4 курс / Лучевая диагностика / Биомеханика_травмы_повреждения_головы,_позвоночника_и_грудной_клетки
.pdfШественно продольной ориентацией линий расщепления
составляет |
0,414—0,254 |
кгс-м/см2, |
а при поперечной— |
0 387 0,294 |
кгс-м/см2. |
Средние |
значения удельной |
ударной вязкости для правой теменной кости в той же
возрастной группе составляют соответственно |
0,321 и |
|
340 кгс-м/см2. Результаты исследования |
других |
костей |
в различных возрастных группах также |
свидетельству |
ют об отсутствии статистически значимых различий для продольной и поперечной ориентации линий расщепле ния на костных образцах. Это свидетельствует об от сутствии явления анизотропии в тангенциальном на правлении, т. е. свойства костей свода черепа в различ ных направлениях одинаковы.
Изменение удельной ударной вязкости для различных возрастных групп в зависимости от области изъятия об разца представлено на рис. 4. Анализ этого графика показывает, что нет каких-либо статистически значимых различий в показателях удельной ударной вязкости от дельных костей свода черепа. Например, в возрастной группе 20—29 лет образцы чешуи лобной кости, левой и правой теменных костей и из области черепного шва (при продольном его положении на образце) имеют уде льную ударную вязкость в пределах 0,320—0,330 кгс • см2. В возрастной группе 30—39 лет происходит снижение средних значений сопротивляемости к ударным нагруз кам левой теменной кости и увеличение для черепных швов (при продольном его положении на образце). В других возрастных группах характер изменения со противляемости на удар имеет сходный характер. Во всех возрастных группах закономерно выявляется лишь резкое снижение удельной ударной вязкости черепных
швов при поперечном положении их на образце. |
По |
|
следнее |
наиболее выражено в возрастной группе |
20— |
29 лет |
(33%) и наименее в возрасте более 60 лет (25%) |
по сравнению с соседними участками кости.
Несмотря на некоторые различия в значениях удель ной ударной вязкости для отдельных костей, отмечается общая тенденция по снижению ее с возрастом. Наи большие значения удельной ударной вязкости выявлены в возрастных группах 20—29 и 30—39 лет. Следователь но, прочностные свойства костей свода черепа практи чески не изменяются в течение 20 лет (от 20 до 39 лет). В дальнейшем наблюдается снижение прочности, кото рое происходит более или менее равномерно до возра-
4* |
51 |
ста 50—59 лет и сохраняется на этом уровне й в более пожилом возрасте.
Обнаруженное С. А. Корсаковым (1977) равномер ное снижение прочности при ударных нагрузках в пе риод с 40—59 лет подтверждено статистически. Вырав нивание полученных результатов ло способу наименьших квадратов позволило ему предложить уравнение, хоро шо отражающее изменение сопротивляемости костей
свода черепа к ударным нагрузкам |
в зависимости от |
возраста: |
|
а = 0,331— 0,0223В, |
(3.5) |
где а — удельная ударная вязкость (кгс-м/см2); В — возрастные группы, закодированные цифрами от 0 до 4 на каждое десятилетие начиная с 25-летнего возраста.
Обобщая результаты исследования механических свойств костей черепа при ударной нагрузке, С. А. Кор саков (1977) считает, что кости свода черепа при дина мической нагрузке можно рассматривать как изотроп ный материал. Системы линий расщепления, четко выявляемые на наружной костной пластине, по мнению автора, не оказывают влияния на свойства образцов, поскольку кости свода черепа являются трехслойным образованием, в котором только наружный слой имеет некоторые закономерности в расположении костных пластин. Внутренняя костная пластина и губчатое веще ство нивелируют анизотропию наружной костной плас тины, и в целом кость проявляет свойства изотропного материала.
