velmi tvrdým předmětem nebo náraz hlavy na pevnou podložku (např. úder do hlavy kamenem, ocelovým předmětem, náraz lebky na ocelovou nebo betonovou podložku), pak čas kontaktu síly je 1 - 5 ms, při střetu chodce s automobilem je kontakt silového působení 5 - 15 ms, při úderu volnou rukou do hlavy je doba kontaktu 20 - 30 ms.
2. Impulzní působení - je charakteristické především změnou vektoru rychlosti hlavy bez přímého mechanického působení na lebku; charakteristické pro impulzní působení je radiální dynamické působení v časové relaci 50 - 200 ms (např. poškození v kabině automobilu při nárazu).
3. Kompresní působení - je charakterizováno mechanickým silovým působením mezi dvěma traumatizujícími předměty. Mechanické působení směřuje na lebku radiálně, ze dvou protilehlých stran po dobu více než 200 ms (např. při různých katastrofách v dolech, budovách, při přejetí hlavy pneumatikou auta).

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. V mozku byla rychlost šíření vlnové frekvence změřena v rozsahu 2000 - 2500 ms^-1.

Velikost působících sil není přímo úměrná velikosti a druhu traumatického poškození lebky. 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).

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.

Podle analýzy mnoha autorů a empirických údajů soudních lékařů se rozděluje síla úderu do čtyř skupin:

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:

1. velikost síly úderného předmětu, tedy kinematické faktory úderu (rychlost, gradient zrychlení - záporné zrychlení, zpoždění, hmotnost úderného předmětu);
2. tvar a rozměr úderné plochy - zřejmě ovlivňuje velikost nitrolebního tlaku, případně velikost kinetické energie na plochu průřezu úderného předmětu;
3. tloušťka kosti lebky;
4. místo na lebce, kam je úder směřován. Zřejmě údery do přední obličejové části lebky vedou ke snadnějšímu zlomení lebky.

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. Příklady různých kritických hodnot tolerance, shromážděné od různých autorů na základě jejich mechanických a traumatických poznatků, uvádí přehledně tabulka 12.

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.

Extrémní mechanická zátěž v úpolových sportech

Úpolové sporty obsahují údery, házení nebo imobilizace soupeře, proto jsou ve srovnání s jinými sporty považované za nebezpečnější. Snahou je snížit počet zranění, proto došlo k určitým úpravám pravidel nebo zavedení některých chráničů, jako např. v taekwondo. Výsledky studií se ve výsledcích rozcházejí. Jedni uvádějí, že v bojových sportech dochází ve srovnání s jinými sporty k častějším zraněním, jiní tvrdí opak. Pappas (2007) ve svém výzkumu analyzoval celkový počet zjištěných zranění 7290 ve vybraných úpolových sportech ve Spojených Státech v průběhu let 2002 – 2005. Tabulka 13 ukazuje procentuální zastoupení zraněných anatomických částí těla. Je evidentní, že horní končetiny a hlava je nejzranitelnější.

U zápasu byl zjištěn největší počet zranění, méně u boxu a nejméně v bojových uměních. (Jiná studie (Bledsoe a kol., 2006), která srovnávala počet zranění mezi boxem a bojovými uměními však ukázala, že počet zranění v bojových uměních byl o 65 % vyšší než v boxu.) Narozdíl od boxu se u zápasu používají techniky znehybnění. Následkem toho se klouby často dostávají do extrémních pozic. Polohy a síly, které v nich působí při zápasu tak mohou často způsobit natažení svalů a vazů přes fyziologický rozsah. Natažení a vymknutí představují 42,3 % všech zranění u zápasu.

Serina a Lieu (1991) se zabývali možností zranění, při nárazu v plné rychlosti do hrudníku u obloukového kopu, obloukového kopu z otočky, bočního a zadního kopu. U všech bylo zjištěno, že mohou svou silou způsobit poškození těla soupeře. U obloukových kopů byly naměřeny největší rychlosti, zatímco při bočním a zadním kopu bylo předáno více energie.

Steiger (1999) analyzoval kladivový úder pěstí (hammer fist strike). Obr. 92 ukazuje polohu, rychlost a zrychlení pěsti při tomto úderu. Maximální zrychlení před kontaktem s cílem je 350 g. Při pohledu na šířku vrcholu křivky zrychlení si můžeme udělat představu o tom, jak dlouho trvá interakce. Budeme přesto počítat s jistou rezervou, tedy s dobou kontaktu 10 ms. Změna hybnosti 49 kg∙m∙s-1 v čase 10 ms vytvoří sílu 4900 N, což je víc než dostatečné ke zlomení desky.

