4 курс / Лучевая диагностика / Биомеханика_травмы_повреждения_головы,_позвоночника_и_грудной_клетки
.pdfОбразование указанных переломов на значительном расстоянии от места воздействия связано, по-видимому, с лерерастяжением костей вследствие деформации дан ной области. Толщина правой теменной кости была равна 0,35 см, левой — 0,3 см, лобной — 0,4 см. Повреж дений тканей области позвоночника в этой серии экспе риментов, как и в предыдущей, не наблюдалось.
В третьей серии экспериментов (19) нанесение боко вого удара в теменно-височную область головы биомане кена производилось шаром массой 3 кг при высоте па дения 175—'200 см. Удары наносили в левую и правую височно-теменные области. (При 'боковом ударе работа (энергия) удара при той же массе шара 3 кг по сравне нию с центральным ударом возросла из-за увеличения высоты падения и составила 5,25—7,11 кгс-м. Во всех случаях наблюдались повреждения мягких тканей в виде ушибленных ран (16) и ссадин (3) с кровоизлия ниями в подкожную клетчатку, а иногда при вдавлен ных переломах и в височную мышцу.
Костные повреждения в данной серии экспериментов имели место в 13 экспериментах из 19. Они возникали более часто, чем при центральном ударе, что объясняет ся главным образом отсутствием амортизирующего влияния позвоночника и меньшей толщиной костей, особенно височной.
Следует подчеркнуть, что повреждения костей в этой группе экспериментов встретились во всех возрастных группах, включая 20—29 лет.
Костные повреждения в виде трещин (6) теменной и височной костей появлялись при работе удара 5,25—• 7,11 кгс-м, когда толщина костей в месте удара была от 0,4 до 0,6 см. Трещины в трех случаях имели дуго образную форму или приближались к таковой как на
внутренней, так и наружной костных |
пластинках. |
В одном эксперименте (работа удара 5,25 |
кгс-м, толщи |
на теменной кости в месте удара 0,6 см) трещина на |
||
ружной костной пластинки имела четко |
выраженную |
|
дугообразную форму с расстоянием между |
концами |
|
3,5 см, высотой выпуклости, обращенной |
вверх |
на 1 см. |
На^ внутренней же пластинке трещина носила прерывис
тый характер, но |
имела вид кольца |
диаметром |
2 см. |
В остальных трех |
случаях трещины |
наблюдались |
толь |
ко на внутренних костных пластинках теменной |
(2) и |
||
височной (1) костей и имели длину от 2 до 5 см. |
|
171
В других 7 экспериментах образовались вдавленные переломы теменной части (4), теменной и височной (3). Они возникали про работе удара 5,25 кгс-м (2), 5,49— 5,55 кгс-м (3), 6,18—6,91 «гс-м (2). В первых 5 наблю дениях толщина костей в месте удара была 0,3—0,4 см, в последних двух — 0,5—0,6 см. Все вдавленные перело мы были весьма сходны между собой: имели характер ную округлую форму, диаметр их был равен 4—4,5 см, глубина вдавления— от 0,3 до 1,5 см. В 2 случаях при небольшой глубине вдавления перелом имел характер терассовидного.
Таким образом, в проведенных нами первой, второй и третьей сериях экспериментов при центральном и бо ковом ударах по незащищенной голове (концентриро ванный удар) во всех случаях на месте удара возникали повреждения мягких тканей — раны и ссадины, сопро вождавшиеся образованием посмертных кровоизлияний. Костные повреждения при воздействии шара массой 3 кг, как при центральном, так и при боковом ударах, появлялись при работе (энергии) удара 5,25 кгс-м и локализовались в месте приложения действующей силы (прямые переломы).
Интересно отметить, что полученные нами данные о величине критической нагрузки при концентрированном центральном ударе полностью совпадают с результата ми исследований американских ученых Е. ФонТирке и Дж. В. Бринкли, опубликованными в совместном со ветско-американском издании «Основы космической био логии и медицины» (1975). Авторы установили, что по вреждение «остей черепа при незащищенной голове возникает при скорости соударения 4,58 м/с летящим снарядом массой 4,54 кг, что в перерасчете соответствует работе (энергии удара) 5,25 кгс-м.
