4 курс / Лучевая диагностика / Биомеханика_травмы_повреждения_головы,_позвоночника_и_грудной_клетки

А. П. ГРОМОВ

БИОМЕХАНИКА

ТРАВМЫ

(Повреждения головы, позвоночника и грудной клетки)

МОСКВА - МЕДИЦИНА - 1979

ВВЕДЕНИЕ

За последние годы отмечается интенсивное развитие исследований по различным проблемам био­ механики — новой науки, возникшей на стыке биологии, механики, физиологии, математики и ряда медицинских наук. Результаты этих исследований находят все более широкое применение в медицинской практике и в раз­ работке различных устройств по предупреждению от­ дельных видов травмы.

Прошедшая в Риге в октябре 1975 г. I Всесоюзная конференция по инженерной и медицинской биомехани­ ке, организованная отделением механики и процессов управления Академии наук СССР, Академией наук и Министерством здравоохранения Латвийской ССР, име­ ла целью улучшить координацию и эффективность этих исследований. В решении конференции была подчерк­ нута необходимость уделять большее внимание вопросам медицинской биомеханики и особенно биомеханики по­ вреждений.

Коллектив кафедры судебной медицины I ММИ име­ ни И. М. Сеченова занимается вопросами биомеханики черепно-мозговой травмы, повреждений позвоночника и грудной клетки более 10 лет. В этой работе принимают участие научные сотрудники кафедр теоретической ме­ ханики и сопротивления материалов Московского инс­ титута электроники, автоматики и телемеханики, Мос­ ковского института стали и сплавов, кафедры сварки Московского высшего технического училища имени Н. Э. Баумана и др.

По данной тематике закончены и апробированы две докторские диссертации, защищены 6 кандидатских дис­ сертаций, подготовлены рекомендации по ГОСТ для за­ щитных касок, заканчивается работа для выработки рекомендаций по ГОСТ для предохранительных поясов монтажников. Кроме того, по этой тематике нами ор­ ганизованы и проведены три всесоюзные научные кон­ ференции, по материалам первой из них в 1972 г. издан

3

сборник трудов, а также опубликовано большое число статей в журналах.

В процессе проведения экспериментальных исследо­

устройств типа мессдоз, защищенный авторским свиде­ тельством в 1973 г. Полученные данные позволили ус­ тановить определенные закономерности между величина­ ми действующих сил и характером возникающих повреждений, которые находятся в зависимости не толь­ ко от параметров удара, но и его локализации и инди­ видуальных особенностей организма. Эта дает возмож­ ность использовать полученные результаты в практике судебно-медицинской экспертизы для установления ве­ личины действующих сил, орудия и механизмы травмы по характеру имеющихся повреждений.

Определение механизма и происхожденияобнару­ женных повреждений особенно трудно в случаях нане­ сения травмы различными тупыми предметами либо при ударе о них вследствие падения. Оценка клинических и экспертных наблюдений разными авторами по этому вопросу нередко противоречива, чему способствует раз­ нообразная клиническая и судебно-медицинская казу­ истика. Отсюда сопоставление морфологии эксперимен­ тальных повреждений со сходными повреждениями, встречающимися в повседневной судебно-медицинской практике, поможет решению ряда вопросов происхож­ дения травмы."

Следует подчеркнуть, что число работ по биомехани­ ке повреждений головы, позвоночника, грудной клетки незначительно как в отечественной, так и в иностранной, литературе. В этих работах не нашла отражения опре­ деленная зависимость характера и особенностей повреж­ дений от физических параметров динамических и ста­ тистических нагрузок. Нельзя не согласиться с мнением X. Roth (1956), который показывает, насколько малоизу­ ченной является биомеханика ударов, действующих на организм человека. «Соответствующие исследования,— пишет автор,—обогатили бы наши познания относитель­ но связи между основньши физическими элементами удара (сила, масса, скорость, ускорение и время) и их действием на организм. Такие исследования поставили бы на научную основу разработку профилактических мер и защитных приспособлений».

