4 курс / Лучевая диагностика / Биомеханика_травмы_повреждения_головы,_позвоночника_и_грудной_клетки

лочка сохраняет устойчивое состояние. При увеличении внешней нагрузки развивающиеся деформации сопро­ вождаются значительными изменениями внешней формы оболочки. Наименьшая нагрузка, при которой имеет место потеря устойчивости, т. е. изменение внешней фор­ мы оболочки, называется верхней критической нагруз­ кой. Относительно свода черепа можно считать, что об­ разование трещины внутренней компактной пластины является потерей его устойчивости и сопровождается значительными изменениями внешней формы.

Используя метод математического анализа, С. А. Кор­ саков (1977) предложил формулу расчета верхней кри­ тической нагрузки:

(5.4)

где Ре — верхняя критическая нагрузка, при которой оболочка теряет устойчивость; Е—модуль упругости; § — толщина оболочки; Н — гауссова кривизна; ц — коэффициент Пуассона.

Из этой формулы видно, что верхняя критическая нагрузка свода черепа зависит от мехнических свойств его костей (жесткость, толщина) и степени кривизны срединной поверхности. Определение жесткости костей свода черепа и кривизны наружной поверхности головы позволяет на основании приведенной выше формулы вычислить критическую нагрузку, при которой произой­ дет перелом костей черепа.

Для проверки степени достоверности получаемых по формуле показателей критической нагрузки С. А. Кор­ саковым (1977) были проведены две серии исследова­ ний путем моделирования повреждений головы на био­ манекенах.

В первой серии экспериментов использовали специальный стенд (рис. 21), состоящий из кресла с системой привязных ремней, обес­ печивающих жесткую фиксацию тела и головы биоманекена, а так­ же пневмоузла стенда. Пневмоузел состоит из металлического ци­ линдра с поршнем. Цилиндр сообщается с баллоном со сжатым воз­ духом, давление которого позволяет дозировать силу удара до 500 кгс. Шток поршня соединен с системой датчиков и бойком —, металлической полусферой диаметром 10 см и массой 0,5 кг. Уси­ лия, развивающиеся при воздействии бойка на голову биоманекена, через систему датчиков регистрировались осциллографом на фотобу­ маге (рис. 22). По этим осциллограммам определяли максимальную силу и время удара. До начала экспериментов производили тариров­ ку стенда, в результате чего получена зависимость между достиг-

101

Рис. 21. Схема пневматического стенда для моделирования повреж­ дений головы.

1 — биоманекен; 2 — фиксирующая система; 3 — боек (металлическая полусфе­ ра); 4 — регистрирующее устройство; 5 —цилиндр; 6 — манометр; 7 — баллон со сжатым воздухом; 8 — проводники к усилителю и осциллографу.

нутой силой и высотой пика осциллограммы (рис. 23). Расшифровка результатов экспериментов заключалась в измерении высоты пика и определении времени активной фазы удара по осциллограммам (отрезок АЕ, рис. 22). Равные интервалы времени величиной 0,01 с регистрировали во всех экспериментах специальным отметчиком.

Во второй серии экспериментов повреждения причинялись на специальном стенде металлическим шаром диаметром 10 см и мас­ сой 3 кг, падающим с различной высоты (рис. 24). Стенд пред­ ставляет собой металлическую треногу, в верхней части которой укреплен блок с перекинутым через него шелковым шнуром. Макси-

т

«апьная высота подъема шара соопяла 2,37 м, а максимальная

свободно падающим шаром произпяился в височную область и в область пересечения сагиттального

ивенечного швов.

Входе экспериментов проводились следующие антропо- и краниометрические измерения: прямой и попе­ речный диаметры головы с последующим вычислением черепного показателя, сред­ ние радиусы кривизны в ме­ сте удара, сферические ко­ ординаты точек в области удара, толщина мягких тка­ ней головы, толщина костей черепа по распилу и в месте удара.

Впервой серии экспери­ ментов, проведенных на

стей, начиная от трещины внутренней костной пластины и кончая многооскольчатыми вдавленными переломами. Областью ударов во всех экспериментах на пневмостенде служило место пересечения сагиттального и венечно­ го швов. В 6 из 12 случаев костных повреждений были отмечены только трещины внутренней костной пласти­ ны. Эти наблюдения являются наиболее подходящими объектами для сравнения теоретических расчетов крити­ ческой нагрузки и фактической, полученной в экспери­ менте.