Může takto silný úder zlomit i kosti ruky? Kost je silnější než dřevo, dokonce i než beton. Malé kosti jako jsou kosti ruky je možné zlomit silou o velikosti 1500 N. Je zde však podstatný rozdíl mezi kostí a deskou, kosti nejsou pevně podepřeny jako deska. Navíc měkké tkáně (svaly, šlachy) v ruce jsou schopny absorbovat část energie úderu za předpokladu, že je ruka držena ve správné pozici. Dále vezměme v úvahu, že kost je silnější v kompresi než v tenzi či rotaci. Jestliže je tedy ruka držena v pozici tak, že kosti jsou vystaveny spíše kompresi než tenzi, kosti jsou více chráněny. Z těchto důvodů by se měla deska přelomit dříve než kosti ruky. Síla 4900 N je však jistě mnohem větší než 1500 N potřebných ke zlomení kosti ruky, proto zde určité riziko stale zůstává. Bezpečnost tak spočívá ve správné technice provedení úderu. Jestliže je úder proveden správně, zlomí se deska, v opačném případě je možné zlomení kostí ruky.

V úpolových sportech, zejména takových jako je judo nebo zápas, se objevuje mnoho technik pák. Z fyzikálního hlediska můžeme považovat za předmět páky pouze těleso pevné, málo pružné, s delší podélnou osou, tedy pro případ lidského těla je to kost, nikoli vazivo či sval. Avšak kosti těla jsou příliš krátké a síla člověka je příliš omezená, proto není možné, aby útočník přibližně stejně fyzicky vyvinutému soupeři dokázal způsobit zlomeninu kosti holýma rukama tlakem (bez úderu) a to i v případě, že by byl jeho soupeř byl v bezvědomí. Z toho důvodu, hovoříme-li v bojových uměních o pákách, máme na mysli chvaty, při kterých je do páčení zapojena ne jedna, ale minimálně dvě kosti, které jsou kloubně spojeny. Zranění kteréhokoliv komponentu kloubního spojení je vážné a tělo je alarmováno prostřednictvím bolesti. Bolest, je-li dostatečně silná, donutí organizmus, aby odstranění příčiny této bolesti dal absolutní prioritu, tedy aby „nechal všeho ostatního“ (v našem případě boje). Námitka, že lidé pod vlivem drog či alkoholu bolest nevnímají je mylná. Jejich vědomí je o závažnosti stavu nedostatečně informováno, organismus však bolest vnímá. Znamená to, že pokud dotahujeme páku vnímavému člověku, zanechá odporu dříve, než jeho tělo dojde újmy. Indisponovaný člověk tyto informace do mozku nedostává, proto má obránce podle závažnosti situace na výběr, jestli si může dovolit přejít na jinou techniku, nebo musí pokračovat v páčení až do zjevného zranění. Pokud by byla situace vážná (přesila útočníků, dokonaný trestný čin, zbraně v akci, jasný teroristický útok či pod.), pak prostě obránce páku dokončí, například zlomí útočníkovi ruku v loktu, tedy odlomí na jeho ulně či radiu kloubní hlavice. V tom případě ať si soupeřův mozek vybaví bolest nebo ne, je disfunkční a krátce poté se dostaví šok, který mu zabrání pokračovat v akci.

Z hlediska sebeobranných technik se ovšem mezi páky zahrnují i ty techniky, které v podstatě pákami ve fyzikálním smyslu nejsou, protože jde o jiné bolestivé akce na kloubní spoje. „Pravá páka“ by měla mít při jejím dokončení diagnózu „fractura“, tedy zlomenina. Při pákových technikách bojových umění však může být výsledkem dokončení chvatu “luxace”, tedy vykloubení, nebo např. natržení či přetržení šlachy. Příkladem tzv. páky je například „páka na rameno“. Opět nejde v pravém slova smyslu o páku, ale výkrut, protože výsledkem by nebyla fraktura humeru, ale luxace ramenního kloubu. Rameno totiž není možné fixovat jediným člověkem tak, aby síla mohla působit na humerus a odlomit mu hlavici. Humerus prostě vypadne z lůžka, vzniká tedy luxace, vykloubení.

Všechna kloubní spojení nejsou rovnocenná. Některé páky, jako je například páka na distální článek palce je takového charakteru, že obránce nemá možnost ji dotáhnout do konce. Páka tohoto článku prstu je příliš krátká a obránce by neměl ve svých prstech dost síly, aby obráncovu palci ublížil. Proto se taková páka hodí pouze pro jakýsi „nevinný“ způsob napadení. Jiné klouby, např. kloub ramenní a kyčelní, podobně jako zápěstí mají relativně velký rozsah pohybů. To samozřejmě zvyšuje počet možných pák. Je důležité zmínit se zde o páce na tělo ve smyslu jeho podélné osy, tedy o páce na páteř. Každý by měl znát důsledky zranění páteře a uvědomit si, že tato páka je životu nebezpečná. Pokud se jen nepatrně zraní krční páteř, jsou důsledky doživotní, nejen fyzická omezení a částečná invalidita, ale také riziko vzniku chronické bolesti hlavy. Pokud by došlo k vážnému zranění této části páteře, může nastat smrt během několika sekund (tzv. zlomení vazu). V případě zranění páteře v jejím průběhu, tedy od prvních hrudních obratlů až po kost sakrální, je následkem částečné či úplné ochromení. Poruší-li se mícha, která prochází páteří, pak od toho místa všechny nervy, které laterálně z míchy vycházejí, mohou být paralyzovány.