3 курс / Топографическая анатомия и оперативная хирургия / Топография_силовых_напряжений_в_костях_при_травме_Атлас_под_ред

ТОПОГРАФИЯ

СИЛОВЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В КОСТЯХ ПРИ ТРАВМЕ

АТЛАС

ПОД РЕДАКЦИЕЙ ПРОФЕССОРА В.Н.КРЮКОВА

АЛТАЙСКОЕ КНИЖНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО, 1977

ОТ АВТОРОВ В последнее десятилетие в связи с успехами общебиологических наук, а также физики, химии и математики, представилась реальная возможность решения целого ряда проблем и в травматологии. Быстрое накопление фактического материала по вопросам строения. прочности и закономерностей разрушения тканей в экстремальных условиях дало основание говорить о появлении и развитии новой отрасли науки — биосопромата.

Полное представление о физических явлениях, протекающих в тканях вследствие их повреждений механическими факторами, связано не только с необходимостью детального изучения структуры, например, костного вещества, но и с проблемой последующей репарации, С другой стороны, знание закономерностей механизмов травмы предопределяет как тактику, так и объем лечебных мероприятий. Установление механизмов травмы приобретает и правовой аспект как в отношении оценки тяжести телесных повреждений, так и при восстановлении обстоятельств и деталей происшествия по особенностям этих повреждений.

Впротивоположность классическим взглядам о большой стабильности костной ткани

внастоящее время бесспорно установлено, что она является очень чувствительной системой,

функционально и морфологически реагирующей на подпороговые механические нагрузки, в том числе и на такие, как вибрация и невесомость. Оказалось, что в условиях космического полета костная система чрезвычайно быстро - одна из первых - начинает реагировать на невесомость и малую подвижность потерей минеральных веществ. Перестройка костной ткани в связи с адаптацией к новым условиям происходит на всех уровнях: молекулярном, клеточном и анатомическом. В последнее время в клинической практике было доказано, что под влиянием постоянного давления в «нефизиологическом» для кости направлении она перестраивается на клеточном уровне и даже меняет свою анатомическую форму, приспосабливаясь к новым условиям внешнего воздействия.

Реорганизация губчатого вещества в плоских и длинных трубчатых костях особенно отчетливо выступает при изменении статико-динамических функций частей скелета в связи с заболеваниями. При любых механических воздействиях на кость (погружения, удар, сдавление, кручение и т. д.) в ней возникает сложная мозаика участков сжатия и растяжения даже в отдаленных ненагруженных зонах, Обладая общностью анатомического строения,

каждая кость в то же время отличается от других одноименных ей индивидуальными особенностями формы. Наиболее ярко это проявляется при электротензометрических исследованиях в аналогичных строго заданных условиях эксперимента.

Наряду с морфологической структурой геометрическая форма кости обеспечивает не только статические, локомоторные и защитные функции, но и оптимальную устойчивость по отношению к внешним механическим, нагрузкам.

Как было установлено ранее, при значительных механических воздействиях кость разрушается особым образом в зависимости от направления и угла этого воздействия, а также энергии и площади повреждающего предмета. Формирование вида, характера и особенностей перелома кости обусловливается влиянием очень многих компонентов. Не последнюю роль при этом играют и индивидуальные особенности структуры и формы кости.

Названное обстоятельство позволяет с критических позиций оценивать широко распространившийся термин «типичный перелом». Особую значимость это приобретает в судебно-медицинской практике при оценке обстоятельств происшествия и восстановлении механизмов травмы по виду и характеру повреждений.

В настоящей работе обобщена часть исследований коллектива кафедры судебной медицины Алтайского медицинского института по изучению топографии силовых напряжений в различных отделах скелета при наиболее часто встречающихся условиях повреждений тупыми предметами. Вниманию читателей предлагается концепция

заключительной стадии деформирования кости в условиях экстремальных и циклических нагрузок. Понимание процесса разрушения костной ткани оказывается исключительно

важным для оценки адаптативных и репаративных процессов и выбора методов влияния на них. До сих пор какой-либо единой системы взглядов на явления деформации, а также возникновение и распространение разрушения (перелома) кости не существует. В иллюстративной части приводятся результаты сопоставления условий травматизации,

