6 курс / Гастроэнтерология / Механика_и_морфология_переломов_В_Н_Крюков

выражена больше в средней трети, а в верхней – больше, чем в нижней трети, что же касается плечевой кости, то в ней степень развития компактного слоя оказалась выше в нижней трети, а в верхней трети – ниже, чем в средней.

Сравнение отдельных костей между собой по выраженности компактного слоя показало, что у мужчин она больше представлена в верхних третях бедренной и плечевой и меньше в соответствующей области большеберцовой кости.

Установлено, что и степень оссификации на протяжении длинных трубчатых костей неодинакова.

Так, на уровне верхних третей длинных трубчатых костей у женщин наименее оссифицированной оказалась плечевая кость, а наиболее – средняя треть бедренной кости. У мужчин верхняя треть бедренной кости насыщенна костными клетками в большей степени, чем соответствующие отделы большеберцовой и плечевой.

Неодинаковая концентрация микроэлементов, своеобразие оссификации, определяющее индекс компактности, свидетельствуют о том, что различные отделы длинных трубчатых костей в связи с конкретными задачами по выполнению опорных и локомоторных функций по своему морфологическому строению неодинаковы и, как показали соответствующие исследования, обладают различным запасом прочности.

Исследования концевых отделов длинных трубчатых костей, представленных почти полностью губчатым веществом, с позиций сопромата представляют особый интерес, поскольку при механических воздействиях в этих областях могут концентрироваться значительные величины силовых напряжений.

Одной из характеристик губчатого вещества является его пористость, выявляемая методом порометрии.

У мужчин пористость верхнего отдела бедренной кости в области большого вертела меньше, чем у женщин, в то время как в области нижних мыщелков такой разницы не обнаружено. При сравнении области верхних мыщелков большеберцовых костей мужчин и женщин оказалось, что показатель пористости больше у женских костей. Не установлено достоверной разницы в степени пористости у мужчин и женщин при сравнении нижних эпифизов большеберцовых костей и области хирургической шейки плеча.

Следует указать, что пористость кости нельзя рассматривать в отрыве от архитектоники губчатого вещества и количества костной массы в этой же зоне. Установлено, что средняя треть бедренных костей мужчин содержит меньше собственно костной ткани, чем ее концевые отделы. В бедренных же костях женщин масса кости распределена относительно равномерно. Большеберцовая кость у мужчин имеет одинаковое количество костного вещества как в верхнем, так и в нижнем метаэпифизах, несмотря на очевидную разницу их объема. В то же время средняя треть (компактная часть) содержит костного вещества меньше, чем концевые отделы. У женщин обнаруживаются примерно те же соотношения. Прочность концевых отделов и диафизарной части длинных трубчатых костей весьма близка по своим параметрам, что, по-видимому, обеспечивается особой структурой губчатого вещества. В связи с этим необходимо заметить,

что размеры (объемные линейные) эпифизарных частей составляют определенную пропорцию по отношению к некоторым параметрам кости в целом. Так, например, отношение общей длины бедренной кости к расстоянию между наружными поверхностями мыщелков независимо от пола и возраста является величиной постоянной и составляет 5,405±0,06.

Сведения о прочностных характеристиках, имеющиеся в литературе, как правило, получены в экспериментах на сухих образцах кости и представлены в различных размерностях. В общем виде они представлены следующими параметрами.

Модуль упругости (соотношение нагрузки к удлинению) – 1749кг/мм². Модуль сдвига компакты при кручении бедра – 390±47 кг/ мм² - 730 кг/мм². Предел прочности компакты на сжатие – 15-30 кг/ мм². Предел прочности компакты на растяжение – 16-27 кг/ мм². Модуль прочности кортикального слоя на разрыв вдоль волокон – 12,4 кг/ мм²; на сжатие – 12,6-16,8 кг/ мм²; на сдвиг – 5,0 кг/ мм²; на скручивание – 7,0-9,3 кг/ мм². То же поперек волок: на разрыв – 4,8 кг/ мм²; на сжатие – 8,0 кг/ мм²; на изгиб – 18,37 кг/ мм².

Приведенные характеристики дают только общие представления о прочности кости и могут быть весьма ориентировочно использованы в практической деятельности эксперта. Большее значение могут сыграть данные абсолютной прочности при конкретных видах деформации.

