4 курс / Лучевая диагностика / Биомеханика_травмы_повреждения_головы,_позвоночника_и_грудной_клетки

МД Моделей повреждений головы, грудной клетки й позвоночника движущегося тела, имитирующих некото­ рые виды травм, которые встречаются на практике (повреждения головы и грудной клетки при ударах о лобовое стекло и другие части кабины автомобиля, по­ вреждения при «хлыстовых» движениях позвоночника, травмы при ударах головой, грудью в момент само­ произвольного падения человека на плоскости или при падении с наличием предшествующего ускорения за счет толчка, удара и т. д.). Эксперименты проводятся на биоманекенах (трупах) с помощью специальных ус­ тройств — стендов, сконструированных участниками работы. На этих стендах можно наносить дозированные повреждения различных областей головы и грудной клетки движущегося вперед, назад, в сторону или па­ дающего тела. Кроме того, на них можно получать дозированные динамические и статические нагрузки позвоночника.

Биомеханические исследования повреждений головы, позвоночника, грудной клетки с использованием био­ манекенов дают возможность получить эксперименталь­ ные данные с наибольшим приближением их к реаль­ ным условиям травмы.

Наряду с морфологическими методами исследования в экспериментах используются антропометрические и рентгенологические методы, скоростная киносъемка и тензометрия.

Участие в наших работах специалистов точных на­ ук— математиков и инженеров позволило не только рассчитывать физические характеристики эксперимен­ тальных ударных нагрузок, но и предварительно с помощью математических вычислений теоретически оп­ ределить их величину.

Учитывая большое разнообразие цифровых показа­ телей у отдельных исследователей, а также трудности по разработке достоверных методик, вычислению пара­ метров действующих сил в зависимости от массы тела, роста, скорости движения, ускорения, времени удара, характера поверхности соударения и т. д., наши иссле­ дования проводятся с применением трех методов моде­ лирования: математического моделирования, экспери­ ментального моделирования с использованием скорост­ ной киносъемки и экспериментального моделирования с применением особых устройств типа мессдоз.

31

Математическое моделирование Основано на мето­ дах классической механики, позволяющих теоретически вычислять величину физических параметров ударных нагрузок путем расчета ударного импульса, выражаю­ щего силовое взаимодействие двух соударяющихся тел. Сопоставление величины ударного импульса с обшир­ ностью повреждений головы показывает, что между ни­ ми имеется прямая зависимость, т. е. чем больше удар­ ный импульс, тем больше повреждаются мягкие ткани головы, кости черепа и вещество головного мозга. Ве­ личина же ударного импульса находится в пропорцио­ нальной зависимости от таких величин, как длина и вес тела, расстояние от оси вращения до центра тяжести, а также от момента инерции тела человека.

Из названных величин в специальном определении нуждаются центр тяжести и момент инерции тела. Мо­ ментом инерции тела называется величина, характери­ зующая то сопротивление, которое оказывает тело силе, стремящейся вращать его вокруг какой-либо оси. На­ пример, при падении человека навзничь эта ось прохо­ дит в области пяток. Момент инерции, как и центр тя­ жести тела человека, зависит не только от его роста и массы тела, но и от позы, в которой он находится. В этой связи были разработаны методики определения центра тяжести и момента инерции тела в зависимости от роста, массы тела и позы человека с помощью скон­ струированных участниками работ стендов. При сопо­ ставлении момента инерции с массой и длиной тела че­ ловека было установлено, что оба этих показателя в одинаковой степени оказывают влияние на величину момента инерции. Так, в наблюдениях, где постоянной была масса тела, момент инерции увеличивался по мере повышения длины тела, а в случаях, где постоян­ ной была длина тела, момент инерции увеличивался по мере повышения его массы (Г. С. Болонкин, 1971; О. А. Ромодановский и др., 1972).

Характер и обширность повреждений головы зави­ сят также от скорости, угла соударения и степени жест­ кости поверхности соударения. Эта зависимость изуча­ ется нами методами экспериментального моделирова­ ния на биоманекенах. При этом скорость подхода головы к соударяемой поверхности (задавалась в пре­ делах 0,5—9,5 м/с), траектория движения головы до и после удара, угол соударения и другие особенности по-

32

ложенйя головы в момент удара определяются с по­ мощью скоростной киносъемки (О. Ф. Салтыкова и

др., 1972).

