4 курс / Лучевая диагностика / Биомеханика_травмы_повреждения_головы,_позвоночника_и_грудной_клетки

Глава III

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ЖЕСТКОСТИ КОСТЕЙ СВОДА ЧЕРЕПА

Изучение прочности и жесткости костей свода черепа с применением методов, используемых в науке о сопротивлении материалов, началось еще в прошлом столетии (П. Ф. Лесгафт, 1892; A. A. Pauber, 1876; С. Hulsen, 1898, и др.). За последние годы это напра­ вление получило быстрое развитие, что связано с ис­ пользованием данных о механических свойствах костей черепа в научных и практических целях.

Несмотря на большой прогресс науки о сопротивле­ нии материалов, изучение на ее основе механических свойств костей черепа затруднено не только необыч­ ностью формы этого образования и относительно неболь­ шими его размерами, но значительными возрастными, половыми и индивидуальными отличиями. Эти особен­ ности не могли не сказаться на методах и результатах исследования костей черепа, свойства которого как материала изучены еще недостаточно. Например, для определения предела прочности на растяжение, сжатие или удар необходимо изготовлять относительно крупные образцы стандартной формы и размеров, что в силу анатомических особенностей строения черепа трудно или совершенно невыполнимо. Отсюда не случайно, что исследованию прочности и жесткости костей свода че­ репа посвящено весьма небольшое число работ.

Более многочисленны работы по изучению механи­ ческих свойств других костей скелета. Сравнение ре­ зультатов последних с данными о механических свойст­ вах костей свода черепа показывает, что в основе уста­ новления физических характеристик прочности и жесткости для любых костей лежат одни закономернос­ ти. Вместе с тем анатомические особенности строения костей черепа обусловливают и определенные отличия их механических свойств по сравнению с другими кос-

43

тями и в первую очередь трубчатыми. С другой сторо­ ны, упомянутые трудности изучения механических свойств костей черепа приводят к большому многообра­ зию методов исследования и разнообразию выбора ма­ териала, что обусловливает значительную противоречи­ вость получаемых результатов.

Исследователи изучали механические свойства цело­ го черепа или прочность и жесткость образцов костей черепа при разных видах деформации, свойства от­ дельных компонентов костей свода черепа (наружная и внутренняя компактные пластины, диплоэ). Экспери­ менты проводились на консервированных и нативных образцах костей животных и человека при статических

идинамических нагрузках.

F. L. Evans, H. R. Lissner (1957) установили средний предел прочности консервированных теменных костей,

который при растяжении по длиннику составляет 900 г/см2, а при сжатии в переднезаднем направлении—• 1780 г/см2. При этом они выявили разницу в свойствах левых и правых теменных костей в зависимости от ви­ да деформации. По их данным, правая теменная кость оказывает большее сопротивление при растяжении, а левая — при сжатии. Достоверность полученных резуль­ татов снижается тем, что авторы не учитывали возраста, степени кривизны и некоторых других факторов, пыта­ ясь лишь по одному образцу делать выводы о свойст­ вах теменных костей в целом.

Е. К. Frankel (1956) изучал на изгиб полное попе­ речное сечение высушенного черепа и установил для различных его участков модуль продольной упругости. Последний колебался от 1,2>(105 до 5.3Х105 г|) (пси — внесистемная единица измерения, равная 1 фунту/дюйм2). При исследовании этого же черепа методом резонанса значение модуля Юнга в среднем составило 2,1 ХЮ5 а|з. Оценивая результаты работ Е. К. Frankel, следует под­ черкнуть некоторые методические погрешности. Так, модуль продольной упругости характеризует способ­ ность материала сопротивляться деформации, и, следова­ тельно, его нельзя определять для какой-нибудь конст­ рукции, в том числе и части черепа. Этим :можно объяс­ нить его значительные колебания. Кроме того, высушивание «остей влечет за собой значительное изме­ нение механических свойств, что было доказано в по­ следующих работах (Н. Jamada, 1970).

44

J. H. McElhaney (1966), J. H. McElhaney и соавт. (1966, 1970) изучали механические свойства костей сво­ да черепа человека и обезьяны при сжатии, растяжении, изгибе, кручении и сдвиге. При исследовании свойств человеческого черепа были использованы три группы образцов: консервированные кости от трупов лиц в воз­ расте 56—73 лет, образцы, полученные при краниото­ мии, и образцы, взятые непосредственно во время вскры­ тия. Образцы брали из строго локализованных участков свода черепа, что позволило изучить однородный мате­ риал и установить механические свойства отдельных участков костей свода черепа. При этом было обнару­ жено равенство предела прочности и модуля продольной упругости в тангенциальном направлении. Это свиде­ тельствует о том, что кости свода черепа изотропны в тангенциальном направлении. Одновременно отмечено различие тех же показателей в тангенциальном и ради­ альном направлениях. Так, модуль упругости при сжа­ тии в радиальном направлении составляет 3,5><105 а|), при стандартном отклонении равном 2,1 Х105 if>, а в тангенциальном — 8,1±4,4ХЮ5 а|). Предел прочности при растяжении в радиальном направлении равен 11,5±<3,8Х103 % в тангенциальном —6,3±2,7ХЮ3 -ф. Коэффициент Пуассона был 0,22 ±0,11 при сжатии в тангенциальном направлении, а при сжатии в радиаль­ ном— 0,19±0,08. Значительное расхождение показате­ лей отмечено и при других видах деформации, что по­ зволяет говорить об анизотропии костей свода черепа в тангенциальном и радиальном направлениях.