Прочность костей предплечья и малоберцовой кости составляют 20-30% от величин соответственно плеча и большеберцовой кости. Следует иметь в виду, что деформация и переломы костей предплечья и голени протекают по закону разрушения пары шарнирно соединенных стержней неравноценной прочности.

Для решения ряда практических задач были выполнены серии экспериментов на изолированных длинных трубчатых костях, изъятых из трупов лиц, умерших в возрасте 25-45 лет. Кости изымали в сроки до 24 ч после наступления смерти, т.е. в период переживания костной ткани (В.Н Крюков, Г.И. Копылов, Б.А. Саркисян, О.Н. Черненко, В.Э. Янковский). Данные о прочностных характеристиках длинных трубчатых костей приведены в представленной ниже таблице (табл. 1).

Кроме того, были проведены физико-математические расчеты прочности диафизов у костей различной формы поперечного сечения. Сопоставление экспериментальных величин с расчетными оказались вполне удовлетворительными: разница в величинах составляла до 10% для поперечного изгиба диафиза. Это различие, с нашей точки зрения, возникло вследствие ряда допусков в теоретических расчетах при анализе формы поперечного сечения диафиза, который может максимально приближаться, но полностью не соответствовать тому или иному геометрическому контуру. Кроме того, весьма приближенно учитываются индивидуальные свойства кости, в частности, величина модуля Юнга, которая имеет индивидуальные колебания в пределах 1380-1940 кг см².

Теоретические расчеты сводятся к следующему. Для бедра форма поперечного сечения диафиза в средней трети условно принимается за полое кольцо. Момент сопротивления:

W= 0,1D³ (1-С4 ), (1)

где W – момент распространения, D – средний наружный диаметр, С – отношение среднего внутреннего к среднему наружному диаметру.

Изгибающий момент (М) при сосредоточенной нагрузке. Вызывающей разрушение:

М = P·l (2)

где Р – разрушающая нагрузка, 1 – длина кости между точками опоры. Следовательно,

Р = 4М (3)

Поскольку Е = М, то изгибающий момент (М)

М = ЕW, (5)

где Е – модуль Юнга.

Поставляя W (1) и М (5), в (3), получаем окончательную расчетную фор-

мулу:

Р = 0,4·E·D³·(1-C4). (6)

В случаях, когда диафиз в поперечном сечении имеет форму эллипса (например, плечевая кость), а давление осуществляется в направлении меньшего диаметра, момент сопротивления будет

_π

W = 32а (α³b-α 31b 1). (7)

Если давление будет осуществляться в направлении наибольшего диаметра, то расчетная форма будет выглядеть так:

_π

W = 32b (αb³-а 1b3 1). (8)

где а – наружный, а а1 – внутренний сагиттальный диаметр, b – наружный, а b1

– внутренний фронтальный диаметр.

Для диафизов длинных трубчатых костей, имеющих треугольное сечение, а костномозговой канал – форму, приближающуюся к кругу (большеберцовая, локтевая, лучевая кости), момент сопротивления может быть рассчитан по формуле:

W = b·h² = 0,1D³

или по формулам:

W1 = b·h² _ παb²; W2 = b·h² _ b1h²1, (10, 11)

если костномозговой канал в поперечном сечении имел форму эллипса, где b1 – внутренний фронтальный размер, h1 – внутренний сагиттальный размер.

Жестокость трубчатой кости на кручение, согласно общим законам сопротивления материалов, определяется квадратом площади поперечного сечения.

Воздействие твердого тупого предмета по своей величине может значительно превышать параметры сопротивляемости кости. Оценивая перелом с позиций затрат механической энергии, возможно определить только лишь минимальную энергию, затраченную на формирование переломов. Остаточная кинетическая энергия затрачивается на другую работу, которая остается не установленной. В практике исключительно редко встречаются случаи, когда установ-

ленная расчетным путем (по перелому) ударная или давящая нагрузка близка по своей величине к действительной; теоретически рассчитанная сила внешнего воздействия всегда составляет только часть фактически затраченной.

Например, перелом кости на уровне средней трети диафиза еще не дает полных оснований для суждения о величине внешнего воздействия на конечность.

Необходимо иметь в виду, что разрушение диафиза может произойти при различных механизмах, требующих неодинаковое количество энергии для формирования перелома (рис. 56).