Толщина костей свода черепа при наличии повреж
дений в |
среднем |
составляла 0,36 см, при отсутствии — |
0,55 см. |
Различие |
формы черепа (брахикранная, доли- |
хокранная, мезокранная) не оказывало влияния на час тоту костной травмы.
В экспериментах, проведенных на пневматическом стенде, «роме ударной нагрузки на голову, создавалась компрессионная нагруз«а по оси позвоночника. При этом повреждений шейного отдела позвоночника мы не наблюдали, что можно объяснить относительно неболь шой величиной динамической нагрузки (не превышала
172
380 кгс) й кратковременностью ее воздействия (0,03—
0,06 с) - Согласно данным литературы, при вертикальном
ударе по голове повреждения шейных позвонков воз можны, если удар эквивалентен статическому усилию 1200 фунтов, т. е. 544 кгс (R. W. Webster, 1963). Боль шое повреждающее значение статических нагрузок по сравнению с динамическими доказано в (экспериментах на биоманекенах при моделировании травмы позвоноч ника (А. П. Громов, Н. П. Пырлина и др., 1970).
Для установления критических нагрузок на голову биоманекена в каске с нулевой амортизацией при цент ральном и боковом ударах проведены две серии экспе риментов.
В первой серии (20 экспериментов) нанесение цент рального удара в лобно-теменную область головы осу ществлялось грузами массой 3, 4, 5, 6 кг при высоте падения 1,40—1,66 м.
Регистрацию нагрузки производили с четырех точек наружной поверхности головы (лобной, затылочной, ле вой и правой теменных). За характеристику ударного воздействия принята сумма нагрузок с четырех мессдоз. Расстояние от центра удара до точек измерения мессдозой составляло 5—8 см. Величина нагрузки (работа удара) в опытах 'колебалась от 4,2 до 9,6 кгс-м.
В результате проведенных экспериментов в 8 слу чаях (при работе удара 4,5—7,98 кгс-м и толщине кос тей 0,5—0,7 см) получены кровоизлияния в мягкие тка ни головы в местах расположения мессдоз (контактные повреждения). Кровоизлияния возникали преимущест венно в ло'бной и затылочной областях, имели округлую форму, достигая размеров 3X3 см и толщины 0,2— 0,3 см.
В 3 случаях произошли переломы костей основания черепа в пределах передних черепных ямок (непрямые переломы). Они отмечались при работе удара 8,4— 9 кгс-м. Толщина костей свода на распиле при этом бы ла равна 0,4—0,5 см. Толщина крыш глазниц, в области которых произошли переломы, не превышала 0,10— 0,15 см. Переломы образовались у трупов лиц мужского пола в возрасте 49, 50 и 51 года, черепа которых имели брахикранную форму.
В одном из этих случаев перелом локализовался в наружной части крыши правой глазницы, где линия
173
перелома имела форму неправильного овала и ограни чивала костный отломок размерами 3X2 см, связанный с твердой мозговой оболочкой, которая не была повреж дена. В другом наблюдении перелом длиной 6 см про ходил в сагиттальном направлении по крыше левой глазницы и распространялся на левое надбровье. В третьем эксперименте перелом длиной 5 см захваты вал обе передние черепные ямки и проходил по ходу шва между крышами глазниц, решетчатой костью и ма лыми крыльями основной кости. От него по крыше пра вой глазницы проходила трещина длиной 2 см. В ос тальных экспериментах костные повреждения не обна руживались (толщина костей 0,5—0,7 см).
Сравнение суммарных нагрузок, которые возникали на болванке и на голове 'биоманекена, позволило уста новить, что за счет амортизации позвоночника нагрузка в среднем снижается на 31%. При этом повреждения шейного отдела позвоночника биоманекена не отмеча лись.
Кроме определения критических нагрузок на голову биоманекена, защищенную каской с нулевой амортиза цией, проводились исследования по установлению рас пределения нагрузки по голове биоманекена в той же каске при центральном ударе и сопоставлению этих дан ных с полученными на болванке. Исследования показа ли, что распределение нагрузок на голове биоманекена в основном тождественно таковому на болванке и ха рактеризуется увеличением их от центра удара к пери ферии на протяжении 7—10 см. Вместе с тем распреде ление усилий на голове биоманекена более равномер ное, чем на болванке, независимо от расстояния до центра удара.