топографии основных (максимальных) полей плоского напряженного состояния костей и механизмов их переломов в конкретных условиях. В ней использованы данные как экспериментальных исследований, так и экспертных наблюдений, в том числе и при несмертельных повреждениях (рентгенограммы). Кроме того, показана разработанная коллективом кафедры зависимость топографии силовых напряжений (а следовательно, локализации, характера и вида перелома) от вариантов строения отдельных частей скелета. Авторы сочли излишним приводить эпюры, напряжений и некоторые физико-математические расчеты, а предприняли попытку наиболее демонстративно представить фактический материал, чтобы. заинтересовать широкий круг специалистов. Поскольку работа подобного рода выпускается впервые, авторам, по-видимому, не удалось избежать определенных недостатков и некоторой схематизации в изложении такого объемного материала. Основой для настоящей публикации явились данные докторских и кандидатских диссертаций, выполненных сотрудниками кафедры (В. Н. .Крюков, В. С. Семенников, В. Э. Янковский, Ж. Д. Мищенко, Г. Т. Бугуев, П. П. Горобец. В. Ф. Жуков, А. М. Кашулин, Е. А. Кочетков, А. В. Метелев, В. О. Плаксин, А. Я. Тайченачев, О. Н. Черненко).

Большую творческую работу по подготовке материалов к печати проделали В. Г., Баскаков, Ю. Н. Гусев, А, И. Зорькина, Г. С. Михайлов и А. А. Теньков.

Коллектив кафедры надеется, что настоящая работа окажется полезной не только судебно-медицинским экспертам, но и врачам других специальностей, а также работникам следствия и суда. Все критические замечания и пожелания коллективом кафедры будут приняты с благодарностью.

СОВРЕМЕННЫЕ АСПЕКТЫ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОСТИ

ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ

Скелет взрослого человека составляет около 18% общего веса, т. е. приблизительно 12 кг. Из этого количества на органические вещества приходится 30%, на минеральные—порядка 60 и 10% представлены водой. В скелете сконцентрировано 10—12 г магния, 520—550 фосфора и 1100—1300 г кальция, что составляет соответственно 58, 87 и 99% от их общего содержания в организме.

В настоящее время со всей достоверностью установлено, что костная система обладает интенсивным специфическим обменом веществ, обеспечивая динамическое равновесие и тонко сбалансированные метаболические процессы.

Из органических соединений на долю основного белка кости — коллагена — приходится 95%; две трети из них составляют глицин, пролин и гидроксипролин.

Полипептидная цепь коллагена состоит из 1000 аминокислот и имеет спиральную форму. Три полипептидные цепи, скрученные спиралью, образуют макромолекулу коллагена (тропоколлаген) с молекулярным весом около 3000000, длиною 2800 А0 и диаметром 14 А0. Именно тропоколлаген и формирует фибриллы, в которых макромолекулы тропоколлагена по отношению друг к другу смещены по длине примерно на 1/4 вследствие взаимодействия функциональных групп полипептидных цепей. Наличие таких специфических функциональных групп и создает необходимые условия для возникновения центров кристаллизации солей.

Коллагеновые фибриллы минерализуются и перестраиваются под воздействием ферментов, вырабатываемых остеобластическими элементами, которые вообще отличаются от всех других секретирующих клеток наиболее мощным аппаратом белкового синтеза.

Коллаген в сочетании с минеральными компонентами представляет собою довольно сложное образование. Пространственное взаиморасположение органической и неорганической частей кости обеспечивает максимальную прочность при минимальном количестве материала. Половину объема (2/3 веса) костной ткани составляет минеральное вещество, соответствующее формуле гидроксиапатита Са10(Р04)6(ОН)2. Кристалл гидроксиапатита имеет гексагональную форму размером порядка 20х3-7 µм, длинная ось которого ориентирована параллельно осям коллагеновых фибрилл. Связанные между собою определенным образом, они составляют так называемый матрикс (8). Таким образом, микроструктура кости имеет все признаки, характеризующие ее с позиций сопромата как композитный материал.

На поверхности кристаллов гидроксиапатита адсорбированы в большом количестве ионы, принимающие активное участие в обмене с ионами окружающей среды. Этот обмен катализируется значительным количеством катионов, среди которых большой удельный вес занимают микроэлементы с меняющейся валентностью (марганец, медь. ванадий). Следует отметить, что отсутствие или недостаток некоторых микроэлементов (мар- ганец, стронций, ванадий, медь, фтор, свинец, кобальт, алюминий) могут нарушать процессы созревания коллагена и его пространственную аггрегацию, а также искажать остеобластическую дифференцировку (24).

