4 курс / Лучевая диагностика / Биомеханика_травмы_повреждения_головы,_позвоночника_и_грудной_клетки

повреждение костей черепа при рассредоточенном уда­ ре происходит с энергией не менее 5,5 кгс-м, сотрясе­ ние мозга — при 2,3 кгс-м, а передача на голову удара с энергией до 1,2 кгс-м не вызывает каких-либо повреж­ дений, гарантируя 'человека и от сотрясения мозга. Однако приведенные Е. Т. Трубниковым величины не основаны на биомеханических исследованиях и не по­ лучали какого-либо научного объяснения.

В действующем ГОСТ 17047-71 «Каски шахтерские пластмассовые. Технические требования. Методы испы­ таний» говорится, что каска должна обеспечивать защи­ ту головы работающего от ударной нагрузки с энергией 5,5 кгс-м при амортизации энергии удара не менее 75%. В этом случае голова человека испытывает нагрузку, равную энергии удара 1,4 кгс-м. Эта величина не име­ ет научно обоснованного подтверждения, что в извест­ ной степени снижает ценность данного документа.

Я. А. Купч, Т. Ж. Валдовскис, Н. Я- Путинный (1975) изучали характер черепно-мозговых травм в за­ висимости от конструкции защитных шлемов. В основу работы положен анализ 140 случаев аварий на мото­ циклах и около 100 экспериментов, проведенных автора­ ми для определения амортизационных свойств мото­ шлемов различных видов и из различного материала. Из анализа дорожно-транспортных происшествий авто­ рами было установлено, что наиболее часто повреждаю­ тся переднебоковой сегмент шлема и лобно-височная область головы.

Амортизационные свойства шлемов определялись ими на испытательном стенде, который состоял из осно­ вания, макета головы с одетым защитным шлемом, сво­ бодно падающего тела. Удар наносился в нескольких точках верхней части защитного шлема с энергией 125 Дж (около 13 кгс-м). Кроме того, исследовали экспери­ ментальные модели шлемов, у которых традиционная экипировка ремнями была заменена выстланным слоем пенопласта толщиной 1 см по всей внутренней поверх­ ности шлема.

Боковая жесткость мотошлемов определялась в про­ дольном и поперечном направлениях, для чего послед­ ние подвергались сжатию. Начальная нагрузка 300 Н (~30 кгс), оптимальная 630 lH (—63 кгс). Максималь­ ная деформация шлема измерялась при максимальной Нагрузке, а после снятия нагрузки определялась оста-

точная деформация. Результаты исследовании показали, что недостатком используемых шлемов является непол­ ноценность материала (полиэтилен) и изношенность (несостоятельность крепления экипировки, растяжение амортизационных ремней). Наиболее качественную амортизацию имеют шлемы, покрытые изнутри пено­ пластом. Полученные авторами данные использованы при разработке Государственного стандарта для мото­ шлемов.

Коллективом кафедры судебной медицины I ММИ имени И. М. Сеченова совместно со специалистами Института биофизики Министерства здравоохранения

СССР и Московского института стали и сплавов (А. П. Громов, Н. П. Пырлина, В. И. Потапов и др., 1976) проведены исследования по (биомеханическому обоснованию требований к защитной каске. Исследова­ ния проводились для разработки ГОСТ на защитные каски для наземных рабочих, стандарт на которые отсут­ ствует. Необходимость разработки стандарта (была выз­ вана тем, что в настоящее время каски в недостаточной мере защищают голову рабочего от падающих предме­ тов. До настоящего времени не были проведены биоме­ ханические исследования по обоснованию допустимых максимальных величин нагрузок на голову человека в защитной каске.

