4 курс / Лучевая диагностика / Биомеханика_травмы_повреждения_головы,_позвоночника_и_грудной_клетки
.pdfА. П. ГРОМОВ
БИОМЕХАНИКА
ТРАВМЫ
(Повреждения головы, позвоночника и грудной клетки)
МОСКВА - МЕДИЦИНА - 1979
58
УДК 617.51+616.711+617.54-001-092: 61176
Биомеханика травмы (повреждения головы, позвоночника и грудной клетки). А. П. ГРОМОВ . — М.: Медицина, 1979, 275 с, ил.
Автор книги доктор медицинских наук, профессор, возглавляет кафедру судебной медицины 1-го Московского медицинского инсти тута им. И. М. Сеченова.
В книге рассматривается биомеханика черепно-мозговой травмы, повреждений позвоночника и грудной клетки. Описанию эксперимен тальных данных предшествует изложение физико-математических понятий о механических воздействиях на тело человека, методах их измерения и расчета. Подробно приведены существующие способы исследования механических свойств биологических тканей и, в част ности, методы определения прочности и жесткости костей свода черепа.
Основное внимание в работе уделено моделированию повреж дений мягких тканей головы, переломов костей черепа, ушибов го ловного мозга при различных механизмах травмы. Применение ори гинальных методик на специальных стендах, обеспечивающих строго дозированные нагрузки на различные области человеческого тела, позволило установить четкую зависимость повреждений головы, позвоночника и грудной клетки от физических параметров ударного воздействия с учетом индивидуальных особенностей организма. По лученные данные положены в основу для биомеханического обосно вания средств индивидуальной защиты головы человека от травмы, а также предохранительных поясов монтажников.
Сопоставление морфологии повреждений со сходными повреж дениями, встречающимися в реальных условиях, позволило разрабо тать биомеханические основы определения механизма возникнове ния травмы по характеру имеющихся повреждений, что крайне необходимо для судебно-медицинской практики. В процессе экспери ментальных исследований установлен новый механизм закрытой че репно-мозговой травмы, подтвержденный путем математического моделирования.
Монография рассчитана на судебно-медицинских экспертов, травматологов.
В книге 59 рис., 18 табл., библиография 230 названий.
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
ваний широко используется |
метод определения усилий |
и ударных импульсов с |
помощью тензометрических |
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
тематических вычислений теоретически определить их
величину.
Кроме чисто прикладных задач, в процессе наших исследований удалось получить ряд фактов, имеющих большое теоретическое значение. Так, нашими исследо ваниями установлен новый механизм закрытой черепномозговой травмы. Наши экспериментальные данные по казывают, что основным фактором в механизме череп но-мозговой травмы является деформация костей черепа, что получило подтверждение и-в процессе матема тического моделирования. Эти данные позволили суще ственно поколебать теорию кавитации (A. J. Gross, 1958), которая сейчас является доминирующей в объ яснении механизма черепно-мозговой травмы. Резуль таты наших исследований по механизму закрытой че репно-мозговой травмы подтверждаются повседневной клинической и секционной практикой.
К настоящему времени нами накоплен значительный опыт по применению данных биомеханики травмы в повседневной судебно-медицинской практике. В послед ней главе монографии приведено несколько сложных случаев экспертизы, в которых результаты наших ис следований получили практическую апробацию и под тверждение в процессе следствия и суда.
Данная монография является первой по вопросам биомеханики черепно-мозговой травмы, повреждений позвоночника и грудной клетки. Автор с благодарностью примет все замечания, предложения и советы, направ ленные на дальнейшую разработку этой сложной и важной проблемы.
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
действие какой-то силы, |
связанной с |
движением по |
||
вреждающего предмета |
или |
движением |
тела |
человека. |
В физике взаимосвязь силы и движения в простей |
||||
шем виде сформулирована |
в трех законах |
движения |
||
Ньютона: |
|
|
|
|
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
F=ma, |
(1.1) |
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:
Ep=mgh, |
(1.2) |
где m — масса поднятого тела; g — сила |
свободного |
падения; h — высота подъема. |
|
Движущееся тело обладает кинетической энергией, |
|
которую можно рассчитать по формуле: |
|
где га — масса тела; V — скорость движения. |
|
Обширность и характер повреждения |
зависят не |
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,
определяют в том месте, где |
произошло разрушение. |
С деформацией связаны |
не только прочность мате |
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