Напротив, исследования W. Т. Dempster, R. Т. Liddicoat (1952), W. Т. Dempster, R. E. Coleman (1961), W. T. Dempster (1967) впервые показали изотропию костей свода черепа. Так, при изучении наружной и внутренней костных пластин ими была обнаружена случайная ориентация и тангенциальная изотропия ма­ териала. Однако эти выводы противоречат другим дан­ ным литературы о наличии в костях свода черепа сис­ темы линий расщепления (Т. И. Белова, Е. Н. Хрисанфова, 1961; А. И. Зайченко, 1967; В. В. Бунак, 1964).

Анизотропию костей свода черепа П. И. Новиков (1972) пытался доказать путем биомеханических ис­ следований, в частности различием показателей проч­ ности отдельных костей и различных слоев каждой кости. Так, по его данным, полученным с помощью ме-

45

м К О С Т и, причем консервированные образцы участков швов более прочны, чем нативные. Анализ приведенных работ показывает, что, несмотря на высокий в целом методический уровень исследований, их результаты весьма противоречивы. Большинство зарубежных иссле­ дователей считают, что кости свода черепа по своей структуре и свойствам являются изотропными. Многие

свойства левых и правых костных образцов не идентич­ ны и что с увеличением возраста человека повышается прочность его костей. Однако эти результаты не подтвер­ ждаются исследованиями других авторов (W. Goldsmith,

Таким образом, данные литературы свидетельствуют о том, что возрастные особенности прочности и жесткос­ ти костей свода черепа изучены мало, а изотропия и однородность их обоснованы недостаточно. Для воспол­ нения этого пробела в литературе на кафедре судебной медицины I ММИ имени И. М. Сеченова С. А. Корса­ ковым (1977) проведено исследование удельной ударной вязкости костей черепа при динамической нагрузке, предела прочности на растяжение, модуля продольной упругости (модель Юнга) и коэффициента поперечной деформации (Пуассона) —при статической. Материалом исследования служили прямоугольные образцы, выпи­ ленные из сводов черепа трупов лиц мужского пола в возрасте от 20 до 70 лет при отсутствии травм и выра­ женных заболеваний опорно-двигательного аппарата. Причинами смерти умерших явились механическая ас­ фиксия, отравление алкоголем и острая сердечно-сосу­ дистая недостаточность.

С целью получения однородных образцов для иссле­ дования при их выпиливании учитывались следующие факторы: одинаковая локализация образца на своде черепа (чешуя лобной кости, левая и правая теменные кости), одинаковая локализация образца в пределах одной кости, аналогичные положения черепного шва на образце и ориентация линий расщепления по отношению К продольной оси образца, т. е. учитывались четыре

47

фактора, которые, судя по данным литературы, могут влиять на прочность и жест­ кость костей свода черепа. Схема выпиливания образ­ цов с учетом расположения линий расщепления на на­ ружной поверхности свода черепа представлена на рис. 1.

удельной вязкости образцы в средней части не истонча­ лись. Общий вид образцов представлен на рис. 2.

Определение предела прочности на растяжение про­ водилось на испытательной машине с максимальной на­ грузкой разрушения 100 кгс. Для этого концы подготов­ ленных образцов крепились в зажимах машины, которая создавала плавное приложение нагрузки. Величина разрушающего усилия фиксировалась по отклонению индикаторной стрелки. После разрушения вычислялась площадь поперечного сечения образца, и по отношению разрушающей нагрузки к площади сечения определялся предел прочности (см. формулу 1.6).

Модуль Юнга и коэффициент Пуассона определяли на тех же образцах, что и предел прочности. Эта часть работы выполнена в специальной лаборатории МВТУ имени Н. Э. Баумана. На исследуемую часть образца в двух взаимно перпендикулярных направлениях накле­ ивали проволочные тензодатчики с сопротивлением 100 Ом и базой 0,5 см. После полимеризации «лея (БФ-2, циакрил) проводили растяжение образцов с регистраци­ ей деформации в продольном и поперечном направле­ ниях на осциллографе. Зная исходную длину и ширину образца (1 и Ь) и абсолютную линейную и поперечную

48

деформацию (А1 и АЬ), можно вычислить относительную продольную (Б) И относительную поперечную (г) де­ формации по формулам:

(3.1)

(3.2)

Растяжение образцов с регистрацией деформацией про­ водилось вплоть до его разрушения. Модуль Юнга и коэффициент Пуассона вычислялись по формулам:

(3.3)

(3.4)

где Е — модуль продольной упругости (модуль Юнга, кгс/см2), ц — коэффициент поперечной деформации (ко­ эффициент Пуассона, величина безразмерная), а — пре­ дел прочности или временное сопротивление при растя­ жении (кгс/см2).

Удельная ударная вязкость образцов испытывалась на двух копрах, которые отличались лишь максималь-

ными значениями абсолютной работы разрушения (рис. 3).

Первый из них — маятниковый копер (МК)—0,5— 1—предназначен для испытания ударом пластмасс и эбонита. Он имеет сменные ударники, и после разруше­ ния образца специальное устройство фиксирует работу, затраченную на его излом (в кгс-м). Второй копер, предназначенный для испытания металлов на удар, име­ ет большую работу разрушения. Этот копер регистриру­ ет угол отклонения маятника после удара, по которому с помощью таблицы вычисляется работа разрушения. Расстояние между опорами на обоих копрах составляло

4см.

Врезультате исследования удельной ударной вяз­ кости установлено, что не имеется каких-либо значи­ тельных отклонений ее значений при различной ориен­ тации линий расщепления на образцах. Например, ис­

50