Результат интеллектуальной деятельности: Биоимитатор тела человека для проведения следственных и экспертных экспериментов

Изобретение относится к области судебной медицины и криминалистики, в частности к судебно-экспертной деятельности, а именно к биоимитатору тела человека, применяемому для проведения следственных и экспертных экспериментов.

Известны различные технические решения, имитирующие отдельные части и ткани человеческого тела, для узконаправленных целей трасологической идентификации примененного травмирующего предмета [1, 2, 3, 4, 5]. Каркас таких устройств, предназначенный для имитации скелета, может быть выполнен из проволочных полуколец [1], из арматурных прутьев [4] или других конструктивных элементов из жесткого материала.

Недостатком данных технических решений является относительно низкое соответствие параметрам человека. Это обусловлено отсутствием решений, полноценно имитирующих как толщу мягких тканей, так и костный скелет человеческого тела.

Одним из наиболее распространенных и эффективных для производства биоимитаторов материалом можно назвать баллистический гель, который, в большинстве случаев, изготавливают из желатина. Указанный материал широко применяют в производстве биоимитаторов, предназначенных для различных баллистических и взрывных испытаний [6, 7, 8]. Использование баллистического геля обеспечивает достаточно высокую точность соответствия мягким тканям человека в биоимитаторах. При этом наиболее часто элементы, имитирующие скелет, выполняют из полимерного материала, как правило, из ABS-пластика.

Для повышения эффективности следственных и экспертных экспериментов появилась необходимость добавить рентгеноконтрастный материал к элементам, имитирующим скелет человека. Использование сульфата бария совместно с ABS-пластиком известно, например, в конструкторе Lego [9]. Также известны различные способы изготовления рентгеноконстрастных полимеров с сульфатом бария [10]. Однако технического решения, обеспечивающего максимальное соответствие параметрам человека и возможность качественного рентгенологического исследования после испытания, на данный момент разработано не было. Также для формования возможно использование любого подходящего термопластичного полимерного материала, предпочтительно с температурой плавления до 300°C.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является устройство «Торс человека из баллистического геля» [11]. Данное устройство выполнено в соответствии с антропологическими особенностями человека и включает скелет, элементы которого выполнены из термопластичного полимера, и основу из баллистического геля. Указанное решение обеспечивает достаточно высокое соответствие параметрам скелета и мягких тканей человека.

Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности рентгенологического исследования после проведения испытаний, что обусловлено отсутствием рентгеноконтрастного вещества в элементах, имитирующих скелет.

Технической проблемой является необходимость разработки биоимитатора тела человека, точно соответствующего параметрам человека и лишенного вышеприведенных недостатков.

Технический результат состоит в обеспечении возможности качественного рентгенологического исследования биоимитатора после испытаний.

Технический результат достигается тем, что в биоимитаторе тела человека для проведения следственных и экспертных экспериментов, выполненном в соответствии с антропологическими особенностями человека и включающим скелет, элементы которого выполнены из термопластичного полимера, и основу из баллистического геля, согласно изобретению элементы скелета дополнительно содержат сульфат бария при соотношении указанного вещества к термопластичному полимеру в диапазоне от 1,0/2,0 до 1,0/2,5.

При изготовлении пластиковых элементов биоимитатора возможно нанесение рентгеноконстрастного материала в массе и на поверхность. Нанесение на поверхность может быть осуществлено за счет специальных рентгеноконтрастных меток и/или рентгеноконтрастной нити. При этом наиболее интересным с точки зрения анализа целостности пластиковых элементов скелета на рентгене является смешивания полимера с сульфатом бария в массе. В данном случае также возможны два варианта, а именно смешивание порошка сульфата бария с расплавленными термопластичным полимерами при изготовлении нити для 3D-принтера или при формовании расплавленного поликапролактона. Наиболее важным является введение оптимального количества рентгеноконтрастного вещества, достаточного для формирования четкого изображения пластикового элемента на рентгене. Слишком большое содержания рентгеноконтрастного вещества также нежелательно, так как пучки рентгеновского излучения при прохождении через такой элемент будут рассеиваться слишком сильно, что негативно повлияет на качество изображения. Также на качество изображения влияют остальные составляющие биоимитатора, а именно основа из баллистического геля и покрытие из искусственной замши, имитирующее кожу.