Во второй серии 'экспериментов (15) нанесение боко вого удара в теменно-височную область головы биома некена в каске с нулевой амортизацией осуществлялось грузом массой 6 кг при высоте падения 1,5 м. Работа (энергия) удара во всех случаях составляла 9 кгс-м.
Данная серия экспериментов проведена с примене нием только этой большой нагрузки, поскольку ее спо собность вызвать повреждения уже была выявлена в предыдущей серии опытов при центральном ударе. Ре гистрация нагрузки проводилась с трех мессдоз, а не с четырех, потому что конструкция каски не позволила разместить более трех. При боковом ударе мессдозы
174
располагались в теменно-височной области головы на расстоянии 3, 4, 5, 6 см от центра удара.
Кровоизлияния в мягкие ткани височно-теменной области в местах расположения мессдоз образовались в 3 случаях, .причем в одном из них они были довольно значительными (5X2 см) и локализовались в области чешуи правой височной кости. Повреждения костей в этих наблюдениях не произошло.
Костные (повреждения отмечались в 2 случаях на трупах лиц мужского пола в возрасте 51 года и 52 лет, черепа которых имели долихокранную форму. В обоих случаях произошло расхождение височно-теменныхшвов
внаиболее выпуклой их части на протяжении 4 и 5 см
стрещинами наружной и внутренней пластинок темен ных костей. Толщина теменных костей, на которых об разовались трещины, была 0,4 см, толщина височных костей — 0,4 и 0,35 см.
Востальных 13 экспериментах каких-либо костных повреждений при той же нагрузке не произошло. Тол щина теменных костей в этих случаях была 0,4—0,6 см,
височных — 0,3—0,4 |
см. |
Следовательно, |
нагрузку в |
|
9 кгс-м следует считать |
критической и |
для бокового |
||
удара то голове |
в каске с нулевой амортизацией. |
|||
Четвертая и |
пятая серии экспериментов по нанесе |
|||
нию цен трального |
удара |
в лобно-теменную и бокового |
удара в теменно-височную области головы биоманекена в каске с нулевой амортизацией показали довольно большие различия в величине критической нагрузки и характере повреждений головы по сравнению с теми, которые наблюдались в экспериментах без применения каски.
Костные повреждения головы, не защищенной кас кой, при концентрированном ударе возникали в местах приложения удара с энергией 5,25 кгс-м. Костные по вреждения головы в каске с нулевой амортизацией, обеспечивающей рассредоточенный центральный удар, возникали уже на основании черепа в пределах перед них черепных ямок. Повреждения образовывались ири значительно большей энергии удара (8,4—9 кгс-м). Та кая же критическая нагрузка установлена и для боко вого удара. Однако при боковом ударе образовавшиеся повреждения более характерны для локального (нерассредоточенного) удара, поскольку они возникали в зоне Действия нагрузки, т. е. в теменно-височной области,
175
куда наносился удар. Возможно, что в условиях наше го эксперимента образованию локальных повреждений способствовало наличие в узком подкасочном простран стве измерительных устройств — мессдоз, через которые нагрузка передавалась на кости черепа, хотя контакт ные повреждения мягких тканей на месте мессдоз на блюдались не только при боковом, но и центральном ударах.
Нельзя исключить, что получение рассредоточенного удара при воздействии ударной силы сбоку вообще бо лее затруднительно, так как удар приходится ближе к краю каски, а не на верхнюю центральную ее часть, имеющую выраженную сферическую поверхность, по которой нагрузка может распределяться во все стороны.
Вместе с |
тем здесь также проявлялись свойства |
каски |
с нулевой |
амортизацией — предохранять кости |
черепа, |
в том числе и височно-теменной области, от нагрузок, значительно превышающих те, которые вызывают повреждения в этой области при концентрированном ударе.