Матрикс обладает большой активной поверхностью, и для 1 г кости она составляет около 250 м2, а для всей костной ткани скелета—до 2 км2. Именно такая большая активная поверхность и обеспечивает динамический солевой обмен в организме.

Удельный вес компактного вещества кости обычно находится в пределах 1,8—2,0. Названный показатель в свою очередь, несомненно, связан с таким качеством, как индекс компактности, а также со степенью насыщен- ности компактного слоя остеонами как на протяжении диафиза каждой кости, так и одноименных отделов различных костей.

Неодинаковое содержание некоторых химических элементов (например, железа, меди, алюминия) на

протяжении диафизов указывает на специфичность процессов оссификации в отдельных участках и коррелируется с различием их прочностных характеристик. Процессы же метаболизма и регенерации протекают, по-видимому, однотипно, о чем свидетельствует сходное количественное содержание таких микроэлементов, как марганец и стронций (10).

Установлено, что коллаген в костной ткани также находится в кристаллической форме, а его молекулы, образующие фибриллы, получают строгую ориентацию, которая отражается в характере расположения волокон. Таким образом, в сочетании с кристаллами гидроксиапатита можно выделить по крайней мере две кристаллические системы, обладающие весьма важными свойствами: они строго ориентированы, взаимосвязаны и образуют многоэлементную конструкцию, обеспечивающую особо высокую надежность.

Микроскопическое исследование костной ткани показывает, что она состоит из клеточных элементов, более или менее равномерно расположенных в межклеточном веществе, являющемся в свою очередь продуктом этих клеток. Специфическое строение клеток позволяет выделить остеобласты—клетки, которые по своей ультраструктуре очень схожи с другими секретирующими клетками. В цитоплазме остеобластов синтезируется проколлаген, который быстро эвакуируется в межклеточное вещество и является основой для синтеза фибрилл. Формирование органического матрикса в остеобластах связано с одновременным синтезом как коллагена, так и мукополисахаридов. Остеобласты обладают мощным аппаратом белкового синтеза и, будучи относительно немногочисленными, продуцируют огромное количество межклеточного вещества.

Другим типом клеток являются остеоциты, которые во многом подобны остеобластам по своей структурной организации. В сущности они представляют собой слабофункционирующие остеобласты, замурованные в минеральном веществе. Их особенность проявляется в наличии многочисленных отростков в каналах межклеточного вещества, где может циркулировать жидкость.

Третий тип клеток (остеокласты) резко отличается и формой и морфологией. Основная их функция— резорбция кости (11).

Физико-математический анализ направленности костных балок и пластинок по отношению к силовым напряжениям, возникающие

в кости при выполнении ею защитных и локомоторных функций, демонстрирует исключи тельно рациональную архитектонику костного вещества. Поскольку ориентация костных элементов происходит в результате жизнедеятельности остеобластов и остеокластов, следует полагать, что остеогенезом управляют постоянно какие-то мощные механизмы, о которых мы не имеем еще четкого представления

Кристаллические системы костной ткани сочетании с мукополисахаридами (например, гиалуроновой кислотой) при нагружениях кости обусловливают возникновение так называемого пьезоэлектрического эффекта.

Было показано, что электрические потенциалы, возникающие в костной ткани при ее нагружениях, имеют решающее значение ориентации костных элементов и костной массы вообще. Оказалось, что при сгибании кости на ее вогнутой стороне возникают отрицательные потенциалы, а на выпуклой — положительные. В

эксперименте с подведение электродов к кости в зоне действия положительно заряженного электрода костная масс рассасывалась, а отрицательного—увеличивалась (1,3).

Таким образом, следует полагать, что электрические потенциалы, возникающие в кости при статических и динамических нагрузка: имеют огромное значение в формировании ориентации костной массы.

Механическая прочность компактного вещества кости составляет 20—30 кг/см2. Проведенными на нашей кафедре исследованиям было показано, что трубчатые кости лиц женского пола в возрасте 30—50 лет менее устойчивы к механическим нагрузкам, составляют от 50,5 до 88,6% по отношению к соответствующим показателям костей лиц мужского пола того же возраста (10).

Кость обладает уникальным свойство хрупкого материала, обнаруживая низкое отношение прочности на растяжение к прочнсти на сжатие. В то же время, кость имеет чрезвычайно высокую прочность на растяжяние, по сравнению с другими хрупкими материалами. Вообще прочность кости на сжатие больше, чем на растяжение, на 50—60%, что также характеризует кость как композитны материал. Эта особенность костной ткани сопоставлении с многочисленными данным по исследованию, топографии силовых напряжений в различных костях дает основание утверждать, что физиологической нагрузкой на кость является сжатие.

