5 курс / Хирургия детская / Повреждения_грудной_клетки_тупыми_предметами_биомеханика,_диагностика

Таблица 2.8

Форма поперечного сечения 6-го ребра по разным

анатомическим линиям в трех возрастных группах

Для более полного, комплексного исследования использовали ряд лабораторных методов.

Для исключения каких-либо заболеваний проводили гистологи­ ческое исследование внутренних органов.

Учитывая перспективность нового научного направления в су­ дебно-медицинской травматологии - медицинской фрактологии (отрасль науки, изучающая физические свойства и структуру изломов костей), а также медицинской фрактографии (совокупность приемов и методов диагностики видов деформаций, возникающих в костной ткани в момент ее разрушения); (Крюков В.Н., 1985), нами использо-

вались при изучении характера разрушения хряща методика фрактографических исследований, разработанная на кафедре судебной меди­ цины Российского государственного медицинского университета.

Фотографирование производили с помощью зеркального фото­ аппарата "Зенит".

Поскольку не только в травматологических клиниках, но и " в практике судебно-медицинских учреждений в настоящее время широ­ ко используются традиционные рентгенологические методы исследо­ вания, прежде всего, костно-суставного аппарата", (В.Л. Попов, А.Л. Дударев, 1990), нами для определения диагностических возможностей рентгенографического метода исследования до вскрытия производи­ лись рентгенография грудной клетки трупа (16) и в 39 случаях рентге­ нография изъятой грудной клетки. В тех наблюдениях, когда постра­ давшим при жизни производилась рентгенография грудной клетки, изучали прижизненные снимки (11). В 9 случаях изучены рентгенснимки, полученные в промежутке между первичной и повторной травмой. Всего было изучено 75 рентгеновских снимков грудных клеток и 67 рентгеновских снимков позвоночника. Характер переломов, обнару­ женных на рентгенограммах, сопоставляли с результатами секционно­ го исследования трупа или с особенностями переломов, вызванных на костных препаратах.

Используя результаты антропометрии, остеометрии. величину нагрузок, которым подвергали грудную клетку при различных видах деформаций, отдельно была предпринята попытка с помощью мате­ матических методов исследования объективизировать полученные данные как в эксперименте, так и на практике.

Выполненный нами совместно с В.Е. Васиным биомеханический анализ возникающих напряжений в разных отделах модели при дейст­ вии различных нагрузок в тех или иных направлениях выявил сущ­ ность процессов, происходящих в грудной комплексе в момент де­ формации и разрушения.

Итоговые данные о количестве и объектах исследований пред­ ставлены в сводной таблице 2.9.

3.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОМЕХАНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГРУДНОЙ КЛЕТКИ

3 . 1 . В в е д е н и е ( о б о с н о в а н и е математического а н а л и з а п о в р е ж д е н и й костей г р у д н о й клетки)

Общеизвестно, что обнаруживаемые на трупах множественные повреждения, как по происхождению, механизму образования, так и по значению, неравнозначны. Нередко, одни и те же повреждения могут расцениваться по-разному. Для нахождения оптимального решения необходимо рассматривать совокупность всех повреждений, используя многофакторный, комплексный, системный подход, в том числе, математическое моделирование.

О необходимости скорейшего использования математического моделирования как методологии познания, говорит академик A.M. Самарский (1987), который подчеркивает: "сейчас становится все яснее, что обновление науки может быть достигнуто на основе нового подхода - математического моделирования".

На некорые пути моделирования повреждений костей скелета человека в судебно-медицинской травматологии указывают А.П. Громов, В.Н. Крюков (I972).

Однако, ввиду сложности математического описания биологических объектов и их реакции на внешнее воздействие, до настоящего времени в судебной медицине в основном проводили экспериментальные исследования механизмов травмы отдельных частей скелета на биоманекенах с использованием элементов биомеханического анализа. Так, О.Ф. Салтыкова, И.И. Антуфьев, П.П. Пырлина и др. (1972); В.В. Дербоглав, Н.И. Живодерцев, Ф.Е Фарбер (1972) занимались моделированием повреждений костей черепа; Н.П. Пырлина, О.Ф.Салтыкова, В.А. Корженьянц и др. (1972); С.А. Гозулов, В.А. Корженьянц, В.Г. Скрыпник, (1972); Н.П. Пырлина, О.Ф. Салтыкова, Г.С. Болонкин и др. (1972); А.Е. Дмитриев, О.А. Малахов, (1972); Н.П. Пырлина, Л.А. Щербин и др. (1972); А:Е. Дмитриев, (1972) моделированием повреждений позвоночника и установлением его прочностных свойств; Г.С. Бачу, (1972) - моделированием закрытых травм грудной клетки при статических нагрузках.