Полученные нами экспериментальные данные позво лили по-иному подойти к оценке допустимых величин ударных нагрузок на голову человека в защитной кас ке. В частности, данные Е. Т. Трубникова (1971) о кри тической нагрузке при рассредоточенном ударе 5,5'кгс-м, как вызывающей повреждения костей черепа, в наших экспериментальных исследованиях не получили подт верждения.
Проведенные нами исследования не могут дать пря мого ответа о тех величинах ударных нагрузок, кото рые вызывают сотрясение головного мозга, так как оп ределение сотрясения головного мозга на биоманекенах ни визуально, ни микроскопически не представляется возможным. Исследованиями было установлено, что костные повреждения по незащищенной голове при кон центрированном ударе возникают при ударе с энергией 5,25 кгс-м, тогда как каска с нулевой амортизацией защищает голову от данных повреждений. В этом слу чае костные повреждения при рассредоточенном ударе наступают при ударе с энергией 8,4—9 кгс-м.
Можно предположить, что при рассредоточенном ударе и сотрясение мозга наступает при ударе с большей энер-, гией, чем при концентрированном. Отсюда величина 1,4 <кгс-м, предусмотренная ГОСТ 17047-71 как абсолют-
176
но безопасная для человека в защитной каске, являет ся, по всей вероятности, заниженной.
' В этом отношении особого внимания заслуживает упомянутая выше работа американских исследователей Хеннига Е. фон-Гирке и В. Бринкли (1975), которые установили не только порог повреждения костей черепа, но и порог сотрясения головного мозга. Установленная авторами энергия удара, повреждающая костную ткань, в полной мере согласуется с величиной, полученной в наших экспериментах. По данным вышеуказанных авто ров, порог относительно «безопасного» сотрясения мозга наблюдается при действии тела массой 4,54 кг при ско рости соударения 3,05 м/с, что соответствует работе уда ра 2,15 кгс-м (при концентрированном ударе). Можно предположить, что при рассредоточенном ударе энергия величиной 2,15 кгс-м не вызовет сотрясения мозга.
Таким образом, учитывая результаты эксперимен тальных исследований, а также данные литературы, мы рекомендовали изготовление защитных касок с 'большей ударостойкостью, чем это предусмотрено в настоящее время ГОСТ 17047-71.
Результаты наших исследований показали, что для защиты головы от ударов падающими сверху предмета ми, каска должна выдерживать нагрузку с энергией удара 8,6 кгс-м (при 75% амортизации), что соответст вует ударной нагрузке шаром массой 4,78 кг, падающим с высоты 1,8 м. В этом случае голова человека будет испытывать рассредоточенный удар с энергией около 2,15 кгс-м.
Получив такие результаты, мы решили выяснить ка кой ударостойкостью и степенью амортизации обладают изготовляемые в настоящее время каски. С этой целью проведены испытания касок по методике, рекомендуе мой в ГОСТ 17047-71 «Каски шахтерские пластмассо вые. Технические требования. Методы испытаний», с применением метода измерения усилий удара тензометрическими мессдозами. Испытывали три образца касок: 1) каска типа «Труд» с жестким полиэтиленовым амор тизатором, 2) каска типа «Труд» с матерчатым аморти затором, 3) каска типа «Шахтер» с полиэтиленовым амортизатором.
В результате испытаний установлено: степень амор тизации касок составила 83—86%. С учетом получен ной степени амортизации энергия, переданная на бол-
12 А. П. Громов |
1.77 |
ванку, составила 0,73—0,89 кгс-м |
(при энергии |
падаю |
|||
щего груза 5,5 кгс-м). |
|
|
|
|
|
При |
испытаниях |
с |
энергией |
падающего |
груза |
8,6 кгс-м |
(груз массой |
5 |
кг; высота падения 1,72 м) |
амортизация составила 75—77%. Соответственно энер гия, переданная на болванку, составила 2—'2,13 кгс-м. При всех испытаниях наблюдалось касание корпуса каски сферических «ограничителей» и не наблюдалось касания между центром купола каски и болванкой. При веденные данные были получены при однократном уда ре по нескольким каскам. Далее эти же каски были подвергнуты многократным ударам.