Труп мужчины 58 лет. Сила удара 340 кгс, время удара 0,07 с. Повреждения: ушибленная линейная рана на волосистой части го­ ловы, линейная трещина внутренней костной пластины длиной 4 см. Гауссова кривизна 0,0114 см-2, толщина кости в месте удара 0,5см, модуль упругости 0,98X105 кгс/см2, коэффициент Пуассона 0,35.

103

Критическая нагрузка, вычисленная по формуле, составила 304 кгг Следовательно, истинная нагрузка была на 36 кгс больше крити­ ческой, вычисленной по формуле.

В остальных 5 экспериментах, где отмечались толь­ ко трещины внутренней костной пластины, ударная на­ грузка колебалась от 255 до 380 кгс, время удара — от 0,04 до 0,07 с, вычисленные теоретически критические нагрузки составляли от 193 до 331 кгс, а разность на­ грузок—от 7 до 72 кгс. В среднем разность между экспериментальной и критической нагрузками равня­ лась 34,3 кгс.

При анализе протяженности трещин и разности на­ грузок между ними отмечена определенная зависимость. Например, в одном из опытов длина трещины равнялась 4,5 см, а разность между экспериментальной и крити­ ческой нагрузками составляла 72 кгс. В другом экспе­ рименте при разности между нагрузками 7 кгс длина трещины была 2 см. В остальных опытах протяженность трещин находилась между 2 и 4,5 см, а разность экспе­ риментальной и критической нагрузок колебалась от 7 до 72 кгс.

В трех экспериментах были получены переломы за­ тылочной и лобной костей. При этом разность расчетной и опытной нагрузок составляла 58, 83 и 105 кгс (в сред­ нем 82 кгс).

Анализ полученных результатов показывает, что по мере увеличения тяжести повреждений происходит уве­ личение разности опытного и расчетного значений на­ грузки. Так, для повреждений только мягких тканей характерна отрицательная разность. При трещинах внутренней костной пластины эта разность уже поло­ жительна и колеблется от 7 до 72 кгс, составляя в сред­ нем 34,3 кгс. При переломах костей эта разность еще больше увеличивается, в среднем достигая 82 кгс. При вдавленных многооскольчатых переломах с распрост­ ранением трещин на основание черепа, полученных в трех экспериментах на пневматическом стенде, разность составляла 122, 208 и 233 кгс, равняясь в среднем 188 кгс.

На рис. 25 обнаруживается четкая зависимость между характером повреждений костей свода черепа и разностью экспериментальной и верхней критической нагрузок. Проведя математический анализ эксперимен­ тальных данных, С. А. Корсаков (1977) пришел к вы-

104

лу. Время удара, точно определяемое в экспериментах на пневмостенде, составляло в среднем 0,06 с при воз­ действии в теменные области и 0,05 с при ударе в височ­ ные области. Эти данные о времени удара были исполь­ зованы и во второй серии экспериментов.

В 5 случаях из второй серии экспериментов были получены повреждения костей свода черепа в виде трещин внутренней костной пластины (3 случая) и мно­ жественных трещин свода и основания черепа (2 слу­ чая). Трещины внутренней костной пластины образова­ лись в 2 случаях при ударе в область сагиттального шва и в 1 случае при ударе в левую височную область. Толщина костей в этих случаях составляла 0,4—0,5 см, работа удара — 5,25—6,9 кгс-м. Сила удара, вычислен­ ная по последней формуле, равнялась 293, 295 и 403 кгс,

105

Рис. 26. Трещина внутренней костной пластины, возникшая при ударе шаром, упавшим с высоты 1,75 м.

0,97X105 кгс/см2, коэффициент Пуассона 0,35. Критическая на­

Такие же .различия отмечены и для двух других случаев с наличием трещин внутренней костной пла­ стины.

В двух наблюдениях из второй серии экспериментов при боковых ударах образовались множественные тре­ щины височной и теменной костей и поперечный пере­ лом основания черепа. В первом случае высота подъема шара составляла 1,83 м, что сопровождалось энергией

106

удара падающего шара 5,49 кгм. Толщина кости 0,3 см. При этом сила удара составила 360 кгс, а теоретически ожидаемая нагрузка — 324 кгс. Во втором случае высота подъема шара 2,37 м, работа удара 7,11 кгс-м, толщи­ на кости 0,5 см, сила удара 410 кгс, а ожидаемая на­ грузка 556 кгс.

Во всех остальных опытах второй серии эксперимен­ тов отмечались различные повреждения мягких тканей, причем критическая нагрузка всегда была значительно меньше действительной.