Упругие свойства головы и степень жесткости поверхности соударения (коэффициент восстановления) вначале определяли с помощью скоростной киносъемки по соотношению скоростей движения головы после удара

с помощью оконструированного авторами специального маятника со съемным битком, ударяющая поверхность которого может заменяться и быть из различных мате­ риалов (металл, кафель, кирпич, дерево, линолеум и др.). По данной методике величину коэффициента вос­ становления костей черепа можно определять по извле­

мограмму) для определения величины коэффициента восстановления в зависимости от соотношений угла па­ дения и отклонения маятника (Л. А. Щербин и др., 1972).

Естественно, что применяемые нами методы мате­ матического и экспериментального моделирования, основанные на методах классической механики, нуж­ даются в уточнениях, поскольку голова человека, так же как и тело, не являясь однородной средой, отлича­ ются друг от друга по массе, размерам, форме и т. д.

Свойства повреждений в значительной степени зави­ сят как от условий и механизма возникновения повре­ ждений, так и от индивидуальных особенностей постра­ давшего. Отсюда приобретает большое значение экс­ периментальное моделирование с использованием но­ вейших средств для точной регистрации ударных нагрузок в каждом конкретном случае.

В настоящее время в технике для определения вели­ чины этих нагрузок широко применяются измерительные устройства типа мессдоз (К. Fink, Ch. Rohrbach, 1961).

Мессдоза (от нем. mess — мера и dose — коробка) пред­ ставляет собой полый цилиндр, изготовленный из стали или сплавов. Высоту и диаметр цилиндра выби­ рают,, исходя из конструктивных соображений, толщину стенки рассчитывают на основе предполагаемых нагру­ зок. Перед проведением опытов каждую мессдозу та­ рируют на прессе и для нее выводят тарировочную таблицу.

месте соприкосновения головы с данной поверхностью. При этом фиксируется сила удара и его время. Ско­ рость в момент соударения может быть определена с помощью специального датчика или расчетным путем. Описанный метод определения усилий и ударных им­ пульсов с помощью мессдоз защищен авторским сви­ детельством в 1973 г. (Б. А. Прудковекий, А. П. Гро­ мов, О. А. Ромодановский и др.).

Поскольку метод определения величины ударных нагрузок с помощью мессдоз является наиболее точным и объективным, мы использовали его на тех же стендах, на которых проводили эксперименты с применением скоростной киносъемки. Сравнение результатов этих двух методов исследования показало сходные цифры ударных нагрузок при одинаковых условиях экспери­ ментов. Эти цифры в целом соответствуют данным тео­ ретических расчетов, полученных в процессе математи­ ческого моделирования.

Отсутствие расхождений в результатах наших иссле­ дований, основанных на трех методах моделирования, позволяет рассматривать как возможный каждый из названных методов. Вместе с тем наиболее простым, точным, а следовательно, и более перспективным мето­ дом моделирования в судебной травматологии является метод с применением мессдоз. Последние могут с ус­ пехом использоваться при моделировании повреждений, нанесенных различными тупыми орудиями и предмета­ ми (молоток, камень, палка и т. д.). Для этой цели из­ готавливают небольшие мессдозы, которые можно мон­ тировать в указанные орудия и предметы. При нанесе­ нии удара таким устройством фиксируется величина силы и времени удара.

В настоящее время мы проводим эксперименты с использованием специального молотка с вмонтирован-

34

моделировались сплавом Вуда, чем достигалось прило­ жение силы строго по вертикальной оси тел позвонков. Исследование 380 позвонков людей в возрасте 19—40 лет, умерших скоропостижно, показало, что наибольшие нагрузки могут выдержать IV и V поясничные позвон­ ки, а наименьшие — III и IV шейные.

В процессе исследования отмечена общая тенденция увеличения прочности от III шейного позвонка к V по­ ясничному.

Для определения сопротивляемости участков позво­ ночника, имеющих физиологическую кривизну, автора­ ми были проведены эксперименты с приложением на­ грузки по вертикальной оси шейного, грудного и пояс­ ничного отделов позвоночного столба. При этом было установлено, что прочность шейного отдела колебалась

Наибольшую прочность показал поясничный отдел, ко­ торый выдерживал в среднем 420 кгс при упругой де­ формации от 5 до 8,5 мм. Прочность грудного отдела позвоночника в комплексе грудной клетки повышалась и составляла 240 кгс при упругой деформации 33 мм. Исследования показали, что предел прочности вычле­ ненных участков позвоночного столба уменьшается с увеличением количества, а величина упругой деформа­ ции при этом возрастает.