Исследования показали, что при энергии падающего груза 5,5 кгс-м последующие удары не вызывают раз рушений касок (до 10 ударов) и не наблюдается каса ния между центром купола каски и болванкой. Аморти зация при повторных ударах понизилась до 75%•
Каски, испытанные на 8,6 кгс-м, при повторных уда рах получили трещины после 2—3 ударов. При этом наблюдалось касание между центром купола и болван кой. Амортизация снижалась до 45—50%.
Полученные нами результаты биомеханических ис следований по обоснованию ударостойкости защитных касок были переданы в Госстандарт СССР для разра ботки ГОСТ на защитные каски,
Глава (X
БИОМЕХАНИКА
ПОВРЕЖДЕНИЙ
ПОЗВОНОЧНИКА
Условия и механизм повреждений позвоноч ника, являющегося главной опорой тела, чрезвычайно разнообразны. Они наблюдаются при различных тран спортных происшествиях, падениях с высоты, спортив ных и бытовых травмах, при производственном травма тизме и т. д. Особенности повреждений позвоночника в зависимости от механизма травмы изучены еще недоста точно, в связи с чем возникает необходимость специаль ных биомеханических исследований различных механиз мов травмы позвоночника. Эти исследования помогут клиницистам для диагностики и лечения повреждений позвоночника, экспертам для их медико-юридической оценки, инженерам для создания различных устройств по предотвращению травмы позвоночника.
Среди различных факторов, которые приходиться учитывать в процессе биомеханических исследований устойчивости (позвоночника механическим воздействиям, более всего поддаются изучению прочностные свойства позвонков, межпозвонковых дисков и связочного аппа рата. Однако прочность отдельных позвонков, их ком плексов и особенно позвоночника в целом изучена еще недостаточно (Ю. М. Аникин, 1972; Ю. М. Аникин, М. М. Карманская, 1975; F. L. Evans, 1962). Это связа но с тем, что изучение устойчивости позвоночника к на грузке не могло проводиться в экспериментах на жи вотных из-за высокой специфичности строения скелета человека. Поэтому большинство биомеханических иссле дований позвоночника и отдельных позвонков произво-
12* |
179 |
дилось на трупном материале. Однако небольшой и, как правило, разнородный (по лолу, 'возрасту, причинам смерти) экспериментальный материал не позволяет де лать обобщенных выводов.
Существенный вклад в разработку данной проблемы внесли С. А. Гозулов, В. А. Корженьянц, В. Г. Скрыпник (1972). Авторы изучали механические свойства по звонков на машине типа ZDM со скоростью нагружения 10 мм/мин при комнатной температуре. Всего было ис следовано 380 позвонков от трупов мужчин, умерших скоропостижно в возрасте 19—40 лет, причем время до начала эксперимента не превышало 30 ч после смерти. Опорные поверхности тел позвонков моделировались сплавом Вуда, что обеспечивало равномерное распреде ление нагрузки при сжатии. Заливка сплавом обеих поверхностей производилась с соблюдением условия их параллельности и совпадения с горизонтальной плос костью, что позволяло создавать силовую нагрузку строго по вертикальной оси тел позвонков.
В ходе каждого испытания определялась сила, с ко торой позвонок сопротивляется сжатию. Оценка по вреждений производилась на сухих костях после маце рации или на декальцинироваиных препаратах. На сухих позвонках отчетливо определялись даже незна чительные поверхностные повреждения. Декальцинация позволяла выявлять на послойных срезах препаратов повреждения не только костных, но и связочно-хрящевых элементов позвоночника.
Полученные данные о средней величине предела прочности позвонков приведены в табл. 6. Из таблицы видно, что наибольшие нагрузки выдерживали IV и V поясничные позвонки, наименьшие'—III и IV шейные; II и главным образом I шейные позвонки в связи с осо бенностями их анатомического строения оказывались более прочными, чем другие шейные позвонки. Авторы установили также общую тенденцию увеличения пре дела прочности от III шейного позвонка к V пояснич ному. Это увеличение более отчетливо выражено в ниж ней части грудного и в поясничном отделах.
Прочностные свойства костной ткани тела позвонка определялись по удельной прочности, т. е. нагрузке, приходящейся на 1 см2 площади его верхней погранич ной пластинки. Эксперименты показали, что эта вели чина достигает наибольшего значения (117—155кгс/см2)
180