Анализ методов расчета критической и действитель­ ной нагрузок в первой и второй сериях экспериментов показывает, что в основу их положены различные фак­ торы. Если в первой серии экспериментов на пневмостенде критическую нагрузку определяли на основании данных о механических свойствах костей черепа и осо­ бенностях формы и размеров головы, то для расчета действительной нагрузки (см. формулу 4. 7) во второй серии использовали только физические Свойства падаю­ щего шара (масса и скорость), а также условно при­ нятую среднюю величину времени удара. Это привело к тому, что в отдельных экспериментах между критиче­ ской и действительной нагрузкой во второй серии экспе­ риментов наблюдалась разница в 100 кгс и более, что, по-видимому, можно объяснить использованием не точ­ ных показателей времени удара, а лишь их усредненны­ ми значениями.

Отсюда методика расчета силы, необходимой для образования определенного повреждения костей свода черепа в конкретном случае, на основании данных об индивидуальных особенностях формы и механических свойств костей черепа является более достоверной. Пре­ имущества ее заключаются в том, что при расчете верх­ ней критической нагрузки учитываются возрастные из­ менения свойств костей черепа (модуль упругости), ин­ дивидуальные морфологические особенности черепа (кривизна и толщина костей в месте удара), а также возможность применения этой методики независимо от механизма травмы. Следовательно, располагая данны­ ми о жесткости костей свода черепа, кривизне и толщи­ не костей в месте удара, можно вычислить верхнюю критическую нагрузку. Затем по характеру поврежде­ нии костей черепа определяют разность приложенной и критической нагрузок, после чего можно рассчитать

107

усилие, при котором образовалось Данндё повреждение. На основании экспериментальных исследований и математического анализа полученных результатов С. А. Корсаков (1977) предлагает следующий алгоритм вычисления необходимой силы, затраченной на образо­ вание определенного повреждения в любом конкретном

случае травмы.

I. Определение характера повреждений костей чере­ па в соответствии с принятой градацией: 1 — трещина внутренней костной пластины, 2 — перелом кости, 3 — многооскольчатый, вдавленный перелом свода черепа либо распространение трещин на основание черепа.

II. Определение модуля продольной упругости костей свода черепа в зависимости от возраста по формуле:

(5.7)

где Е—модуль продольной упругости (кгс/см2); lgB —

десятичный логарифм возраста субъекта.

III. Измерение толщины костей в месте удара и кри­ визны в двух взаимно перпендикулярных направлениях с последующим вычислением гауссовой кривизны по

формуле:

(5.8)

где Н — гауссова кривизна, Ki и Кг — кривизны в мес­ те удара.

IV. Вычисление верхней критической нагрузки по формуле:

гауссова кривизна, вычисленная по формуле (см. пункт III); ^ — коэффициент поперечной деформации (Пуас­ сона), равный 0,35.

V. Определение разности (РР) между затраченной и критической нагрузками по формуле:

(5.Ю) где х — характер повреждения в соответствии с нагруз-

кой.

108

Глава VI

БИОМЕХАНИКА

ПОВРЕЖДЕНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА

Механизм повреждений головного мозга при закрытой черепно-мозговой травме до настоящего вре­ мени остается недостаточно изученным. В течение дли­ тельного времени повреждения мозга при закрытой черепно-мозговой травме связывали с отрицательным давлением, развивающимся в полости черепа. Эта точка зрения, впервые высказанная G. Felizet (1873), получи­ ла определенное обоснование и некоторое развитие в последующих работах. По данным их авторов, в поло­ сти черепа соответственно зоне ударного воздействия развивается положительное давление, а с противополож­ ной стороны — отрицательное. Это явление, обусловлен­ ное, по их мнению, смещением мозга, возникающим от действия механической силы, является причиной ушибов мозга, наступающих при прямых и непрямых травмах головы.

Согласно теории ударного перемещения мозга, при действии на голову силы повреждения головного мозга образуются вследствие того, что мозг перемещается по ходу действующей силы, а затем назад в сторону полу­ ченного удара. При этих перемещениях мозг ударяется о кости черепа и таким образом получает множество ударов (А. И. Смирнов, 1949; Б. И. Шарапов, 1962, и др.). Г. П. Горячкина (1966) считает, что возникнове­ ние кровоизлияний в стволовом отделе мозга также связано с ударом последнего о чешую затылочной кос­ ти.

Е. S. Gurdjian и Н. R. Webster (1959) объясняли меньшую выраженность ушибов затылочных долей моз-

110