Целью нашей работы явилось проведение исследова­ ний по определению критических нагрузок на голову человека в защитной каске и выдача рекомендаций по допустимым величинам ударных нагрузок для защит­ ных касок. Анализ литературы показал, что большинст­ во авторов приводят цифровые величины по ударным нагрузкам при действии на незащищенную голову (кон­ центрированный удар). При ударе по голове в защитной каске энергия концентрированного удара распределяет­ ся на голову через оснастку каски, т. е. в данном слу­ чае имеет место рассредоточенный удар. При разработ­ ке величин по ударостойкости касок необходимо преж­ де всего исходить из повреждающего эффекта рассре­ доточенного удара, однако точных научных данных по этому вопросу в литературе нет.

В задачи нашего исследования входило: 1) разра­ ботка методики по определению истинных амортиза­ ционных свойств специальной каски с «нулевой» амор­ тизацией, дающей возможность изучить действие на го-

162

лову человека рассредоточенного удара: 2) разработка методики регистрации нагрузок, действующих на голову

и.позвоночник биомане-кена (трупа) в каске с нулевой амортизацией; 3) проведение исследований на биоманекенах по установлению критических нагрузок на голову

ипозвоночник в защитной каске с нулевой амортиза­ цией при центральном и боковом ударах различной си­ лы с регистрацией физических параметров ударного воздействия; 4) установление величины нагрузки, спо­ собной обусловить повреждения мягких тканей и костей черепа при указанных направлениях воздействия; 5) вы­ дача рекомендаций по допустимым величинам ударных нагрузок, на которые должна быть рассчитана каска, предназначенная для защиты головы рабочих от меха­ нических повреждений.

Первоначальные исследования -были направлены на разработку соответствующей аппаратуры и приспособ­ лений для изучения действия рассредоточенного удара. Провести исследования, используя защитные каски, вы­ пускаемые промышленностью, не представлялось воз­ можным, так как данные каски имеют большую аморти­ зацию (до 75—85%) и не выдерживают [больших удар­ ных нагрузок. Для осуществления этих работ Институ­ том биофизики Министерства здравоохранения СССР

совместно с кафедрой судебной медицины I ММИ имени И. М. Сеченова -была разработана и изготовлена специ­ альная каска с практически нулевой амортизацией. Эта каска давала возможность изучать действие на голову человека рассредоточенного удара любой силы. В ре­ зультате данной работы был создан новый метод по оп­ ределению степени ударостойкости защитной каоки с использованием тензометрических датчиков.

В .настоящее время за-воды-изготов-ители для испытания защит­ ных касок используют методику, изложенную в ГОСТ 17047-7!. Сущность этой методики заключается в том, что усилие удара по защитной каске, надетой на болванку, рассчитывают по диаметру отпечатка стального шарика на алюминиевой пластине, на которую это усилие передается через каску и болванку.

Расчет ведется по формуле:

(8.1)

где Fn — переданное через защитную каску усилие (кгс); D — диа­ метр шарика (мм); R — показатель твердости алюминиевой пластин­ ки по Бринеллю (кгс/см2); <4Р — средний диаметр отпечатка (мм).

Рис. 39. Устройство для испытания касок с ша­ риком (а) и с мессдозой (б).

1 — платформа; 2 — основа­ ние; За — стальной шарик; Зб — мессдоза; 4 — болванка; 5а — каска; 56 — прокладка; 5 — алюминиевая пластина.

В предложенной нами методике использовался принцип мето­ дики ГОСТ 1707-71, но вместо узла со стальным шариком устанав­ ливалась мессдоза (рис. 39), представляющая собой стальной за­ каленный цилиндр с наклеенными на внешней боковой поверхности фольговыми тензодатчиками (рис. 40).

Электрический сигнал, снимаемый с мессдозы, подавали на вход тензоусилителя, и усиленный сигнал с выхода усилителя ре­ гистрировался шлейфовым осциллографом Н-115. Для расшифров­ ки записанного на осциллограмме сигнала использовали тарировочные графики, полученные при испытаниях мессдозы на сжатие с помощью механического пресса.

Преимущество применяемой в нашем исследовании методики состояло в том, что отпала надобность производить перерасчет и, кроме того, запись сигнала на шлейфовом осциллографе давала возможность проследить развитие нагрузки на мессдозе во времени.