Определение момента сопротивления при поперечном изгибе (А) приведено выше. Критическая нагрузка для случая (б) устанавливается по формуле Эйлера:

Р = π²·E·J, l²

где Е – модуль Юнга кости, J – момент инерции стержня (диафиза), 1 – длина диафиза

Для варианта (в) критическая сила Р возрастает в 4 раза в сравнении с (б), поскольку диафизная часть кости «работает» как стержень длиной ½.

При одном защемленном и втором свободном конце, испытывающим боковые смещения (г), критическая сила Р уменьшается по отношению к (б) в 4 раза, а диафизарная часть кости «работает» как половина стержня удвоенной длины 21/2.

Морфология переломов (общие закономерности). Деформация и последующий перелом диафизов происходит по законам, характеризующим (в первом приближении) работу стержня того или иного сечения.

Простое сгибание кости возникает или в результате давления, или при ударе тупым предметом.

Повреждение костей тупыми предметами обычно происходит при относительно низком диапазоне скоростей (в том числе и при воздействии движущегося транспорта), что минимально отражается на виде и характере разрушения – перелома, независимо от того, возникло оно в условиях удара или сдавления. Это обстоятельство обусловлено тем, что процесс разрушения хрупкого тела – кости происходит взрывообразно в короткие промежутки времени. Импульс внешнего воздействия обычно оказывается по времени более замедленным, чем процесс разрушения. Нет большой необходимости в связи с этим рассматривать некоторые виды разрушения в зависимости от способа воздействия (удар, сдавление), а ограничиться только анализом условий, в которых происходит травма: направление угол воздействия, форма травмирующей поверхности, ее площадь и т.д.

Скорости значительно большего порядка (свыше 300 м/сек) начинают сказываться на формообразовании переломов (например, при огнестрельных повреждениях).

В основу изучения явлений, предшествующих формированию переломов, были положены электротензометрические исследования поверхностных силовых напряжений. Топография сжимающих и растягивающих напряжений и в особенности касательных позволяет прогнозировать не только локализацию, но и характер деформации кости (при переломах). Электротензометрические исследования были сопряжены с физико-математическими расчетами, воспроизведением переломов в экспериментах и сопоставлением полученных комплексных исследований с экспертными наблюдениями при полностью установленных обстоятельствах происшествия.

Поперечный изгиб диафиза характеризуется формированием зоны сжатия в месте контакта (воздействия) тупого твердого предмета. На диаметрально противоположной стороне кости соответственно возникает зона растяжения. Поскольку кость более прочна на сжатие, чем на растяжение, ее первоначальное разрушение (разрыв вещества) происходит в зоне растяжения. Плоскость первоначального разрыва в полном соответствии с изложенными выше законами разрушения получает поперечное направление по отношению к растягивающим силам. В зависимости от морфологических особенностей кости (степень оссификации, хрупкость, твердость и т.д.) этот поперечно расположенный разрывной участок перелома на поверхности кости может занимать от 1/8 до ½ длины окружности диафиза. Поверхность этого излома относительно ровная, мелкозернистая.

Продолжающаяся деформация изгиба на боковых от места воздействия сторонах приводит к формированию таких касательных напряжений, которые, возрастая по мере приближения к зоне сжатия (месту внешнего воздействия), вызывают все в большей степени деформации сдвига.

Сдвиговые напряжения в сочетании с растягивающими усилиями при слоистом строении кости формируют своеобразную «бегущую» трещину. Плоскость излома становится крупнозубчатой с кортикальными веерообразными трещинами. Плоскость излома нередко раздваивается и каждая ветвь приобретает параболическую траектории. На стороне воздействия тупого твердого предмета боковые ветви излома соединяются, образуя ромбовидной или многоугольный костный фрагмент, который обычно приобретает профиль, близкий к треугольной форме.

Оказалось, что уровень внешнего давления, вызывающего изгиб (при ударе тупым предметом – ударный изгиб), влияет на форму осколка, что вполне понятно из рис. 57, отражающего эпюру напряжений в зависимости от локализации нагрузки по отношению к опоре. При симметричном распределении силовых напряжений профиль костного фрагмента тоже приобретает своеобразную симметрию, он по форме приближается к равнобедренному треугольнику. Несимметричная нагрузка формирует костный фрагмент в виде разностороннего треугольника. Этот фрагмент может приобрести даже форму прямоугольного треугольника (в профиль) и образоваться за счет дистального или проксимального отломка.

