4 курс / Лучевая диагностика / Биомеханика_травмы_повреждения_головы,_позвоночника_и_грудной_клетки

Образование указанных переломов на значительном расстоянии от места воздействия связано, по-видимому, с лерерастяжением костей вследствие деформации дан­ ной области. Толщина правой теменной кости была равна 0,35 см, левой — 0,3 см, лобной — 0,4 см. Повреж­ дений тканей области позвоночника в этой серии экспе­ риментов, как и в предыдущей, не наблюдалось.

В третьей серии экспериментов (19) нанесение боко­ вого удара в теменно-височную область головы биомане­ кена производилось шаром массой 3 кг при высоте па­ дения 175—'200 см. Удары наносили в левую и правую височно-теменные области. (При 'боковом ударе работа (энергия) удара при той же массе шара 3 кг по сравне­ нию с центральным ударом возросла из-за увеличения высоты падения и составила 5,25—7,11 кгс-м. Во всех случаях наблюдались повреждения мягких тканей в виде ушибленных ран (16) и ссадин (3) с кровоизлия­ ниями в подкожную клетчатку, а иногда при вдавлен­ ных переломах и в височную мышцу.

Костные повреждения в данной серии экспериментов имели место в 13 экспериментах из 19. Они возникали более часто, чем при центральном ударе, что объясняет­ ся главным образом отсутствием амортизирующего влияния позвоночника и меньшей толщиной костей, особенно височной.

Следует подчеркнуть, что повреждения костей в этой группе экспериментов встретились во всех возрастных группах, включая 20—29 лет.

Костные повреждения в виде трещин (6) теменной и височной костей появлялись при работе удара 5,25—• 7,11 кгс-м, когда толщина костей в месте удара была от 0,4 до 0,6 см. Трещины в трех случаях имели дуго­ образную форму или приближались к таковой как на

На^ внутренней же пластинке трещина носила прерывис­

171

В других 7 экспериментах образовались вдавленные переломы теменной части (4), теменной и височной (3). Они возникали про работе удара 5,25 кгс-м (2), 5,49— 5,55 кгс-м (3), 6,18—6,91 «гс-м (2). В первых 5 наблю­ дениях толщина костей в месте удара была 0,3—0,4 см, в последних двух — 0,5—0,6 см. Все вдавленные перело­ мы были весьма сходны между собой: имели характер­ ную округлую форму, диаметр их был равен 4—4,5 см, глубина вдавления— от 0,3 до 1,5 см. В 2 случаях при небольшой глубине вдавления перелом имел характер терассовидного.

Таким образом, в проведенных нами первой, второй и третьей сериях экспериментов при центральном и бо­ ковом ударах по незащищенной голове (концентриро­ ванный удар) во всех случаях на месте удара возникали повреждения мягких тканей — раны и ссадины, сопро­ вождавшиеся образованием посмертных кровоизлияний. Костные повреждения при воздействии шара массой 3 кг, как при центральном, так и при боковом ударах, появлялись при работе (энергии) удара 5,25 кгс-м и локализовались в месте приложения действующей силы (прямые переломы).

Интересно отметить, что полученные нами данные о величине критической нагрузки при концентрированном центральном ударе полностью совпадают с результата­ ми исследований американских ученых Е. ФонТирке и Дж. В. Бринкли, опубликованными в совместном со­ ветско-американском издании «Основы космической био­ логии и медицины» (1975). Авторы установили, что по­ вреждение «остей черепа при незащищенной голове возникает при скорости соударения 4,58 м/с летящим снарядом массой 4,54 кг, что в перерасчете соответствует работе (энергии удара) 5,25 кгс-м.

Толщина костей свода черепа при наличии повреж­

хокранная, мезокранная) не оказывало влияния на час­ тоту костной травмы.

В экспериментах, проведенных на пневматическом стенде, «роме ударной нагрузки на голову, создавалась компрессионная нагруз«а по оси позвоночника. При этом повреждений шейного отдела позвоночника мы не наблюдали, что можно объяснить относительно неболь­ шой величиной динамической нагрузки (не превышала

172

380 кгс) й кратковременностью ее воздействия (0,03—

0,06 с) - Согласно данным литературы, при вертикальном

ударе по голове повреждения шейных позвонков воз­ можны, если удар эквивалентен статическому усилию 1200 фунтов, т. е. 544 кгс (R. W. Webster, 1963). Боль­ шое повреждающее значение статических нагрузок по сравнению с динамическими доказано в (экспериментах на биоманекенах при моделировании травмы позвоноч­ ника (А. П. Громов, Н. П. Пырлина и др., 1970).