Для регистрации нагрузок, воздействующих на голову человека при ударе по защитной каске, были использованы специальные мессдозы (рис. 41), которые можно устанавливать в пространстве

между внутренней поверхностью защитной каски и поверхностью

головы. Данная мессдоза имеет высоту 15 мм, между основанием

164

Рис. 40. Мессдоза для измерения общего усилия удара.

/ — рабочий тензодатчик; 2 — компенсационный тензодатчик; 3 — крышка; 4 — корпус мессдозы.

(2) и крышкой (1) мессдозы расположена мембрана (3) с наклеен­ ным на ее поверхности мембранным фольговым тензодатчиком (4). Все детали мессдозы изготовлены из легированной стали и закалены. Под защитной каской устанавливались четыре мессдозы, причем точ­ ки крепления мессдоз могли перемещаться, что давало возможность измерять распределение усилий, действующих со стороны защитной каски на голову. Применяемая многоканальная аппаратура давала возможность записывать одновременно сигналы всех мессдоз.

Для определения амортизационных свойств защитной каски сначала требовалось измерить усилия, вызываемые падающим грузом при ударе по незащищенной болванке. Затем на болванку надевали защитную каску и измеряли усилия Fn, возникающие на болванке, защищенной каской, при падении того же груза и с той же высоты.

Амортизацию (А) в процентах вычисляли по формуле:

Ртах (сила удара по болванке, не защищенной каской, в кгс) вычис­ ляли по формуле:

При измерении усилия Ртах на болванку устанавливали груз (стальную прокладку, изготовленную с учетом сферической формы болванки) массой, равной массе испытуемой защитной каски, что позволяло избежать разницу в условиях испытаний.

Для проведения контрольных исследований и определения поро­ говых нагрузок, а также характера повреждений незащищенной кас­ кой головы биоманекена при центральном и боковом ударах ис­ пользовался стенд динамических испытаний и стальной шар массой 3 кг, свободно падающий вниз.

Для нанесения центрального удара в лобно-теменную область головы без защитной каски, а также в каске с нулевой амортизацией биоманекен размещали в положении сидя, прислоненным спиной к неподвижной вертикальной преграде. Голову фиксировали в вер­ тикальном положении с помощью растяжек. Для ограничения воз-

165

ществлялся также с помощью специального пневматического стенда. Этот стенд позволяет наносить импульсную ударную нагрузку в лоб- но-теменную область головы. Существенной частью стенда является силовой пневмоцилиндр, работой которого управляет электроклапан. Шток пневмоцилиндра с навинченной на его конец ударяющей го­ ловкой в виде стальной полусферы диаметром 8 см приводится в движение действием сжатого воздуха. Биоманекен размещали в позе лежа н»а спине, причем его туловище фиксировали к горизонтальному основанию стенда привязной системой, а шею — отмоделированным по ее форме деревянным бруском, что делало невозможным ее сги­ бание во время удара. Величину нагрузки и время ее действия ре­ гистрировали на осциллографе К-20-21 путем непосредственной запи­ си осциллограмм на бумажной фотопленке.

Для экспериментов подбирали трупы лиц мужского (82) и женского пола (9) в возрасте от 20 до 60 лет, среднего питания, с умеренно выраженным трупным окоченением, без последствия каких-либо заболеваний костной системы и при отсутствии каких-либо повреж­ дений.

После .проведения экспериментов исследовали состоя­ ние мягких тканей головы, костей свода и основания че­ репа, оболочек и вещества головного мозга, а также тканей и костей шейного отдела позвоночника. Наличие повреждений отмечалось в протоколе, свод и основание черепа с повреждениями изымали для более детального изучения.

В каждом случае измеряли толщину «остей черепа на распиле: лобной, височной, теменной, затылочной, а также толщину кости в месте удара. До вскрытия чере­ па устанавливали размеры головы: прямой и попереч­ ный. -Это дало возможность судить о распределении нашего материала (биоманекенов) по форме черепа, причем долихокра.нные черепа составили 26,5%, мезсь кранные — 22,4%, брахикранные — 51,1 %,

166

Исследованию подвергались также защитные каски «Труд» и «Шахтер», изготовленные Узловоким заводом пластмасс для практического использования. Испытания их амортизационных свойств проводили также с по­ мощью мессдоз, что дало возможность сравнить полу­ ченные результаты с заводскими испытаниями по мето­ дике ГОСТ 17047-71.