Многочисленными исследованиями, опубликованными в специальной литературе, было установлено, что прочность компакты на сдвиг составляет 5,05—11,8 кГ/мм2, а модуль Юнга колеблется от 1,38-103 до 1,94-103 кГ/мм2. Пластическая деформация кости невелика и составляет порядка 0,016—0,02%. Исследования на циклическую усталость показали, что образцы мертвой кости способны выдержать от 1-106 до 3-10 циклов при амплитуде напряжений 3,5 кГ/мм2. Поглощение энергии образцами кости характеризуется величинами 50—60 кГм/мм3. Поглощение энергии другими опорными тканями, например, межпозвоночными дисками, как оказалось, не соотносится к площади поперечного сечения или объему и составляет 5—7 кГм.

Эксперименты на ударное внедрение в кость показали, что максимальное значение секущего модуля составляет 1,8-103 кГ/мм2, а разрушающее напряжение при этом равно 27,5 кГ/мм2.

Многочисленные опыты, проведенные для установления прочностных характеристик кости, в настоящее время не могут быть сведены воедино, поскольку все они разнятся не только по методическому уровню, но и по характеру исследованных образцов. Например, известно, что модуль упругости влажной кости значительно ниже (на 60%), чем высушенной, и т. д.

Исследованиям костной ткани в диапазонах, превышающих так называемый предел прочности, посвящено достаточно большое количество работ. Однако изучение морфологии костной ткани в условиях действия субкритических нагрузок представляет не меньший интерес.

Изучение физических основ прочности кристаллических тел и полимеров на молекулярном уровне показало, что при механических растягивающих нагрузках происходит возмущение межатомных связей. При этом наряду с межатомными связями, имеющими определенное среднее значение напряжений, возникают и перенапряженные связи, в которых напряжения значительно превосходят уровень средних. В результате

возникает возможность разрыва этих механически возбужденных межатомных связей с образованием свободных радикалов. Установлено, что концентрация этих радикалов (обрывки молекул со свободными связями) стоит в прямой зависимости от величины механического напряжения и времени его действия (6).

После разрыва перенапряженной межатомной связи в месте образования свободного радикала происходит бурная реакция. Это ведет в свою очередь к вторичному распаду других значительно напряженных межатомных связей, что формирует разрушенную микрообласты (20).

Следовательно, разрыв перенапряженной межатомной связи является инициирующим моментом, который вызывает цепь микроразрушений вокруг распавшейся связи.

Названные микроразрушепия распределяются по объему материала неравномерно и имеют форму чечевичек, ориентированных своими плоскостями перпендикулярно оси растяжения. Количество их по мере увеличения нагрузки нарастает и в предразрывном состоянии может достигать огромной величины. При большой их концентрации субмикроскопические трещины, располагаясь близко друг к другу, формируют трещину большего размера (7, 20, 22, 26).

Следует полагать, что в костной ткани при субкритических нагрузках происходят аналогичные или близкие к ним процессы. Однако в живой костной ткани в условиях механических нагрузок, не приводящих к разрушению (переломам), ликвидация разрывов межатомных связей осуществляется за счет постоянно протекающих обменных процессов — репарации костной ткани.

Не исключено, что явления репарации костного вещества, регистрируемые в течение всей жизни

организма, и есть одно из следствий механических нагружений кости.

Таким образом, становится понятной зависимость прочностных характеристик костной ткани от уровня обменных процессов в организме, которые изменяются в связи с различными факторами (физическая нагрузка, возрастные и половые особенности, питание и т.д.). Получает дополнительное объяснение и возникающий при механических нагрузках кости так называемый пьезоэлектрический эффект, который играет не последнюю роль в обменных процессах, протекающих в местах травматизации костной ткани.

Естественно полагать, что механические нагружения кости в определенных пределах будут способствовать интенсификации обмена в костной ткани и увеличению ее механической прочности. Подобные явления можно наблюдать у лиц, занятых тяжелым физическим трудом, у спортсменов-тяжелоатлетов и т. д. Снижение же механических нагрузок до минимума, несомненно, повлияет на минеральный обмен и устойчивость кости по отношению к внешним воздействиям. Так, например, была констатирована повышенная ломкость костей скелета у животных, находившихся определенное время в условиях невесомости.