Для установления критических нагрузок на голову биоманекена в каске с нулевой амортизацией при цент­ ральном и боковом ударах проведены две серии экспе­ риментов.

В первой серии (20 экспериментов) нанесение цент­ рального удара в лобно-теменную область головы осу­ ществлялось грузами массой 3, 4, 5, 6 кг при высоте падения 1,40—1,66 м.

Регистрацию нагрузки производили с четырех точек наружной поверхности головы (лобной, затылочной, ле­ вой и правой теменных). За характеристику ударного воздействия принята сумма нагрузок с четырех мессдоз. Расстояние от центра удара до точек измерения мессдозой составляло 5—8 см. Величина нагрузки (работа удара) в опытах 'колебалась от 4,2 до 9,6 кгс-м.

В результате проведенных экспериментов в 8 слу­ чаях (при работе удара 4,5—7,98 кгс-м и толщине кос­ тей 0,5—0,7 см) получены кровоизлияния в мягкие тка­ ни головы в местах расположения мессдоз (контактные повреждения). Кровоизлияния возникали преимущест­ венно в ло'бной и затылочной областях, имели округлую форму, достигая размеров 3X3 см и толщины 0,2— 0,3 см.

В 3 случаях произошли переломы костей основания черепа в пределах передних черепных ямок (непрямые переломы). Они отмечались при работе удара 8,4— 9 кгс-м. Толщина костей свода на распиле при этом бы­ ла равна 0,4—0,5 см. Толщина крыш глазниц, в области которых произошли переломы, не превышала 0,10— 0,15 см. Переломы образовались у трупов лиц мужского пола в возрасте 49, 50 и 51 года, черепа которых имели брахикранную форму.

В одном из этих случаев перелом локализовался в наружной части крыши правой глазницы, где линия

173

перелома имела форму неправильного овала и ограни­ чивала костный отломок размерами 3X2 см, связанный с твердой мозговой оболочкой, которая не была повреж­ дена. В другом наблюдении перелом длиной 6 см про­ ходил в сагиттальном направлении по крыше левой глазницы и распространялся на левое надбровье. В третьем эксперименте перелом длиной 5 см захваты­ вал обе передние черепные ямки и проходил по ходу шва между крышами глазниц, решетчатой костью и ма­ лыми крыльями основной кости. От него по крыше пра­ вой глазницы проходила трещина длиной 2 см. В ос­ тальных экспериментах костные повреждения не обна­ руживались (толщина костей 0,5—0,7 см).

Сравнение суммарных нагрузок, которые возникали на болванке и на голове 'биоманекена, позволило уста­ новить, что за счет амортизации позвоночника нагрузка в среднем снижается на 31%. При этом повреждения шейного отдела позвоночника биоманекена не отмеча­ лись.

Кроме определения критических нагрузок на голову биоманекена, защищенную каской с нулевой амортиза­ цией, проводились исследования по установлению рас­ пределения нагрузки по голове биоманекена в той же каске при центральном ударе и сопоставлению этих дан­ ных с полученными на болванке. Исследования показа­ ли, что распределение нагрузок на голове биоманекена в основном тождественно таковому на болванке и ха­ рактеризуется увеличением их от центра удара к пери­ ферии на протяжении 7—10 см. Вместе с тем распреде­ ление усилий на голове биоманекена более равномер­ ное, чем на болванке, независимо от расстояния до центра удара.

Во второй серии 'экспериментов (15) нанесение боко­ вого удара в теменно-височную область головы биома­ некена в каске с нулевой амортизацией осуществлялось грузом массой 6 кг при высоте падения 1,5 м. Работа (энергия) удара во всех случаях составляла 9 кгс-м.

Данная серия экспериментов проведена с примене­ нием только этой большой нагрузки, поскольку ее спо­ собность вызвать повреждения уже была выявлена в предыдущей серии опытов при центральном ударе. Ре­ гистрация нагрузки проводилась с трех мессдоз, а не с четырех, потому что конструкция каски не позволила разместить более трех. При боковом ударе мессдозы

174

располагались в теменно-височной области головы на расстоянии 3, 4, 5, 6 см от центра удара.

Кровоизлияния в мягкие ткани височно-теменной области в местах расположения мессдоз образовались в 3 случаях, .причем в одном из них они были довольно значительными (5X2 см) и локализовались в области чешуи правой височной кости. Повреждения костей в этих наблюдениях не произошло.

Костные (повреждения отмечались в 2 случаях на трупах лиц мужского пола в возрасте 51 года и 52 лет, черепа которых имели долихокранную форму. В обоих случаях произошло расхождение височно-теменныхшвов

внаиболее выпуклой их части на протяжении 4 и 5 см

стрещинами наружной и внутренней пластинок темен­ ных костей. Толщина теменных костей, на которых об­ разовались трещины, была 0,4 см, толщина височных костей — 0,4 и 0,35 см.