Условия несимметричной локализации сжимающих и растягивающих условий возникают при деформации диафиза и вследствие ударного изгиба под некоторым углом. Отклонение удара тупым предметом от его поперечного направления приводит к качественным изменениям формы разрушения кости. Параболическая часть траектории излома и веерообразных трещин перестает быть симметричной и отклоняется в одну сторону в направлении внешнего воздействия. В этих случаях на боковых от места удара сторонах линия перелома имеет косое направление, веерообразные трещины в большей степени выражены на центральном отломке. Зона сжатия кости (зона воздействия предмета) имеет признаки локальной компрессии кости, как в виде костного осколка, так

и в форме выкрашивания компактного вещества по краю линии перелома (рис. 58).

Экспериментально установлено (1958), что существует тесная корреляция между углом внешнего воздействия и минимальной энергией, затрачиваемой на разрушение (перелом).

При ударе тупым предметом под острым углом по отношению к продольной оси кости в точке приложения внешнего воздействия происходит разложение сил по правилу параллелограмма (рис. 59). Одна из пары сил («а») действует в поперечном направлении и при достаточной величине энергии может сформировать перелом. При условии воздействия в диапазоне 89=75° к продольной оси формируется перелом, имеющий все признаки разрушения от поперечного воздействия. Более острый угол 75-30° обусловливает формирование осколка в месте приложения силы в виде неравностороннего (в профиль) треугольника вплоть до прямоугольного; чем острее угол, тем большая часть такого осколка формируется за счет дистального отдела (по отношению к направлению удара). Отмечено, что мысленно восстановленный перпендикуляр

срезывающие силы. Последние определяют разрушение кости в косом направлении. Плоскость излома также оказывается ориентированной перпендикулярно по отношению к направлению внешнего воздействия. Поверхность излома относительно неровная на всем ее протяжении; веерообразные трещины не образуются (рис. 60).

Угол удара менее 30° к продольной оси даже при очень значительной величине внешнего воздействия формирует поперечно направленные силы в масштабах, недостаточных для разрушения кости в точке приложения. Возникает скольжение ударяющего предмета, при котором травмируются мягкие ткани. Действующая в продольном направлении сила формирует многооскольчатые метадиафизарные переломы. Эти переломы возникают в результате комбинации срезывающих и продольно расклинивающих сил и общая зона разрушения, состоящая из осколков, имеет косое направление относительно длинника кости.

Продольное воздействие на кость вовлекает в процесс разрушения прежде всего эпифизарные отделы, которые повреждаются из-за возникновения в них бочкообразно вспучивающих и расклинивающих деформаций.

В случаях удара тупым предметом в поперечном направлении, при условии расположения конечности лежа на твердой подложке (опора в области эпифиза) формируются многооскольчатые переломы. Характерным является то, что кость вначале разрушается вследствие поперечного изгиба, к которому присоединяется деформация уплощения (от сдавления области разрушения между двумя тупыми предметами – ударяющим и твердой подкладкой). Вследствие такой двухфазной деформации возникают дополнительные разрушения первично образовавшихся осколков кости. Эти дополнительные переломы осколков имеют преимущественно продольное направление. В проекции внешнего воздействия фрагменты кости разрушаются вследствие уплощения округлого контура, а само разрушение имеет начало на поверхности стенки костномозгового канала.

На наружной поверхности отломков по краю продольных линий разрушения возникают элементы выкрашивания кортикального слоя.

На боковых поверхностях кости вследствие ее уплощения также возникают продольно ориентированные линейные переломы, зарождающиеся на наружной поверхности. Элементы выкрашивания костного вещества в этих местах обнаруживаются на стороне стенки костномозгового канала.

Диафиз костей может повреждаться и вследствие ротации. Возникающие при этом силовые напряжения имеют косое направление по отношению к продольной оси кости (около 45°) и обратно направленное (180°) по отношению друг к другу. Возникает деформация среза, а костное вещество разрушается вследствие разрыва в комбинации со сдвигом. Возникает разрыв по спиралевидной линии, который одномоментно распространяется проксимально и дистально. Как только винтообразный разрыв кости достигнет условной продольной прямой линии, соединяющей концы этого разрыва, возникает второй этап деформации. Процесс винтообразного разрушения прерывается, а «кольцо» кости начинает как бы развертываться вокруг названного отрезка прямой. Фор-