The characterisation of a ballistic fracture pattern in human long bones

Abstract

En cadàvers mal conservats i restes esquelètiques, avaluar la causa i les circumstàncies de la mort constitueix un gran repte. Mentre que les lesions per arma de foc al crani han estat ben estudiades, les dades fiables sobre els patrons de fractura en traumatismes balístics dels ossos llargs són escasses. Tot i això, la interpretació de les fractures dels ossos llargs pot ser molt rellevant per a una millor comprensió de les circumstàncies que envolten la mort. L'objectiu principal d'aquesta tesi és el d’obtenir més coneixement sobre el patró de fractura balística en ossos llargs humans. A l’hora, s’han provat models alternatius, sintètic i animal, per tal d’avaluar la seva idoneïtat per substituir els ossos humans en experiments de trauma per arma de foc. En aquest estudi, s’han sotmès a trauma balístic ossos humans reals, models sintètics i animals. En total, es va obtenir una mostra de 29 ossos humans, 16 fèmurs i 13 húmers, de donants de cossos adults. Com a model alternatiu, es van seleccionar dos cilindres diferents de poliuretà de Synbone® (10 de cadascun), i 4 fèmurs de cérvol roig femella. 10 fèmurs i húmers humans, i els models alternatius, es van incloure en Clear Ballistics Gel®. Els 6 fèmurs i 3 húmers restants van ser disparats sense el simulador de teixit tou. Es va disparar perpendicularment al centre de la diàfisi amb una bala de jaqueta metàl·lica completa de 9 mm Luger, a una velocitat d'impacte de 360 m/s, des d'una distància de 2 m. Les fractures es van reconstruir i examinar macroscòpicament. Es van definir les característiques de fractura per a cada grup. S’ha caracteritzat un patró de fractura balística distintiu en ossos llargs humans. Les característiques corticals s’han dividit en trets d'entrada, sortida i generals. Cap dels models alternatius va reproduir completament les característiques observades en els ossos humans. El model sintètic va revelar diferències més significatives amb la fractura humana que el model animal. Pel que fa a les comparacions entre les mostres humanes, alguns trets van mostrar valors d'ocurrència diferents en relació amb les propietats òssies (el gruix cortical, el diàmetre de la diàfisi i la longitud de l'os), i la presència de gel balístic. Aquesta tesi revela nous coneixements sobre el patró de fractura balística dels ossos llargs. Pel que fa a l'ús de models alternatius, les troballes suggereixen precaució en extrapolar les característiques de fractura als ossos humans. Els fèmurs de cérvol principalment no van permetre una reconstrucció de fractura tan precisa com els ossos humans a causa d'una fragmentació massiva. Els substituts de Synbone® van mostrar trets diferents que porten a la suposició d'un mecanisme de fallida diferent que el de l'os real. El patró de fractura balística humà permet la interpretació d'una lesió per arma de foc, i també proporciona informació per a la reconstrucció d'esdeveniments gràcies a la discriminació entre l'entrada i la sortida de la bala. Tots els trets corticals avaluats es van reproduir tant en húmers com en fèmurs. No obstant això, alguns dels valors d'ocurrència dels trets es van correlacionar amb propietats òssies i la presència de gel balístic, subratllant la rellevància d'utilitzar un simulant de teixit tou. Les noves proves presentades en aquesta tesi poden contribuir a una guia més clara per identificar el trauma per arma de foc en ossos llargs humans. Això pot ser particularment valuós per a antropòlegs forenses i patòlegs quan investiguen traumes ossis en cadàvers mal conservats o restes esquelètiques. No obstant això, es necessita més investigació per avaluar fins a quin punt el patró de fractura balística canvia quan varien les variables balístiques i les característiques òssies.