Наряду с определением удельной ударной вязкости С. А. Корсаковым (1977) изучались прочностные свой ства костей свода черепа к статическим нагрузкам. При обработке результатов сначала вычислялись средние показатели для каждой кости, а затем для продольного и поперечного направления линий расщепления в каж дой возрастной группе. При этом была установлена прямо пропорциональная зависимость между напряже ниями и деформацией, что соответствует закону Гука. Изучая свойства образцов из отдельных костей свода черепа при различном положении на них линий рас щепления, автор пришел к выводу, что при статической нагрузке кости свода черепа являются однородным, изотропным материалом. Средние значения предела прочности на растяжение для лобной кости и теменных
52
костей |
находятся примерно на |
|
|
||||||
одном |
уровне, |
различном для |
|
|
|||||
каждой возрастной группы. На |
|
|
|||||||
пример, |
для |
возрастной |
груп |
|
|
||||
пы 20—29 лет предел прочнос |
|
|
|||||||
ти |
|
составляет |
1210—1150 |
|
|
||||
кгс/см2, |
а |
в |
возрасте |
более |
|
|
|||
60 лет —от 850 до 790 кгс/см2. |
|
|
|||||||
Возрастные изменения предела |
|
|
|||||||
прочности на растяжение пока |
|
|
|||||||
заны на рис. 5. Как |
видно из |
|
|
||||||
графика, |
максимальное |
значе |
|
|
|||||
ние |
предела |
|
прочности |
уста |
|
|
|||
новлено |
в возрастной |
группе |
|
25 35 45 55 65 7S |
|||||
20—29 лет. Она составляет в |
|
Возраст, годы |
|||||||
среднем 1176,6 кгс/см2. Затем |
|
|
|||||||
наблюдается |
постепенное сни |
Рис. 5. Влияние возраста на |
|||||||
жение прочности, которое пос |
предел |
прочности костей |
|||||||
ле 70 лет становится минималь |
свода |
черепа. |
|||||||
ным |
(807 кгс/см2). |
|
|
|
|
Сравнивая прочностные свойства костей свода чере па при статической и динамической нагрузках, С. А. Кор саков (1977) обнаружил их сходство в одноименных костях людей одного возраста при однотипном располо жении линий расщепления. При выравнивании резуль татов исследований по способу наименьших квадратов автором получено уравнение, отражающее выявленные им возрастные изменения прочности:
|
а= 1355— 178В, |
(3.6) |
где а — предел |
прочности на растяжение (кгс/см2); |
|
В — возрастные |
группы, закодированные цифрами |
1,2, |
3 с интервалами в 20 лет и начиная с возрастной груп пы 25 лет.
При испытании прочности и жесткости образцов костей свода черепа к статической нагрузке была уста новлена пропорциональная зависимость между напря жениями и относительными деформациями.
|
е = 4-, |
(3.7) |
где е — относительная |
деформация; |
а —напряжение; |
Е— модуль продольной |
упругости. Эта |
закономерность |
53
|
подтверждается |
данными |
ряда |
|||
|
исследователей |
(Г. А. Никола |
||||
|
ев и др., 1975; В. Голдсмит, |
|||||
|
1972; |
А. Н. Burstein |
и |
др |
||
|
1972; М. Н. Pope, I. О. Outwa- |
|||||
|
ter, 1972). |
|
|
|
|
|
|
Исходя из этой закономер |
|||||
|
ности, |
в качестве |
показателей |
|||
|
прочности и жесткости |
костей |
||||
|
свода черепа определялись мо- |
|||||
25во5зраст Иды 7$ |
ДУЛЬ |
пРОДольной |
упругости |
|||
|
(модуль Юнга) и коэффициент |
|||||
|
поперечной деформации (коэф- |
|||||
Рис. 6. Влияние возраста |
фициент Пуассона). Жесткость |
на модуль продольной
упругости костей свода т а к ж е исследовалась в зависичерепа. мости от ориентации линий расщепления, локализации об разцов и возраста. При этом не было выявлено сущест
венного влияния продольной и поперечной ориентации линий расщепления на степень модуля упругости. На пример, в возрастной группе 20—29 лет при продольном расположении линий расщепления модуль упругости в среднем был равен 0,805х105 кгс/см2, а при попереч ном— 0,814ХЮ5 кгс/см2. Анализ возрастных изменений показал, что с возрастом происходит увеличение модуля продольной упругости (рис. 6). Так, если в возрастной группе 20—29 лет его значения выражены в пределах 0,760ХЮ5 — 0.852ХЮ5 кгс/см2, то в возрасте 60—69 лет они составляют 0,964ХЮ5 — 1,018ХЮ5 кгс/см2. В более старшем возрасте установлено четкое равномерное уве личение значений модуля упругости. Выравнивание по лученных результатов по способу наименьших квадра тов позволило С. А. Корсакову (1977) установить сле дующую зависимость между модулем продольной упру гости и возрастом:
£= 10,566 lg В- 0,0031 X Ю5, |
(3.8) |
где Е — модуль упругости (кгс/см2); |
IgB — десятичный |
логарифм возраста. |
|
Коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона), который является второй характеристикой жесткости материала, определялся из соотношения:
е'=це, |
(3.9) |
54
где е —относительная поперечная деформация; е — относительная продольная деформация; ц — коэффици ент поперечной деформации (Пуассона). Исследования показали, что величина коэффициента Пуассона явля ется наиболее постоянной по сравнению с другими показателями механических свойств костей. Во всех воз растных группах, независимо от вида кости и направле ния линий расщепления, коэффициент поперечной дефор мации в среднем составляет 0,349.