Длительное же, но прерывисто действующее нагружение, не превышающее по своему значению критических величин прочности костной ткани в условиях сдвига обменных процессов в ней, способно вызвать явления разрушения кости—переломы. Именно этими обстоятельствами можно объяснить случаи возникновения переломов, которые известны травматологам как «маршевые», или «усталостные». Возникает как бы пониженная устойчивость кости к циклическим нагружениям.

Опорная и защитная функции кости формировались в процессе филогенеза. Это нашло выражение прежде всего в большей прочности ее на сжатие, чем на растяжение. Такому положению подчинены как структура, так и форма кости.

Большую роль в упрочнении кости играет губчатое вещество. Целенаправленные исследования губчатого вещества показали, что его структура подчинена локализациям и направлениям растягивающих и сжимающих усилий, возникающих в костях при выполнении ими локомоторных функций. Оказалось, что костные балки губчатого вещества всегда ориентированы в направлении сил сжатия, которые создаются в кости при выполнении ею физиологических функций опоры. Опорная и локомоторная функции сопровождаются появлением в кости растягивающих усилий, но по отношению к балкам губчатого вещества они ориентированы в поперечном направлении.

При патологических процессах, вызывающих изменение формы кости (а следовательно, и функции), наблюдается перестройка губчатого вещества, связанная с трансформацией топографии зон сжатия и растяжения, возникающей уже в видоизмененной кости. Так, например, при анкилозе тазобедренного сустава наблюдается резко выраженная перестройка губчатого вещества в тех костях таза, которые непосредственно не были связаны с бывшим заболеванием. Кроме того, определенные морфологические преобразования в структуре губчатого вещества тазовых костей отмечаются и на противоположной анкилозу стороне, что, несомненно, ассоциируется с изменением статико-динамических функций (18).

Распределение и концентрация сил сжатия и растяжения в губчатом веществе кости неразрывно связаны с формой самой кости. Особенно демонстративно это проявляется в структуре позвонков.

Балки губчатого вещества в теле позвонка ориентированы в продольном направлении, что является следствием выполнения опорной функции позвоночным столбом. Из учения о сопротивлении материалов известно, что любая балка оказывается намного прочнее при нагружении ее вдоль оси, а не в поперечном направлении.

С увеличением нагрузки (например, поднятие тяжести) появляется возможность образования продольного изгиба балок, т.е. так называемая потеря устойчивости. Однако костные перекладины, соединяющие балки, препятствуют продольному изгибу и появлению в них нефизиологических растягивающих напряжений, что еще раз подчеркивает рациональность в строении губчатого вещества.

Давно отмечено морфологами, что чем ниже расположен позвонок, тем резче выражена у него так называемая талия. Она хорошо заметна в грудном отделе и особенно выделяется в поясничном. Иначе говоря, выраженность талии позвонка увеличивается пропорционально статическим нагрузкам, которым должен противостоять позвонок. Такая форма позвонка при возрастании нагрузки своей геометрией обеспечивает трансформацию силовых напряжений и физиологическую работу кости на сжатие. Вследствие этого и костные перекладины также испытывают сжимающие усилия. Поверхностные напряжения, возникающие в позвонке, обусловливаются формой позвонка, выраженностью его талии. Эти напряжения всегда оказываются сжимающими и направлены к его центру, что в свою очередь резко повышает устойчивость губчатого вещества к вертикальным нагрузкам (4, 21).

Аналогичное положение можно отметить при анализе особенностей морфологии губчатого вещества и его связей с функцией в метаэпифизарных отделах длинных трубчатых костей.

Эпифизы длинных трубчатых костей состоят почти полностью из губчатого вещества. Компактное вещество представлено очень тонким слоем. Однако масса костного вещества оказывается здесь значительно большей, чем в диафизарных отделах. Возрастание массы костного вещества увеличивает площадь, на которой происходит сочленение содружественных костей, что соответственно уменьшает удельную нагрузку на единицу поверхности сустава. Это обстоятельство способствует большей устойчивости при выполнении локомоторных функций, спонгиозное же строение увеличивает амортизацию в месте сочленения и уменьшает травматизацию суставных поверхностей. Сам переход от диафиза к эпифизу (метафизарная часть) всегда выполнен соразмерно требованиям учения о сопротивлении материалов и соответствует фигуре, обозначаемой как галтель. Такая форма исключает концентрацию напряжений в какой-либо отдельной точке и способствует рассеиванию силовых на- пряжений на более значительной площади.