4

Ввиду отсутствия единой методики экспериментов и, следовательно, критериев их оценки в настоящее время не представляется возможным сопоставить крайне про­ тиворечивые данные отечественных и зарубежных авто­ ров по биомеханике черепно-мозговой травмы, повреж­ дений позвоночника и грудной клетки. Кроме того, подавляющее большинство исследователей изучали дей­ ствие ударной силы на неподвижную голову, фиксиро­ ванный череп или отдельные кости черепа, на изолиро­ ванные позвонки, позвоночник, костный остов грудной клетки без учета анатомо-физиологических соотношений

и их влияния на характер и особенности травмы. Вместе

стем клиническая и судебно-медицинская практика показывает, что повреждения головы, позвоночника и гру­ ди чаще возникают при ударе движущегося тела о не­

подвижную преграду (транспортные травмы, падения с высоты, в том числе падения на плоскости, поврежде­ ния при нырянии, другие спортивные травмы и т. д.). В отечественной и зарубежной литературе до настоящего времени не опубликовано данных об исследованиях, в которых методика получения экспериментальных по­ вреждений головы, позвоночника и грудной клетки при­ ближалась бы к реальным условиям происхождения определенных травм.

Методические приемы, разработанные на кафедре судебной медицины I ММИ имени И. М. Сеченова, по­ зволяют получать повреждения головы, позвоночника и грудной клетки движущегося тела в зависимости от скорости соударения, силы удара, работы удара, возни­ кающих перегрузок и характера соударяемой поверх­ ности. Эти приемы обеспечивают получение эксперимен­ тальных повреждений движущегося тела при ударе, а также позволяют определить скорость и время соударе­ ния и другие физические параметры.

Работы выполнены с применением оригинальных ме­ тодик на специальных стендах, обеспечивающих строго дозированные нагрузки на различные области челове­ ческого тела и тем самым позволяющих воспроизводить определенные модели повреждений, которые встречают­ ся в практике, а также выявить упругие и прочностные свойства тканей человека. Особую ценность настоящие работы представляют в связи с тем, что подавляю­ щее их большинство выполнено на биоманекенах (трупах).

*:

Проводимое до сих пор экспериментальное изучение повреждений на изолированных костях является лишь ориентировочным из-за невозможности проведения чет­ ких анатомо-физиологических параллелей. Эксперимен­ тальное моделирование указанных повреждений на био­ манекенах открывает широкие пути к всестороннему изучению травм как в клинико-анатомическом, так и судебно-медицинском аспектах.

Решениями Всемирной организации здравоохране­ ния (ВОЗ) предусмотрено проведение комплексных ис­ следований сопротивляемости человеческого тела к раз­ личным механическим нагрузкам с созданием опреде­ ленных моделей на трупах людей и экспериментальных животных (L. G. Norman, 1962). Эти исследования име­ ют важное практическое значение, так как позволяют установить механизм травмы и характер физических параметров удара в случаях аналогичных повреждений, встречающихся в судебно-медицинской практике. Они могут быть использованы и для решения ряда вопросов в клиническом аспекте, в частности, для топической диагностики закрытых травм черепа, грудной клетки и позвоночника, что поможет избежать врачебно-диагно- стических ошибок в их распознавании.

Результаты указанных работ позволяют установить пределы прочности костей головы, позвоночника и груд­ ной клетки к определенным статическим и динами­ ческим нагрузкам, что представляет значительный ин­ терес для новой науки — биосопромата, изучающей запас прочности органов и тканей человека к различным механическим воздействиям (А. С. Обысов, 1971). По­ лученные данные дают возможность в определенной степени предусмотреть интенсивность повреждений, которые могут возникать при конкретном механизме травмы и тем самым способствовать разработке более рациональных средств предупреждения травмы (при­ вязные ремни, каски, шлемы, прокладки и т. д.). Сле­ довательно, биомеханика травмы головы, грудной клет­ ки и позвоночника имеет большое значение не только для судебной медицины, но и для ряда других медицин­ ских и технических наук.

Участие в проводимых работах специалистов точных наук — математиков и инженеров — позволило не толь­ ко рассчитать физические характеристики эксперимен­ тальных нагрузок, но и предварительно с помощью ма-

6

Глава I

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ О МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ НА ТЕЛО ЧЕЛОВЕКА, МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ И РАСЧЕТА

При любой механической травме повреждение либо наносится движущимся предметом человеку, на­ ходящемуся в покое или при относительно небольшом движении, либо движущееся тело человека ударяется о неподвижный предмет, например при падении. Сле­ довательно, в любом случае травматизма проявляется

1. Всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока какиенибудь силы не выведут его из этого состояния.