Системный, целенаправленый подход к математическому моделированию отдельных частей скелета получил развитие лишь в последнее время. Так, рядом авторов: Ю.М. Аникин, Р.Д. Медведев, (1986); А.В. Гладков, (1986); И.Н. Королева, ЮЛ. Булаев, (1986); СВ . Макаревич, И.Р. Воронович, В.Н. Николаев и др., (1986); АЛ . Оксогоев, В.В. Дудкин, (1986); Г.П. Ступаков, (1986); Н.И. Хвистюк,

Н.А. Корж, Е.М. Маковоз и др., (1986) более детально рассмотрены вопросы биомеханики позвоночника. Много работ посвящено биомеханике твердых тканей: И.С. Адамович, (1986); В,Г. Веденков, И.К. Волков (1986); К.К. Виллеруш, И.В. Кнетс, (1986); Ю.И. ДенисовНикольский, И.В. Матвейчук, А.А. Докторов и дрм (1986); М Л . Добелис, И.В. Кнетс, (1986); Lngwleder К., (1974); Mack R.P., (1974).

Кузнецовым Л.£. (1989) разработана биоме -шическая модель таза для обоснования различных механизмов травмы.

Адамович А.С. (1989) широко использовала современные методы математического моделирования при исследовании напряженно-деформированного состояния трубчатых костей человека.

Поиск в интегрированном информационном банке данных страны в режиме удаленного теледоступа с терминалов Смоленского ЦНТИ (655 тысяч литературных источников) показал, что вопросы математического моделирования грудной клетки человека практически не рассматривались. Режим тематического поиска в базе данных УКД выдал только кандидатскую диссертацию М.Г. Кубланова (1985) "Биомеханика грудных конечностей десятиногих ракообразных".

3.2.О с н о в н ы е п р е д п о с ы л к и к б и о м е х а н и ч е с к о м у

мо д е л и р о в а н и ю г р у д н о й клетки

Сточки зрения создания прочностной математической модели силовой каркас грудной клетки можно рассматривать как сложную пространственную конструкцию состоящую из набора криволинейных рам (ребер), связанных с одной стороны балкой (грудиной) и закрепленных с другой стороны на основании (позвоночнике).

Грудная клетка симметрична относительно вертикальной плоскости, проходящей через грудину и позвоночник (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схематическое изображение объемной модели

грудной клетки.

Глава 3. Теоретические аспекты биомеханического 37 моделирования грудной клетки

При рассмотрении общих закономерностей деформации грудной клетки ряд авторов использовал для наглядности и анализа механизмов травмы реберное кольцо со срезом грудины и позвоночника на уровне 6 ребра, создавая таким образом впечатление, что объемная модель грудной клетки состоит из набора реберных

колец.

Как нам представляется, с точки зрения биомеханики, такой подход не совсем верен, так как выделение из грудной клетки реберного кольца связано с нарушением целостности грудины и позвоночника.

В то же время, изображение деформации и механизмов травмы грудной клетки на реберном кольце отличается простотой, удобством и наглядностью, поэтому используется и в настоящей работе.

Анализ топологических особенностей показывает, что объемная модель грудной клетки состоит из топологически идентичных моделей реберных полуколец (ребер) и связующих массивных элементов в виде позвоночника и грудины.

Биомеханический расчет топологически идентичных реберных полуколец может быть выполнен по единой методике, а каждое ребро в силовом плане может быть представлено как плоская криволинейная рама, опирающаяся на грудину и позвоночник (за исключением 11 и 12 ребер), закрепленных только на позвоночнике и являющихся по существу консольными балками.

Реально в организме связь между ребрами осуществляется не только через грудину и позвоночник, но и с помощью межреберных мышц.

По данным Г.С. Бачу (1980) коэффициент жесткости некоторых мышц для возрастной группы 17-35 лет составил 8 кг/см, а для людей старше 55 лет - 5 кг/см. Для детского возраста подобных оценок произведено не было, но можно предположить, что этот коэффициент не будет существенно отличаться.