Анализ полученных показателей прочности и жест кости костей свода черепа свидетельствует об отсутст вии значительных различий их свойств по разным на правлениям, что позволяет рассматривать кости свода черепа как изотропный материал. Четкая система ли ний расщепления, свидетельствующая об определенной ориентации костных пластин, обнаружена лишь в на ружном слое кости. Остальные два слоя костей свода черепа по своей структуре являются изотропными с хаотично расположенными костными пластинами и трабекулами. Эти два слоя, составляя основной объем кости, определяют ее свойства. Изучение свойств от дельных костей и образцов из разных участков одной кости не выявило статистических различий как для прочности, так и для жесткости. Следовательно, кости свода черепа являются не только изотропным, но и однородным материалом, т. е. они обладают во всех точ ках одинаковыми свойствами. Черепные швы при про дольном их положении на образце не влияют на меха нические свойства по сравнению с соседними участками кости. При поперечном положении шва на образце об наружено резкое снижение прочности, более выражен ное в молодом возрасте и менее в пожилом, что можно объяснить процессом синостозирования швов в пожилом возрасте.
Наиболее существенные изменения механических свойств костей свода черепа обнаружены в зависимости от возраста. Свойства костей свода черепа в возрастных группах 20—29 лет и 30—39 лет при динамической на грузке статистически не различаются, в более старших возрастных группах происходит постепенное и равно мерное снижение удельной ударной вязкости и показа теля хрупкости, которые достигают минимальных зна чений в возрастной группе 60—69 лет.
При статической нагрузке снижение предела проч-
ности происходит равномерно по всем возрастным груп пам, достигая минимума в возрасте 60—69 лет. Модуль продольной упругости имеет противоположную тенден цию. Наименьшие его значения наблюдаются в молодом возрасте, затем величина модуля упругости постепенно возрастает, достигая максимума к 60—69 годам. Раз личный характер возрастных изменений предела проч ности и модуля упругости можно объяснить уменьшени ем с возрастом относительной линейной деформации. По закону Гука относительная деформация прямо про порциональна напряжению и обратно пропорциональна модулю упругости, т. е. уменьшение деформации связа но с уменьшением прочности и увеличением жесткости.
Коэффициент поперечной деформации в отличие от других показателей механических свойств костей свода черепа не имеет каких-либо возрастных изменений и в среднем составляет 0,349. Это можно объяснить тем, что с возрастом происходит уменьшение относительной деформации не только в продольном, но и в поперечном направлении, что приводит их соотношение к постоян ной величине.
При изучении механических свойств изолированных костей свода черепа необходимо учитывать зависимость этих свойств от сроков изъятия образцов после смерти, а также от способа и условий их хранения. Имеющиеся данные литературы по этому вопросу весьма противоре чивы, что связано с большим разнообразием методов оценки этих свойств в зависимости от различных спо собов хранения костей. Большинство исследователей сохраняют костные образцы в слабых (0,25 — 0,5%) растворах формалина, высушивают их, замораживают, хранят во влажной среде, заливают в пластические массы, подвергают биологической очистке с последую щим хранением в 10% растворе формалина и т. д. При этом многие авторы отмечают отсутствие различий в механических свойствах консервированной и нативной кости, некоторые, напротив, указывают на изменение механических свойств кости при высушивании и кон сервации.
Н. Jamada (1970) определял модули упругости при растяжении, сжатии и изгибе для «свежих» и высушен ных костей человека и лошади. Он установил, что аб солютные значения этих показателей для высушенных костей больше, чем для «свежих», I, W. Melvin и соавт.
W
(197*0) изучали механические свойства костей своДа1 черепа человека и обезьяны. Образцы для исследования
изымались при вскрытии, краниотомии (нативные об разцы), консервировались холодом. При этом не было выявлено различий в показателях прочности и жесткос ти консервированных, нативных образцов и образцов, взятых от трупа.
I. W. Pugh и соавт. (1973), A. Simkin, L. Robin (1973), исследуя механические свойства «остей человека, лошади и быка на изгиб, выявили увеличение модулей упругос ти для высушенных костей по сравнению со «свежими».
За последние годы механические свойства консер вированных костей стали изучаться и для целей транс плантации. О. Л. Зорохович (1973), изучая возможности пластики дефектов костей свода черепа формалинизированными трансплантатами, исследовал изменения меха нических свойств костей свода черепа собак в зависи мости от срока хранения их в различных растворах фор малина. В качестве показателя механических свойств автором был избран предел прочности на изгиб. По мере увеличения срока хранения наблюдалось постепенное снижение прочности. Через 12 мес хранения в 0,5% растворе формалина предел прочности на изгиб сни жался на 3%, а в 0,25% случаев — на 15—16°/0.