Востальных 13 экспериментах каких-либо костных повреждений при той же нагрузке не произошло. Тол­ щина теменных костей в этих случаях была 0,4—0,6 см,

удара в теменно-височную области головы биоманекена в каске с нулевой амортизацией показали довольно большие различия в величине критической нагрузки и характере повреждений головы по сравнению с теми, которые наблюдались в экспериментах без применения каски.

Костные повреждения головы, не защищенной кас­ кой, при концентрированном ударе возникали в местах приложения удара с энергией 5,25 кгс-м. Костные по­ вреждения головы в каске с нулевой амортизацией, обеспечивающей рассредоточенный центральный удар, возникали уже на основании черепа в пределах перед­ них черепных ямок. Повреждения образовывались ири значительно большей энергии удара (8,4—9 кгс-м). Та­ кая же критическая нагрузка установлена и для боко­ вого удара. Однако при боковом ударе образовавшиеся повреждения более характерны для локального (нерассредоточенного) удара, поскольку они возникали в зоне Действия нагрузки, т. е. в теменно-височной области,

175

куда наносился удар. Возможно, что в условиях наше­ го эксперимента образованию локальных повреждений способствовало наличие в узком подкасочном простран­ стве измерительных устройств — мессдоз, через которые нагрузка передавалась на кости черепа, хотя контакт­ ные повреждения мягких тканей на месте мессдоз на­ блюдались не только при боковом, но и центральном ударах.

Нельзя исключить, что получение рассредоточенного удара при воздействии ударной силы сбоку вообще бо­ лее затруднительно, так как удар приходится ближе к краю каски, а не на верхнюю центральную ее часть, имеющую выраженную сферическую поверхность, по которой нагрузка может распределяться во все стороны.

в том числе и височно-теменной области, от нагрузок, значительно превышающих те, которые вызывают повреждения в этой области при концентрированном ударе.

Полученные нами экспериментальные данные позво­ лили по-иному подойти к оценке допустимых величин ударных нагрузок на голову человека в защитной кас­ ке. В частности, данные Е. Т. Трубникова (1971) о кри­ тической нагрузке при рассредоточенном ударе 5,5'кгс-м, как вызывающей повреждения костей черепа, в наших экспериментальных исследованиях не получили подт­ верждения.

Проведенные нами исследования не могут дать пря­ мого ответа о тех величинах ударных нагрузок, кото­ рые вызывают сотрясение головного мозга, так как оп­ ределение сотрясения головного мозга на биоманекенах ни визуально, ни микроскопически не представляется возможным. Исследованиями было установлено, что костные повреждения по незащищенной голове при кон­ центрированном ударе возникают при ударе с энергией 5,25 кгс-м, тогда как каска с нулевой амортизацией защищает голову от данных повреждений. В этом слу­ чае костные повреждения при рассредоточенном ударе наступают при ударе с энергией 8,4—9 кгс-м.

Можно предположить, что при рассредоточенном ударе и сотрясение мозга наступает при ударе с большей энер-, гией, чем при концентрированном. Отсюда величина 1,4 <кгс-м, предусмотренная ГОСТ 17047-71 как абсолют-

176

но безопасная для человека в защитной каске, являет­ ся, по всей вероятности, заниженной.

' В этом отношении особого внимания заслуживает упомянутая выше работа американских исследователей Хеннига Е. фон-Гирке и В. Бринкли (1975), которые установили не только порог повреждения костей черепа, но и порог сотрясения головного мозга. Установленная авторами энергия удара, повреждающая костную ткань, в полной мере согласуется с величиной, полученной в наших экспериментах. По данным вышеуказанных авто­ ров, порог относительно «безопасного» сотрясения мозга наблюдается при действии тела массой 4,54 кг при ско­ рости соударения 3,05 м/с, что соответствует работе уда­ ра 2,15 кгс-м (при концентрированном ударе). Можно предположить, что при рассредоточенном ударе энергия величиной 2,15 кгс-м не вызовет сотрясения мозга.

Таким образом, учитывая результаты эксперимен­ тальных исследований, а также данные литературы, мы рекомендовали изготовление защитных касок с 'большей ударостойкостью, чем это предусмотрено в настоящее время ГОСТ 17047-71.

Результаты наших исследований показали, что для защиты головы от ударов падающими сверху предмета­ ми, каска должна выдерживать нагрузку с энергией удара 8,6 кгс-м (при 75% амортизации), что соответст­ вует ударной нагрузке шаром массой 4,78 кг, падающим с высоты 1,8 м. В этом случае голова человека будет испытывать рассредоточенный удар с энергией около 2,15 кгс-м.