Анализ экспертных и экспериментальных данных показывает, что при целой грудной клетке межреберные мышцы не оказывают существенного влияния на передачу запредельных нагрузок. Таким образом, объемная биомеханическая модель грудной клетки должна включать в себя набор ребер и грудину с позвоночником, объединяющих их в единую силовую пространственную конструкцию. Расчет подобных пространственных систем крайне сложен в связи с большой статической неопределимостью и в настоящее время возможен только при помощи современных вычислительных методов, широко использующих ЭВМ, типа метода конечных элементов.

Однако и в этом случае, учитывая индивидуальные особенности каждого биологического объекта, можно говорить лишь об

определении неких обобщенных зависимостей в силовой работе скелета грудной клетки.

3.3. Выбор расчетной схемы ребра

Выделенная из общей объемной модели грудной клетки расчетная схема имеет следующий вид (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Расчетная схема ребра в общем виде (пояснения в тексте).

Изображенная на рис. 3.2 расчетная модель ребра имеет универсальный характер и применима для расчета всех ребер, включая даже 11 и 12, для которых опорные реакции на грудине принимаются равными нулю.

Данная расчетная модель имеет 12 неизвестных опорных реакций (по 6 на каждой опоре). Известно, что с помощью уравнений равновесие можно определить только 6 неизвестных реакций. Остальные 6 неизвестных реакций можно определить, составив систему из 6 уравнений деформаций.

Ребро опирается на грудину (опора Г) и позвоночник (опора П). В каждой опоре ограничены 6 степеней свободы - 3 линейных перемещения и 3 угловых перемещения. Ограничения по линейным

имеющее определенную податливость. Ограничения по угловым перемещениям обозначаются Мх, M Y , M Z , а на схеме имеют вид

угловых "пружин углам поворота.

По числу необходимых для решения уравнений деформаций расчетные модели называются либо статически-определимыми (если уравнения деформаций отсутствуют), либо п - раз статически неопределимыми, где п - число уравнений деформаций. В нашем

R y ' R y R x R ' M ^ M " , которые могут быть определены с помощью системы из 6-ти уравнений равновесия. В ней предполагается, что податливость в опорах отсутствует.

При действии внешней нагрузки только в плоскости реберной дуги расчетная модель может быть упрощена до следующей схемы (рис. 3.4)

Рис. 3.4. Расчетная модель детского ребра при нагружении в реберной

плоскости (пояснения в тексте).

При действии внешней нагрузки перпендикулярно плоскости реберной дуги расчетная модель представляет собой консольную балку, закрепленную на позвоночнике (опорные реакции & ?-м > м ,). Подобная трансформация расчетной схемы вносит определенную погрешность в результаты силового расчета ребра при нагружении из плоскости реберной дуги, причем эта погрешность будет тем больше, чем больше выражена хрящевая зона ребра.

3.4.Нагружение расчетной модели ребра

Вся совокупность травмирующих внешних воздействий на грудную клетку сводится к 2 типам: статическому (компрессионному) и динамическому (ударному). В нашей исследовательской работе рассматриваются различные варианты компрессионного и ударного воздействия.

Анализ экспертных наблюдений, экспериментальных и литературных данных свидетельствуют о некоторых отличиях в характере повреждений грудной клетки при статическом (компрессионном) и динамическом (ударном) внешних воздействиях.

инерционными силами массы грудной клетки в целом по принципу Д'Аламбера. Поэтому некоторое отличие характера повреждений грудной клетки при компрессионном и ударном воздействиях обуславливается разным характером уравновешивания внешней нагрузки.

Математически это можно доказать при рассмотрении общей объемной биомеханической модели грудной клетки, что является объектом специального научного исследования.

При ссчетах биомеханической модели ребра динамическими особенностями внешнего воздействия можно пренебречь ввиду незначительности инерционных свойств ребра в сравнении с внешней нагрузкой и рассматривать все внешние воздействия как статические.

Как отмечалось выше, плоскость каждой реберной дуги по отношению к оси симметрии грудной клетки расположена под некоторым углом (рис.3.5).

Поэтому в общем случае внешнее воздействие на ребро имеет вектор общего направления силового расчета биомеханической модели ребра необходимо вектор внешней нагрузки разложить на составляющие - внешняя нагрузка в плоскости реберной дуги, Р"^ ' внешняя нагрузка, перпендикулярная плоскости реберной дуги (рис.