Заявляемый биоимитатор изготавливают следующим образом.

Способ приготовления элемента скелета из ABS-пластика с помощью 3D-принтера.

При изготовлении нити для 3D-принтера к полимерным гранулам после их сушки добавляют рентгеноконтрастное вещество, после чего полученную массу нагревают при постоянном перемешивании. Далее полученную вязкую массу формуют до получения нити. Как правило, формование обеспечивается за счет прохождения массы между валами и через специальное выходное отверстие. Далее формованное изделие (нить) охлаждают. Указанную нить используют при изготовлении полимерного элемента скелета с помощью 3D-принтера с помощью стандартных методик.

Способ приготовления элемента скелета из поликапролактона путем формования.

К гранулам поликапролактона добавляют рентгеноконтрастное вещество. Затем емкость с полученной смесью нагревают до 60-70 °C при постоянном перемешивании. После достижения нужной температуры смесь продолжают перемешивать в течение 5-20 минут, после чего приступают к формованию изделия. Затем изделие охлаждают до комнатной температуры.

Способ приготовления баллистического желатина и формования манекена.

К горячей воде (50-58 °С) постепенно добавляют порошок желатин при медленном перемешивании. Затем добавляют консервант, предпочтительно пропионовую кислоту. После чего к раствору желатина дополнительно добавляют горячую воду (50-58 °С) и перемешивают раствор до полного растворения желатина. Затем удаляют образовавшуюся пенку. Раствор желатина заливают в специально изготовленную в соответствии с заданными параметрами форму. При этом стенки формы предварительно смазывают силиконом. Затем в указанную форму с раствором помещают заранее изготовленные полимерные элементы скелета. Раствор желатина оставляют на 3-5 часов при комнатной температуре для обеспечения реакции гидратации. Затем форму с остывшим раствором помещают в холодильник на 22-26 часов при температуре 2-6 °С. Далее полученное изделие извлекают из формы. При необходимости корректировки весовых параметров биоимитатора рекомендуется смешивать порошок желатина со свинцовым порошком. При этом предпочтительно покрывать полученное изделие материалом, имитирующим кожей, оптимально искусственной замшей. Толщина такого материала, как правило, составляет 1,8-2,6 мм.

Для определения оптимального содержания рентгеноконтрастного вещества в массе полимера была приготовлена серия композиций с термопластичными полимерами и сульфатом бария в различных соотношениях. Составы композиций приведены в табл. 1.

Таблица 1 – составы композиций с термопластичными полимерами и рентгеноконтрастными веществами

На основе данных композиций были приготовлены согласно вышеописанному способу образцы элементов скелета из пластика, каждый из которых по форме соответствовал фаланге пальца. Номера соответствовали номерам композиций. При этом образцы элементов были приготовлены различными, описанными выше способами. Указанные образцы приведены в табл. 2.

Каждый из указанных образцов был использован для приготовления биоимитатора пальца по вышеуказанному способу изготовления биоимитатора. Номера полученных образцов соответствовали номерам образцов по таблице 2. Каждый из образцов был отправлен на рентгенографическое исследование. По результатам исследования образцы 1, 6, были не видны или недостаточно четко видны на рентгеновских снимках, изображения образцов 5, 10, были испорчены из-за слишком яркого рассеивания рентгеновских лучей, а оптимальными получились изображения образцов 2-4, 7-9. Исходя из этого, следует, что оптимальным содержанием рентгеноконтрастного вещества в пластиковом элементе является 5-7 г на 20 г пластика, т.е. от 1,0/4,0 до 1,0/2,9 (или 20-26 мас.% рентгеноконтрастного вещества при 74-80 мас.% пластика). Также стоит учитывать, что дальнейшее увеличения содержания сульфата бария может привести к значительному снижению прочности изделий, что недопустимо для использования в следственных и экспертных экспериментах.

Для оценки возможности применения приведенных соотношений при производстве остальных частей биоимитатора была изготовления серия образцов биоимитатора с применением вышеприведенных диапазонов содержания сульфата бария, характеристики образцов приведены в табл. 2.

Таблица 2 – характеристики образцов биоимитатора.