специальных касок с нулевой амортизацией и характе­ ру распределения нагрузки по поверхности болванки при центральном ударе. С этой целью были проведены четыре серии экспериментов на болванках по описан­ ной выше методике.

В первой серии экспериментов определяли усилия, возникающие при падении на незащищенную каской болванку грузом различной массы и с различной высо­ ты, что позволило получать диапазон энергий удара от 1,5 до 12 кгс-м (52 эксперимента). При этом изучали зависимость усилия удара от энергии падающего пред-

167

мета, от ЁЫсбты Падения груза й скорости падающего груза в момент соударения его с болванкой. Было уста­ новлено, что усилие удара находится в сложной зависи­ мости от многих факторов, иоэтому при стандартных испытаниях защитных касок следует обязательно соб­ людать не только постоянство энергии удара, но и по­ стоянство массы груза и высоты его падения.

В задачу второй серии экспериментов входило опре­ деление амортизационных свойств металлических касок с наличием оснастки и без таковой. Испытания проводи­ ли при энергиях удара 3 и 5 кгс-м (грузы массой 3 и 5 кг, высота падения 1 м). На 3 касках проведено 20 экс­ периментов. Степень амортизации испытанных касок оп­ ределялась по приведенной выше методике и составила 40—50%. Поскольку программой нашего исследования предусматривалось использование касок с нулевой амор­ тизацией, испытанные каски были забракованы как не соответствующие предъявляемым требованиям.

В третьей серии экспериментов проводили испытание сконструированных нами более прочных металлических касок с жесткой оснасткой (каска № 3). Было проведе­ но 27 экспериментов с грузами массой 2, 3 и 4 кг, па­ дающими с высоты 0,5; 0,75; 1; 2 м. Исследования этой серии показали, что хотя амортизационные свойства данной каски удовлетворительны (8—10%), использо­ вать ее для последующих многократных испытаний нель­ зя, поскольку крепление оснастки недостаточно.

В четвертой серии эксперименов (всего 50) испытывалась каска № 4, которая представляла собой усовер­ шенствованную каску № 3 с амортизацией менее 8% и с усиленной оснасткой. Эксперименты проводили с при­ менением груза массой 3 кг при высоте падения 1,5 м. Мессдозы в этих опытах размещали на каске в четырех областях: лобной, затылочной, правой и левой темен­ ных. В исходном (первом) положении мессдозы локали­ зовались на расстоянии 5 см от центра удара, затем их перемещали с шагом 1 см до расстояния 11 см. Несмот­ ря на одну и ту же энергию удара, суммарная нагрузка с четырех мессдоз изменялась, достигая максимального значения на расстоянии 10 см от центра удара. Экспе­ рименты последней серии, кроме того, показали, что каска № 4 отвечает требованиям последующих исследо­ ваний на биоманекенах, поскольку имеет очень незна­ чительную амортизацию, приближающуюся к нулевой.

168

Основной задачей наших исследований по биомеха­ ническому обоснованию защитной каски являлось опре­ деление критических нагрузок на голову биоманекена без защитной каски и в каске с. нулевой амортизацией при центральном и боковом ударах. Для этого было проведено 5 серий экспериментов (всего 91 наблюдение) на биоманекенах: три серии по установлению критиче­ ских нагрузок на голову биоманекена без защитной кас­ ки (56 наблюдений) и 2 серии экспериментов по опреде­ лению критических нагрузок на голову биоманекена в каске с нулевой амортизацией (35 наблюдений) при центральном и боковом ударах.

В первой серии экспериментов (22 .наблюдения) на­ несение центрального удара в лобно-теменную область головы производилось шаром массой 3 кг при высоте падения 167—175 см, причем нагрузка (энергия удара) составила от 5,01 до 5,55 кгс-м.