В перечисленных и других работах по этой теме ос тались неизученными вопросы о влиянии гнилостных изменений в изолированной и в неизолированной кост ной ткани, а также сравнительная оценка свойств «живой» и «мертвой» кости, что имеет большое значение для биомеханики и судебной медицины.
С целью изучения этих вопросов С. А. Корсаков (1977) исследовал удельную ударную вязкость диафизов бедренных костей кроликов непосредственно после
смерти животных (контроль) и |
при различных |
сроках |
|
и способах хранения. В первой |
серии |
экспериментов |
|
образцы хранили в слабом растворе формалина |
(0,5%) |
||
при температуре +2 — | - 4°С в течение |
7, 30 и |
60 сут |
после смерти.
Во второй серии образцы хранили в воде при тем пературе +2—1-4 °С в течение 7 и 30 сут. В третьей серии образцы сохранялись совместно с мягкими тка нями в течение 12 сут. Часть образцов последней серии
находилась |
в трупе животного, другая — вне его при |
температуре |
16—18 °С. |
5?
В результате исследования были выявлены определен ные закономерности изменения сопротивляемости кост ной ткани к действию ударных нагрузок в зависимости от сроков и условий хранения. При хранении образцов в слабом растворе формалина установлено незначитель ное снижение удельной ударной вязкости в течение пер вых 7 сут, последующее увеличение ее до исходного уровня к 30-м суткам и незначительное превышение к 60-м суткам хранения. При изучении влияния гнилост ных процессов в изолированной кости отмечалось неко торое снижение удельной ударной вязкости в первые сут ки хранения; в дальнейшем значение ее возвращалось к первоначальному уровню. При гниении костей-образцов вместе с мягкими тканями, особенно в трупе животного, наблюдалось повышение сопротивляемости к ударным нагрузкам при значительном размахе варьирования по лученных разультатов, что можно объяснить неравно мерностью процессов гниения в кости. Повышение сопро тивляемости в таких случаях связано с тем, что в про цессе гниения образуется значительное количество жидкости, которая, по мнению Н. А. Брудницкой (1951) и В. И. Добряка (1966), в значительной степени влияет на механические свойства костей.
Установление зависимости механических свойств костей от длительности и условий хранения позволяет дать рекомендации по отбору и хранению костей для биомеханических испытаний. Для исследования меха нических свойств костей человека образцы необходимо изымать из трупов не более чем через 1—2 дня с мо мента смерти человека, т. е. до развития гнилостных процессов, оказывающих влияние на механические свой ства костей. Эти образцы можно хранить в слабых растворах формалина до 30—60 сут, в течение которых не происходит существенного изменения механических костей.
При экспериментальном моделировании на биомане кенах достоверные результаты могут быть получены только при использовании биоманекенов, не имеющих признаков гниения. При этом не происходит значитель
ных |
изменений |
механических |
свойств костной ткани, |
что |
позволяет |
исследователям |
правомерно сравнивать |
результаты экспериментов со сходными случаями, встречающимися на практике.
Глава IV
БИОМЕХАНИКА ПОВРЕЖДЕНИИ МЯГКИХ ТКАНЕЙ ГОЛОВЫ И КОСТЕЙ ЧЕРЕПА
Вопросы биомеханики повреждений мягких тканей головы и костей черепа изучались на биомане кенах путем причинения дозированных ударов затылоч ной и лобно-теменной областям головы, а также при ударах головой вследствие самопроизвольного падения человека навзничь, а также при падении человека на плоскости различной жесткости с предшествующим ускорением. Кроме того, исследовались упругие свойства головы, кривизна и радиус кривизны наружной поверх ности головы. Эти исследования позволили подойти к определению критической нагрузки, приводящей к об разованию переломов костей свода черепа, с учетом его формы и механических свойств костной ткани и возрас та человека. Принимая во внимание установленную идентичность прочностных свойств «живой» и «мертвой» костной ткани, полученные результаты исследований могут быть использованы в практике судебно-медицинс кой экспертизы и при разработке индивидуальных средств защиты головы (каски, шлемы).
Биохимические модели повреждений мягких тканей головы и костей черепа при ударах головой о плоскую поверхность и при ударе по голове твердыми тупыми предметами
Эксперименты по моделированию повреждений, воз никающих при ударах головой о плоскую поверхность, проводились на специальном стенде конструкции И. И. Антуфьева (рис. 7, 8).
Стенд состоит из массивного металлического основания (рамы) 345X105 см (3) с укрепленными на нем двумя вертикальными па раллельными стойками (1). К стойкам посредством металлической
59
Рис. 7. Общий вид стенда для причинения дозированных ударов различными областями головы биоманекена (объяснение в тексте).
Рис. 8. Схема стенда (объяснение в тексте)