Установление распределения силовых напряжений, возникающих в костях при физиологических нагрузках или различных вариантах внешнего воздействия, имеет важное значение для понимания единства степеней соотношения в цепи структура—форма—топография напряжений.

При механическом воздействии в кости возникает мозаика сил сжатия и растяжения даже в отдаленных ненагруженных участках. Определение главных и касательных напряжений имеет существенное значение, поскольку при достижении ими критических величин возникает разрушение кости. Это разрушение формируется вначале, как было уже сказано, в виде трещины, т. е. разрыва костного вещества. Местом такого первоначального разрыва будет точка, где растягивающие напряжения превышают предел прочности кости. В момент образования трещины топография силовых напряжений резко меняется, а трещина кости распространяется соответственно участкам, где локализуются растягивающие напряжения с максимальными значениями.

Таким образом, исследование топографии силовых напряжений в костях при нагруже-ниях в физиологических пределах и при нагрузках, являющихся критическими, позволяет изучить не только закономерности строения кости, но и морфологические особенности переломов, возникающих при различных условиях внешнего воздействия.

Оптимально отвечает всем современным требованиям при регистрации силовых напряжений, возникающих в деформируемом физическом теле, метод электротензометрии, который и был использован нами для достижения цели изучения топографии этих напряжений в костях скелета при различных вариантах и ме- ханизмах травмы.

Что же касается закономерностей разрушения костного вещества, то оказалось, что переломы костей, содержащих большое количество коллагена (в детском и подростковом возрасте), происходят по законам, характеризующим хрупкопластические тела. Вполне зрелая кость при внешнем воздействии на нее разрушается в результате хрупкого излома. Исходя из названных закономерностей, установленных экспериментальным путем, можно выявить некоторые особенности, свойственные отдельным видам деформации: растяжению, сжатию и сдвигу.

В учении о механических свойствах материалов разрушение твердых тел определяют как разделение тела на части под действием механических нагрузок или напряжений и рассматривают как нарушение сплошности материала. При этом предполагается, что в любом физическом теле имеется значительное количество дефектов (трещин, микрополостей), в области которых создаются перенапряжения, далеко превосходящие средние на- пряжения в материале.

Разрушение является локальным и структурно чувствительным процессом, поскольку определяется явлениями, происходящими в области дефектов материала, и представляет собой заключительную стадию развивающейся деформации.

Принято различать три вида разрушений по ориентировке поверхности разрушения: а— отрыв (поверхность разрушения перпендикулярна действовавшим силам); б — поперечный сдвиг (поверхность разрушения параллельна действовавшим силам, направление разрушения совпадает с направлением сил, а фронт трещины перпендикулярен направлению сил); в—продольный сдвиг (поверхность разрушения параллельна действовавшим силам, направление разрушения параллельно фронту трещины).

При всех прочих равных условиях устойчивость материала внешним механическим воздействиям зависит не только от вида и характера воздействия, но и от геометрической формы конструкции. С этих позиций особен- ности переломов, возникающие от воздействия тупых предметов, целесообразно рассматривать раздельно для плоских и длинных трубчатых костей.

Признаки, характеризующие механизмы переломов при различных видах деформации, были нами показаны ранее и достаточно подробно освещены в специальной литературе (29).

Здесь нет необходимости останавливаться на их характеристиках. Следует лишь только указать, что при сгибании длинной трубчатой кости (поперечный удар или давление) выпуклая сторона кости испытывает растяжение, а вогнутая — сжатие. Поскольку кость прочнее на сжатие, чем на растяжение, то формирование перелома начнется в зоне действия максимальных растягивающих сил.

Общими морфологическими свойствами, указывающими на разрушение кости от растяжения, являются относительно ровная линия перелома (или мелкозернистая) как следствие разрыва костного вещества, прямоугольность края перелома и крупная зернистость поверхности излома. Трещина (или линия перелома) всегда располагается перпендикулярно по отношению к растягивающим усилиям.

Сформировавшаяся первичная поперечная трещина продолжается на боковые стороны кости, где вследствие начавшейся деформации главные растягивающие напряжения уже изменились. Трещина, распространяясь перпендикулярно по отношению к растягивающим напряжениям, отклоняется от начальной траектории и постепенно приближается к, противоположной стороне, где кость первоначально испытывала сжатие. На боковых сторонах от основной трещины, как правило, отклоняются дополнительные (веерообразные). В зоне бывшего сжатия поверхность излома характеризуется наличием крупной зубчатос-ти. Нередко уже на боковых сторонах линия перелома раздваивается, и тогда происходит формирование отломка треугольной формы (в профиль), основание которого всегда локализуется на стороне сжатия (13, 16, 28).