Во всех 22 экспериментах на месте удара возникали повреждения мягких тканей — ушибленные раны линей­ ной, звездчатой, трехлучевой и зигзагообразной формы с кровоизлияниями в окружающие мягкие ткани. Толь­ ко в одном случае повреждение мягких тканей имело вид ссадины 3X2 см. Величина ран, как правило, не превышала 3X3,5 см, отслоение краев было небольшое (0,5—1,5 см). Иногда раны проникали до апоневроза. Кровоизлияния в мягких тканях были незначительными (в среднем 3,5X3 см, толщиной 0,1—0,3 см) в силу их посмертного происхождения и образования ран, делаю­ щих возможным истечение крови из тканей наружу.

Костные повреждения отмечались в 2 наблюдениях при работе удара 5,25 кгс-м, толщине костей в месте удара 0,4 см в возрастной группе 40—49 лет. Повреж­ дения имели вид трещин внутренней пластинки темен­ ных костей, локализующихся вблизи сагиттального шва. В одном наблюдении передний конец трещины левой теменной кости длиной 2,5 см достигал венечного шва, а задний отстоял от сагиттального шва на 1,5 см. Во втором случае возникли множественные трещины внут­ ренней пластинки обеих теменных костей: трещина дли­ ной 2,8 см проходила по правой и левой теменным кос­ тям в направлении оправа налево, сзади наперед, пере­ секая сагиттальный шов. От заднего конца ее в области правой теменной кости отходила трещина дугообразной формы длиной 1 см; от передней половины трещины в

169

области левой теменной кости отходила третья трещина длиной 0,8 см.

Во второй серии экспериментов (всего 15 наблюде­ ний) центральный удар производился полусферой в лобно-теменную область головы на пневматическом стенде с нагрузкой от 160 до 380 кгс и временем дейст­ вия 0,03-—0,06 с. Во всех случаях на месте удара в лобно-теменной области образовывались ушибленные раны, по характеру сходные с теми, которые получались при ударе шаром. Однако в ряде случаев они имели бо­ лее крупные размеры (до 5X6 см), а разрывы их краев достигали длины 4 см.

Костные повреждения наблюдались в 12 случаях. Трещины имели место в 5 случаях при нагрузках 250 кгс и более. Они локализовались по краям от стреловидно­ го шва или начинались от него обычно на расстоянии 2—3 см от венечного шва, достигая длины 2,5—5 см. В 3 наблюдениях при нагрузках 360—380 кгс и времени ее действия 0,05—0,06 с, кроме трещин внутренней плас­ тинки, отмечались растрескивания стреловидного шва.

Востальных 4 наблюдениях произошли переломы костей (нагрузка 300—380 кгс, время ее действия 0,04— 0,06 с, толщина костей в месте удара 0,3—0,5 см). В 2 случаях отмечались переломы лобной кости, начинаю­ щиеся от места соединения венечного и стреловидного швов и распространяющиеся до надпереносья. В одном случае при нагрузке 315 кгс и толщине костей в месте удара 0,3 см образовался дырчатый перелом округлой формы диаметром 4 см с отходящими от .него двумя пе­ реломами лобной и левой теменной костей, переходящи­ ми на основание черепа. Череп имел значительную вы­ пуклость в лобно-теменной области, чем и можно объ­ яснить образование дырчатого перелома.

Водном из экспериментов при нагрузке 300 кгс, вре­ мени действия 0,04 с в лобно-теменной области справа от стреловидного шва в месте удара образовались тре­ щины наружной костной пластинки правой теменной кости звездчатой формы, одна из которых продолжалась

ввиде перелома к правому теменному бугру. От этой основной линии перелома в верхнем его отделе и в об­ ласти правого теменного бугра отходили кпереди и кза­ ди дополнительные переломы, как бы окружающие те­ менной бугор сзади, вследствие чего можно было ду­ мать о втором ударе.

170