En el caso de cadáveres mal conservados y restos esqueléticos humanos, evaluar la causa y las circunstancias de la muerte es un desafío considerable. Aunque las lesiones por arma de fuego en el cráneo han sido bien estudiadas, los datos fiables sobre los patrones de fractura en traumas balísticos de huesos largos son escasos. Sin embargo, una correcta interpretación de estas fracturas es crucial para comprender mejor las circunstancias que rodean la muerte. El objetivo principal de esta tesis es ampliar el conocimiento sobre los patrones de fractura balística en huesos largos humanos. Además de determinar el modelo experimental más adecuado, se pretende definir un patrón característico de fractura asociado a este tipo de trauma. En este estudio se sometieron a trauma balístico huesos humanos reales, sustitutos sintéticos de huesos y huesos de animales. En total, se recolectaron 29 huesos humanos (16 fémures y 13 húmeros) de cuerpos de donantes adultos fallecidos. Como modelo alternativo de sustituto sintético, se seleccionaron dos tipos de cilindros de poliuretano de Synbone® (10 de cada uno). Además, se incluyeron 4 fémures de ciervo rojo hembra. Cada 10 fémures y húmeros humanos, junto con los modelos alternativos, se incluyeron en Clear Ballistics Gel® para simular el tejido blando. Los 6 fémures y 3 húmeros restantes se dispararon sin simulador de tejido blando. Todas las muestras se dispararon perpendicularmente en el centro de la diáfisis con una bala blindada completa de 9 mm Luger a una velocidad de impacto de 360 m/s desde una distancia de 2 m. Las fracturas se reconstruyeron y examinaron macroscópicamente. Se definieron las características de fractura para cada grupo de muestras. Se caracterizó un patrón distintivo de fractura balística en huesos largos humanos, con rasgos diferenciados de entrada, salida y generales en la cortical. Ninguno de los modelos alternativos reprodujo completamente las características observadas en los huesos humanos. El modelo de sustituto mostró diferencias más significativas con respecto a las fracturas humanas que el modelo animal. Entre las muestras humanas, algunos rasgos mostraron variaciones en relación con las propiedades óseas como el grosor cortical, el diámetro de la diáfisis y la longitud del hueso. La presencia de gel balístico también influyó en algunas características. Esta tesis aporta nuevos conocimientos sobre los patrones de fractura balística en huesos largos. Los hallazgos sugieren precaución al extrapolar las características de fractura observadas en modelos alternativos a los huesos humanos. Los fémures de ciervo no permitieron una reconstrucción precisa de las fracturas debido a una fragmentación masiva, mientras que los sustitutos de Synbone® mostraron rasgos diferentes a los del hueso real. El patrón de fractura balística caracterizado en huesos humanos no solo facilita la interpretación de lesiones por arma de fuego, sino que también proporciona información valiosa para la reconstrucción de eventos, diferenciando claramente entre la entrada y salida de la bala. Todos los rasgos corticales evaluados se reprodujeron tanto en húmeros como en fémures. Sin embargo, algunos rasgos se correlacionaron con propiedades óseas específicas y la presencia de gel balístico, subrayando la importancia de utilizar simuladores de tejido blando en estos experimentos. Los resultados de esta investigación pueden contribuir a una guía más clara para identificar el trauma por arma de fuego en huesos largos humanos, lo cual es particularmente valioso para antropólogos forenses y patólogos al investigar traumas en cadáveres en avanzado estado de descomposición o restos esqueléticos. No obstante, dada la naturaleza dinámica de los incidentes con armas de fuego, se requiere más investigación para evaluar cómo varían los patrones de fractura balística con diferentes variables balísticas y características óseas.

In badly preserved cadavers and skeletal human remains, assessing the cause and circumstances of death constitutes a major challenge. Whereas cranial gunshot injuries have been well studied, reliable data on the fracture patterns in ballistic long bone trauma remains scarce. Yet, the correct interpretation of long bone fractures can be highly relevant for a better understanding of the circumstances surrounding death. More knowledge on the ballistic fracture pattern in human long bones is needed to render the forensic trauma interpretation and reconstruction more reliable. The main aim of this thesis was to gain more knowledge on the ballistic fracture pattern in human long bones. In addition, alternative surrogate and animal models were tested for their suitability to substitute human bones in gunshot trauma experiments. For this study real human bones, bone surrogates and animal bones were subjected to ballistic trauma. In total, 29 human bones, 16 femurs and 13 humeri, were collected from deceased adult body donors. As an alternative surrogate model two different polyurethane cylinders from Synbone®, 10 of each, were selected. As an alternative animal model, 4 femurs from female red deer were included. Each 10 human femurs and humeri, alongside all alternative models were embedded in Clear Ballistics Gel® to simulate soft tissue. The remaining 6 femurs and 3 humeri were shot without a soft tissue simulant. The shaft centre of all specimens was perpendicularly shot with a 9 mm Luger full metal jacket bullet at an impact velocity of 360 m/s from a distance of 2 m. The fractures were reconstructed and examined macroscopically. The fracture characteristics were defined for each sample group and compared between each other. A distinct ballistic fracture pattern in human long bones was characterised. Hereby, the cortical characteristics could be divided into entrance, exit and general traits. Despite some general similarities, neither of the two alternative models completely reproduced the fracture characteristics seen in the human bones. Comparing the two alternative models, the surrogate model revealed more significant differences to the human fracture than the animal model. With regard to comparisons among the human samples, some traits showed different occurrence values in relation to bone properties such as cortical thickness, shaft diameter or bone length. The presence of Clear Ballistics Gel® also influenced some characteristics. This thesis reveals new insights in the ballistic fracture pattern of long bones. Concerning the usage of alternative models for ballistic experiments, the findings call caution in extrapolating fracture characteristics to human bones. The deer femurs did mainly not permit an as precise fracture reconstruction as the human bones due to a massive fragmentation. The Synbone® surrogates showed different traits leading to the assumption of a different failure mechanism than real bone. The defined ballistic fracture pattern in human bones not only allows the interpretation of a gunshot injury, but also provides important information for event reconstructions due to the discrimination between bullet entrance and exit. All evaluated cortical traits were reproduced in both humeri and femurs. Nonetheless, some of the traits’ occurrence values correlated with bone properties and the presence of ballistic gel, emphasising the relevance of using a soft tissue simulant in osseous gunshot experiments. The new evidence presented in this thesis may contribute to a clearer guidance to identify gunshot trauma in human long bones. This can be particularly valuable for forensic anthropologists and pathologists when investigating bone trauma in badly preserved cadavers or skeletonised remains that lack correlations with soft tissue findings. Nevertheless, due to the dynamic nature of gunshot incidents, more research is needed to evaluate to which extent the ballistic fracture pattern alters when ballistic variables and bone characteristics change.