Ю. М. Аникин и А. С. Обысов (1975) установили зависимость структуры и прочности позвонков человека в возрастном аспекте. В период максимальной прочнос­ ти тел поясничных позвонков (возраст 24—35 лет) трабекулы губчатого вещества образуют треугольные фигуры в виде равнобедренных треугольников. Вершины этих треугольников направлены вверх и вниз, основа­ ниями их являются горизонтальные площадки тел по­ звонков. Такая структура тел позвонков в этом возрас­ те, по мнению авторов, максимально удовлетворяет функциям опоры и движения. С возрастом углы у вер­ шин и у оснований этих треугольников изменяются, что сопровождается уменьшением прочности позвонков. Это приводит к снижению прочности всего позвоночника, чему способствует снижение прочностных свойств меж­ позвонковых дисков (В. И. Данилов, 1975; X. М. Шульман, В. И. Данилов, 1975).

36

Н. П. Пырлина и соавт. (1972) определяли устой­ чивость связочного аппарата позвоночника, межпозвон­ ковых суставов, мышц и других структур изолированно­ го позвоночника к растяжению на специальной машине рП-ЮО с нагрузкой до 100 кг и с временем вытяжения 4—5 с. Исследованию подвергались три фрагмента по­ звоночника: первый фрагмент включал затылочную кость, весь шейный отдел позвоночника (Ci—C7) и пер­ вый грудной позвонок (Ti); второй фрагмент состоял из

в 100 кг не вызывала каких-либо повреждений опорнодвигательного аппарата позвоночника и связанных с

включая разрывы мышц, связок, межпозвонковых су­ ставов и атланто-окципитального сочленения. С увели­ чением возраста эти повреждения возникали при мень­ шей, чем 100 кгс, нагрузке (60—80 кгс). Наименее прочными, по данным этих авторов, оказались мышеч­ ные образования задней поверхности шейного отдела позвоночника и области его сочленения с затылочной костью.

В приведенных работах изложены механические свойства отдельных позвонков и изолированных отделов позвоночника к статическим сжимающим и растягива­ ющим нагрузкам. Механические свойства позвоночника « отдельных позвонков к ударным нагрузкам изучены еще меньше, хотя повреждения позвоночника при ди­ намических нагрузках встречаются чаще, чем при ста­ тических. На нашей кафедре Н. П. Пырлиной и соавт. (1972) разработан ряд моделей, имитирующих «хлыс­ товые» травмы позвоночника, повреждения его при уда­ рах теменной областью головы о преграду (при ныря­ нии, падении с высоты вниз головой, при ударе головой э крышу автомобиля), при падении на голову предме-

37

тов, при быстром рывке шеи вдоль тела и др. Указанные исследования проводились на биоманекенах и частич­ но на тех же стендах, что и при моделировании по­ вреждений головы. Часть исследований производилась на специальных стендах, предназначенных лишь для моделирования повреждений позвоночника. Кроме скоростной киносъемки, применяли различные способы тензометрирования. Методики исследования и получен­ ные результаты будут изложены в главе IX.

Механические свойства и происхождение переломов грудной клетки изучены также недостаточно (Г. К- Герсамия, 1955; С. И. Христофоров, 1957; С. С. Мунтян, 1966). Основной составной частью каждого сегмента грудной клетки являются ребра, которые, соединяясь с грудиной и позвоночником реберными хрящами и свя­ зочным аппаратом, образуют весьма эластичное и под­ вижное кольцо, что придает в целом грудной клетке значительную прочность.

Г. Т. Бугуев (1969) экспериментально установил, что переломы ребер при сдавлении груди в сагиттальном на­ правлении возникают от воздействия силой от 98 до 190 кгс, что зависит от многих условий и, в частности, от локализации воздействия. Автором было установлено, что прочность ребер возрастает в направлении от их переднего конца к углу.

До настоящего времени нет единого мнения о мор­ фологических признаках переломов ребер при прямом (удар) и непрямом (сдавление) насилии. В. Н. Крюков (1971), предлагая большое число признаков для диффе­ ренциальной диагностики «прямых» и «непрямых» пе­ реломов ребер, справедливо подчеркивает, что общая характеристика подобных переломов, повреждений на­ ружной и внутренней пластинки, верхнего и нижнего края ребер имеет много общего. Наиболее достоверным признаком разрушения ребер от удара тупым предме­ том автор считает наличие осколков.