2. Действующая сила сообщает телу ускорение, ко­ торое прямо пропорционально силе и обратно пропорци­ онально массе тела. Отсюда

где F — сила; m — масса тела; а — ускорение.

3. Если тело действует с некоторой силой на другое тело, то последнее действует с такой же, но противопо­ ложно направленной силой на первое тело.

Отсюда действующая сила характеризуется не толь­ ко своей величиной, но и направлением. Следовательно, сила является величиной векторной, что учитывается при сложении нескольких действующих сил и установ­ лении их суммарной силы, называемой равнодейству-

8

ющей. Если к телу приложены одновременно две рав­ ные по величине, но противоположные по направлению силы, действующие по одной линии, их равнодейству­ ющая будет равна нулю и тело будет находиться в по­ кое. В случаях действия на тело двух равных парал­ лельных, но противоположно направленных сил может произойти вращение этого тела, и такие силы называют парой сил. Силы измеряются в килограмм-силах по системе МКГСС или в ньютонах по системе СИ.

Если точка приложения силы перемещается, то про­ изводится работа, которая равна произведению силы на расстояние. Работа измеряется в килограммсиламетрах или в джоулях по системе СИ. Мощность — это работа, совершаемая в единицу времени, она измеряет­ ся в килограммометрах в секунду, лошадиных силах и ваттах по системе СИ.

Согласно закону сохранения энергии, произведенная работа равна затраченной энергии. Энергией называет­ ся степень способности производить работу. Так, груз поднятый над землей, обладает потенциальной энерги­ ей, поскольку при падении на землю он может совер­ шить работу. Потенциальная энергия этого груза может быть рассчитана по формуле:

только от величины и направления действующей силы, но и механических свойств повреждаемого тела. К ним относятся прочность, жесткость, упругость, устойчи­ вость и др. Эти свойства изучает наука о сопротивле­ нии материалов, на основе которой конструируются де­ тали машин, возводятся здания, строятся мосты и т. д. Перечисленные свойства биологических тканей дают возможность оценить сопротивляемость отдельных орга­ нов и систем животного и человека к различным меха­ ническим воздействиям.

1)

Прочностью тела называется способность его сопро­ тивляться разрушению под действием приложенных к те­ лу внешних сил (нагрузок). В науке о сопротивлении ма­ териалов под телом понимается физический объект, пост­ роенный из одного материала. В зависимости от условий и методов исследования телом может быть целый объ­ ект, например, череп, отдельная его часть (определен­ ная кость черепа) или образец (фрагмент этой кости).

Все материалы живой и неживой природы под дей­ ствием внешней силы изменяют либо свою форму, либо свои размеры или одновременно и форму и размеры. Эти изменения называются деформацией. В зависимос­ ти от способа приложения нагрузки и вида деформа­ ций, которые испытывает тело, различают прочность на сжатие, на растяжение, на изгиб и т. д. (Н. М. Беляев, 1962). Прочность измеряется наименьшей силой, вызы­ вающей разрушение образца испытуемого материала, деленной на площадь его начального поперечного сече­ ния. Эту площадь, перпендикулярную направлению сил,

риала, но и другие механические свойства: его жест­ кость, упругость и пластичность.

В медицинской литературе понятия жесткости и упругости нередко отождествляются, хотя эти понятия определяют различные свойства материала. Например: резина легко поддается деформации и так же легко при­ нимает свою первоначальную форму, являясь нежест­ ким, упругим материалом. Напротив, стекло обладает значительной сопротивляемостью к деформации, а если последняя произошла, то оно разрушается, являясь примером жесткого, неупругого материала. С другой стороны, жесткость и упругость материала могут зави­ сеть и от условий, в которых он находится. Например, при низких температурах резина становится жесткой, а стекло при высоких температурах теряет свою жест­ кость. Следовательно, жесткость — это способность ма­ териала сопротивляться деформации при действии внешней силы. Упругость — способность тела принимать после снятия нагрузки первоначальную форму или размеры. Пластичность — способность тела давать ос­ таточные деформации. Остаточными деформациями называются такие изменения формы или размеров, ко­ торые сохраняются и после снятия нагрузки,

10