Получив такие результаты, мы решили выяснить ка­ кой ударостойкостью и степенью амортизации обладают изготовляемые в настоящее время каски. С этой целью проведены испытания касок по методике, рекомендуе­ мой в ГОСТ 17047-71 «Каски шахтерские пластмассо­ вые. Технические требования. Методы испытаний», с применением метода измерения усилий удара тензометрическими мессдозами. Испытывали три образца касок: 1) каска типа «Труд» с жестким полиэтиленовым амор­ тизатором, 2) каска типа «Труд» с матерчатым аморти­ затором, 3) каска типа «Шахтер» с полиэтиленовым амортизатором.

В результате испытаний установлено: степень амор­ тизации касок составила 83—86%. С учетом получен­ ной степени амортизации энергия, переданная на бол-

Глава (X

БИОМЕХАНИКА

ПОВРЕЖДЕНИЙ

ПОЗВОНОЧНИКА

Условия и механизм повреждений позвоноч­ ника, являющегося главной опорой тела, чрезвычайно разнообразны. Они наблюдаются при различных тран­ спортных происшествиях, падениях с высоты, спортив­ ных и бытовых травмах, при производственном травма­ тизме и т. д. Особенности повреждений позвоночника в зависимости от механизма травмы изучены еще недоста­ точно, в связи с чем возникает необходимость специаль­ ных биомеханических исследований различных механиз­ мов травмы позвоночника. Эти исследования помогут клиницистам для диагностики и лечения повреждений позвоночника, экспертам для их медико-юридической оценки, инженерам для создания различных устройств по предотвращению травмы позвоночника.

Среди различных факторов, которые приходиться учитывать в процессе биомеханических исследований устойчивости (позвоночника механическим воздействиям, более всего поддаются изучению прочностные свойства позвонков, межпозвонковых дисков и связочного аппа­ рата. Однако прочность отдельных позвонков, их ком­ плексов и особенно позвоночника в целом изучена еще недостаточно (Ю. М. Аникин, 1972; Ю. М. Аникин, М. М. Карманская, 1975; F. L. Evans, 1962). Это связа­ но с тем, что изучение устойчивости позвоночника к на­ грузке не могло проводиться в экспериментах на жи­ вотных из-за высокой специфичности строения скелета человека. Поэтому большинство биомеханических иссле­ дований позвоночника и отдельных позвонков произво-

дилось на трупном материале. Однако небольшой и, как правило, разнородный (по лолу, 'возрасту, причинам смерти) экспериментальный материал не позволяет де­ лать обобщенных выводов.

Существенный вклад в разработку данной проблемы внесли С. А. Гозулов, В. А. Корженьянц, В. Г. Скрыпник (1972). Авторы изучали механические свойства по­ звонков на машине типа ZDM со скоростью нагружения 10 мм/мин при комнатной температуре. Всего было ис­ следовано 380 позвонков от трупов мужчин, умерших скоропостижно в возрасте 19—40 лет, причем время до начала эксперимента не превышало 30 ч после смерти. Опорные поверхности тел позвонков моделировались сплавом Вуда, что обеспечивало равномерное распреде­ ление нагрузки при сжатии. Заливка сплавом обеих поверхностей производилась с соблюдением условия их параллельности и совпадения с горизонтальной плос­ костью, что позволяло создавать силовую нагрузку строго по вертикальной оси тел позвонков.

В ходе каждого испытания определялась сила, с ко­ торой позвонок сопротивляется сжатию. Оценка по­ вреждений производилась на сухих костях после маце­ рации или на декальцинироваиных препаратах. На сухих позвонках отчетливо определялись даже незна­ чительные поверхностные повреждения. Декальцинация позволяла выявлять на послойных срезах препаратов повреждения не только костных, но и связочно-хрящевых элементов позвоночника.

Полученные данные о средней величине предела прочности позвонков приведены в табл. 6. Из таблицы видно, что наибольшие нагрузки выдерживали IV и V поясничные позвонки, наименьшие'—III и IV шейные; II и главным образом I шейные позвонки в связи с осо­ бенностями их анатомического строения оказывались более прочными, чем другие шейные позвонки. Авторы установили также общую тенденцию увеличения пре­ дела прочности от III шейного позвонка к V пояснич­ ному. Это увеличение более отчетливо выражено в ниж­ ней части грудного и в поясничном отделах.

Прочностные свойства костной ткани тела позвонка определялись по удельной прочности, т. е. нагрузке, приходящейся на 1 см2 площади его верхней погранич­ ной пластинки. Эксперименты показали, что эта вели­ чина достигает наибольшего значения (117—155кгс/см2)

180