При сдавлении грудной клетки в переднезаднем на­ правлении, по мнению В. Н. Крюкова (1971), наблю­ даются две фазы переломов ребер. В первой фазе пе­ реломы ребер являются следствием деформации от сгибания и возникают в точках с наибольшей кривиз­ ной и меньшей прочностью. Во второй фазе компрессии поврежденные ребра испытывают действие уже не на сгибание, а на разгибание, что сопровождается призна-

38

ками «прямого» перелома. Подобный механизм пере­ ломов ребер, по данным автора, имеет место и при «давлении грудной клетки с боков, а также при ком­ прессии одной половины грудной клетки.

Г.С. Бачу (1972) на специальном стенде провел эксперименты по моделированию закрытых травм груд­ ной клетки при статических нагрузках. Эксперименты позволили выявить не только особенности возникающих при этом повреждений, но и установить их зависимость от силы, локализации ее приложения, а также от фор­ мы и размеров сдавливающих поверхностей.

Г.С. Бачу, О. А. Ромодановский, Л. А. Щербин и соавт. (1972) провели работу по моделированию за­ крытых травм грудной клетки при падении человека на преграду из положения стоя. При этом на биоманеке­ не были выявлены определенные закономерности обра­ зования повреждений и их зависимость от места соуда­ рения, массы тела и роста, возраста и т. д. Детальное описание методики исследования и полученные резуль­ таты будут изложены ниже.

различной, причем наиболее растяжимой была кожа, взятая из эпигастральной области.

С целью определения упруговязких свойств кожи А. С. Обысов (1971) проводил на машине МФ-100 ис­ следование образцов кожи, взятых из области шеи, гру­ ди и живота. Исследования показали, что наименьшей сопротивляемостью разрыву (от 0,2 до 0,8 кгс/мм) и на­ именьшей растяжимостью (от 46 до 136%) обладает кожа, взятая из области шеи. Наибольший предел проч­ ности и относительное удлинение показывает кожа жи­ вота, а предел прочности кожи каждой исследуемой области туловища существенно снижается с возрастом.

И. Л. Иоффе, А. Н. Черномашенцев, Ю. А. Ярцев (1975) изучали механические свойства некоторых мяг-

39

ких тканей и органов теЛа человека. Исследование про­ изводилось на тканях и органах, изъятых из 280 трупов людей обоего пола разного возраста в первые сутки после смерти. Для контроля проводили эксперименты на 20 собаках. Стандартные по форме и размерам об­ разцы мягких тканей испытывали на разрывных маши­ нах типа РТ-250М. Образцы закреплялись в зажимах машины с натяжением, близким к естественному. Рас­ стояние между зажимами машины было постоянным (25 мм), время растяжения до разрыва 30—40 с.

В результате исследований было установлено, что различные ткани характеризуются определенными ме­ ханическими свойствами. Имеются ткани, обладающие большой прочностью и небольшим растяжением (на­ пример, связки, сухожилия), ткани с большой прочно­ стью и растяжимостью (например, перикард, диафраг­ ма) и ткани непрочные, но сильно растяжимые (напри­ мер, кровеносные сосуды, стенки полых органов желу­ дочно-кишечного тракта). Авторы установили, что осо­ бенности структуры отдельных слоев тканей и органов обусловливают различие их механических свойств. Так, из слоев сосудистой и сердечной стенок наименее прочны

ирастяжимы интима и эндокард, наиболее — адвентиция

иэпикард. Напротив, слои стенок полых органов желу­ дочно-кишечного тракта характеризуются обратными отношениями: наименее растяжим наружный слой (се­ розная), а наиболее — подслизисто-слизистый.

По мнению данных авторов, механические свойства одноименных тканей неодинаковы, они зависят и от их локализации в человеческом теле. Так, поверхностно (супрафасциально) расположенные вены по механичес­ ким свойствам вдвое превосходят глубокие (субфасциальные) вены даже большего калибра.

И. Л. Иоффе, А. Н. Черномашенцев, Ю. А. Ярцев (1975) показали, что для кровеносных сосудов харак­ терна выраженная эластичность. Например, растяжи­ мость аорты у людей до 30 лет достигает более 100% первоначальной длины, а сократимость — 14—20%. Прочность стенок артерий при растягивании в продоль­ ном направлении относительно невелика (5—10 кгс). С возрастом прочность снижается в 2—3 раза, растяжи­ мость— в 4—5 раз, сократимость — в 10—15 раз.

Механические свойства кровеносных сосудов изучали также А. С. Обысов и Н. А. Владиславлева (1966),

40