Что же касается плоской кости, то на пластинке, испытывающей сжатие, образуется выкрашивание края перелома.

При исследовании поврежденной плоской кости нередко можно наблюдать, что кость разъединена неполностью и трещина «затухает». Это является следствием того, что кинетическая энергия внешнего

воздействия была недостаточной для разрушения костного комплекса полностью и поглотилась явлениями частичной деформации. В конце такой трещины часто обнаруживается ее раздваивание вследствие особенностей

строения компактного и губчатого веществ. Названное раздвоение трещины в месте ее «затухания» помогает эксперту определить место приложения и направления действия силы. Угол, образованный раздвоением, указывает на место возникновения начального разрыва костного вещества.

Анализ топографии напряжений с учетом формы и структуры кости (или комплекса костей) позволяет в

каждом конкретном случае прогнозировать место образования и наиболее вероятный вид перелома при заранее заданных условиях травмы. С другой стороны, по характеру и особенностям перелома можно судить о топографии бывших силовых напряжений, восстанавливать механизм его возникновения и условия травмы, что является чрезвычайно важным в судебно-медицинском отношении при оценке конкретных материалов происшествия (14, 15).

Однако как названные, так и многие другие частные признаки деформации костной ткани справедливы

только для отдельного небольшого участка кости и не могут отражать полностью характера разрушения (динамика перелома) всей кости или комплекса костей (череп, грудная клетка, таз). Как было уже указано, и сама прочность комплекса костей, и характер его перелома, помимо условий внешнего воздействия, зависят от особенностей геометрической формы этого комплекса.

Исследования топографии силовых напряжений при компрессии различных черепов в экспериментах показали, что при одних и тех же условиях внешнего воздействия (идентичные точки приложения при сдавлении, строго дозированная постоянная нагрузка) в одних и тех же участках возникают неодинаковые по направлению, интенсивности и свойству силовые напряжения. Иными словами— при идентичных механизмах травмы в иссле- дуемых черепах регистрировалась различная в каждом конкретном случае топография силовых напряжений. Объяснение этому факту, противоречащему доктрине «типичные переломы при одинаковых механизмах травмы», было найдено после исследования краниометрических особенностей изучаемых черепов.

Оказалось, что, несмотря на индивидуальные особенности в топографии напряжений, присущие каждому черепу, их представилось возможным объединить в три Основные группы, наиболее сходные между собой по локализации и направлению растягивающих и сжимающих напряжений. В отношении краниометрических особенностей эти группы оказались брахи-, мезо- и долихокефалы. Только в пределах этих групп с определенными индивидуальными особенностями можно говорить о большей или меньшей типичности пе- реломов, возникающих при идентичных внешних воздействиях.

Еще большие варианты в топографии силовых напряжений были выявлены при исследовании костей лицевого скелета. Однако и здесь была отмечена зависимость характера деформации от формы и соотношений размеров лицевого скелета. Определенное влияние оказывает и форма мозгового черепа. Так, было найдено, что при действии тупых предметов на среднюю зону лицевого скелета последняя в большей степени подвержена трав- матизации у долихокефалов.

Один и тот же механизм внешнего воздействия, например компрессия в направлении переносье- затылочный бугор, при брахиокранной форме черепа вызывает перелом типа Фор-III, а для долихокранного строения более характерным является раздробление верхней челюсти или образование перелома типа Фор-П (5, 19, 25).

Наиболее сходным строением у разных лиц обладает нижняя челюсть. При тензометрии этой кости обнаруживаются незначительные различия в топографии силовых напряжений, что лишний раз свидетельствует о

прямой зависимости распределения сил сжатия и растяжения при внешней нагрузке от особенностей формы кости.

Электротензометрические исследования комплекса костей грудной клетки свидетельствуют о неравнозначности силовых напряжений, возникающих в отделах этого комплекса при различных механизмах внешнего воздействия.

Сопоставление электротензометрических и остеометрических данных показало, что распределение силовых напряжений, например при компрессии, в значительной степени зависит не только от направления внешнего воздействия, но и формы грудной клетки. На основании сравнения величин и локализации силовых

напряжений в костях грудной клетки удалось установить по крайней мере три типа топографии напряжений в зависимости от особенностей строения и формы грудных клеток—плоскую, цилиндрическую и коническую (2, 9).