Каждый из образцов был отправлен на рентгенографическое исследование. По результатам исследования образцы 1 и 2 были не видны или недостаточно четко видны на рентгеновских снимках, изображения образцов 7 и 8 были испорчены из-за слишком яркого рассеивания рентгеновских лучей, а оптимальными получились изображения образцов 3, 4, 5 и 6. Исходя из этого, следует, что ранее определенное соотношение от 1,0/4,0 до 1,0/2,9 может быть применено ко всем пластиковым элементам скелета биоимитатора.

Заявляемый биоимитатор тела человека для проведения следственных и экспертных экспериментов выполнен в соответствии с антропологическими особенностями человека и содержит скелет из термопластичного полимера (предпочтительно ABS-пластик или поликапролактон) и основу из баллистического геля. При этом элементы скелета содержат сульфат бария, а соотношение сульфата к полимеру находится в диапазоне от 1,0/4,0 до 1,0/2,9. В предпочтительном варианте реализации изобретения основа из баллистического геля покрыта материалом, имитирующим кожу (оптимально искусственной замшей). Скелет предпочтительно выполнен из соединенных между собой элементов, при этом места соединения имитируют реальные суставы. Также возможно использование резиновых лент для имитации связок.

Заявляемое изобретение работает следующим образом.

Заявляемый биоимитатор устанавливают на специальную подставку, придают ему позу в соответствии с моделируемой ситуацией и проводят испытания по проверке версии получения той или иной механической травмы (огнестрельная травма, взрывная травма, тупая травма, падение с высоты, ДТП, повешение и др​​​​​​​.). Затем проводят визуальный осмотр повреждений элементов биоимитатора. Далее в случае отработки моделирования огнестрельной и/или взрывной травмы осуществляют рентгенологическое исследование биоимитатора, по результатам которого делают окончательный вывод о повреждениях элементов, имитирующих скелет и мягкие ткани.

Источники информации

1. Голова антропологического манекена человека, обладающая следовоспринимающей поверхностью: патент RU2255377, Российская Федерация, заявка RU2004102990, заявл. 02.02.2004, опубл. 27.06.2005.

2. Устройство для экспериментальной стрельбы: патент RU173312, Российская Федерация, заявка RU2016146045, заявл. 23.11.2016, опубл. 21.08.2017.

3. Техническое средство для моделирования процессуальных действий в криминалистике (варианты): патент RU2221280, Российская Федерация, заявка RU2002105357, заявл. 01.03.2002, опубл. 10.01.2004.

4. Манекен для моделирования в судебной медицине: патент RU2151428, Российская Федерация, заявка RU98114564, заявл. 28.07.1998, опубл. 20.06.2000.

5. Фантом головы человека для симуляции операционного поля и хода операции в нейрохирургии: патент RU85252, заявл. RU2009109184/22, заявл. 16.03.2009, опубл. 27.07.2009.

6.  Walter Ch. et al. Ballistic Gelatine-What We See and What We Get // Int. J. Legal Med. 2020 Jan; 134(1):309-315. doi: 10.1007/s00414-019-02177-z. Epub 2019 Nov 4.

7.  Humphrey C. et al. Ballistics and Anatomical Modelling - A Review // Leg. Med. (Tokyo). 2016 Nov; 23:21-29. doi: 10.1016/j.legalmed.2016.09.002. Epub 2016 Sep 7.

8. Gelatin dummy accurately replicates resistance of skin to ballistic penetration // Techlink. URL: https://techlinkcenter.org/technologies/gelatin-dummy-accurately-replicates-resistance-of-skin-to-ballistic-penetration/1b91d6f5-b7eb-439a-9c09-e7ee80a2e395, опубл. 10.07.2020.

9.  Turnera A. et al. The influence of additives on the fate of plastics in the marine environment, exemplified with barium sulphate // Marine Pollution Bulletin. Vol. 158, September 2020, 111352.

10. Рентгеноконтрастные защитные изделия: заявка US2009114857, Соединенные штаты Америки, заявл. 20.12.2004, опубл. 07.05.2009.

11. Торс человека из баллистического геля // Все о боевых искусствах. URL: https://srrb.ru/оружие/холодное-оружие/ballistic-gel-torso-tors-cheloveka-iz-ballisticheskogo-gelya-samyj-krutoj-trenazher-dlya-boevyx-iskusstv.html