Нечто подобное было обнаружено при исследовании костей таза. Различия в топографии силовых

напряжений при идентичных условиях внешнего воздействия в совокупности с остеометричсскими исследованиями также позволяют выделять три типа строения таза — платигиерический, долихогиерический и гиподолихогиерический (23).

Индивидуальные особенности в топографии силовых напряжений в меньшей степени, но достаточно ясно выраженные, были обнаружены и при исследовании длинных трубчатых костей (12, 27, 28).

Итоги проведенных исследований позволяют вполне обоснованно утверждать, что сходные по типу и морфологии переломы при идентичных механизмах внешнего воздействия характерны только для костей, очень близких друг к другу по своим остеометрическим параметрам и форме. Постулирование же типичных переломов

для одноименных костей при одинаковых механизмах свидетельствует о механистическом подходе к решению такой сложной проблемы, как деформация костной ткани в условиях экстремальных 'нагрузок.

Таким образом, для диагностики механизмов травмы при анализе переломов от действия тупых твердых предметов является совершенно необходимым учет остеометрических особенностей поврежденной кости.

Следует указать, что на топографию силовых напряжений значительное влияние оказывает наличие дефектов в кости (различные аномалии, foramen nutritia, трепанационные отверстия и т.д.), которые выступают в качестве концентраторов силовых напряжений.

Отмечено, что в плоских костях таких комплексов, как череп или таз, трепанационные отверстия или

участки после резекции кости в процессе заживления с течением времени принимают всегда округлую или овальную формы. Более того, такие дефекты не имеют тенденции к заращению. Возникшие при оперативном вмешательстве отдельные выступы, неровности, острые углы и западения постепенно выравниваются, образуя ровный и гладкий край правильного овального (или максимально приближающегося к нему по форме) отверстия.

Такой процесс заживления и одновременной резорбции плоской кости можно объяснить только одним положением — концентрацией силовых напряжений в области отверстия. Такие напряжения способны раз- виваться не только в силу внешних причин, например мышечной тяги, но и быть следствием так называемого собственного внутреннего напряжения кости (17), которое было зарегистрировано В. И. Лощиловым, Г. А. Ни- колаевым и Э. П. Бабаевым в 1976 г. Ответственным за возникновение такого напряжения следует, по всей видимости, считать коллаген кости.

Названное обстоятельство, в свою очередь, ставит проблему изучения функциональных особенностей кости и ее последующей адаптации после бывших повреждений и оперативных вмешательств. Кроме того,

открывается возможность физиологически и математически обосновать решение некоторых сторон техники операции на костях, замещение дефектов и протезирование.

Все эти проблемы требуют своего дальнейшего решения, в том числе и с позиций биосопромата.

Атлас построен по анатомическому принципу и разделен на 5 глав. В каждой главе рассматриваются

наиболее часто встречающиеся варианты воздействия тупыми предметами и механизмы деформации в зависимости как от различных условий травмы, так и от индивидуальных особенностей строения костей при идентичных условиях повреждений.

На схемах, как правило, представлены поля только максимальных растягивающих (штриховка в одну линию) и сжимающих напряжений (штриховка перекрещивающимися линиями). Их соотношения фиксируют топографию напряжений, предшествующую моменту непосредственного разрушения кости — началу формирования перелома.

В главе I показаны разновидности топографии силовых напряжений в зависимости от формы мозгового черепа и лица, а также от условий внешнего воздействия. Избраны наиболее часто встречающиеся виды воздействия тупыми твердыми предметами, а также случаи падения с высоты и ударов головою о твердое покрытие.

Характер и особенности повреждений костей черепа при ударах тупыми предметами или при сдавлении ими приобретают свои характерологические признаки. Это, в свою очередь, открывает возможность выделения диагностических тестов для установления условий повреждения по виду и характеру переломов.

При идентичных условиях травмы наиболее резкие отличия в локализации и своеобразии переломов и трещин костей свода и основания констатируются при анализе повреждений черепов крайних форм, т. е. брахиоцефалов и долихоцефалов. Черепа же мезоцефалической формы не только по краниометрическим, но и биомеханическим свойствам занимают промежуточное положение, что сказывается на характере и локализации повреждений.

Следует заметить, что и внутри выделенных трех групп имеется множество вариантов и отклонений. Это позволяет сделать заключение о том, что в каждом отдельно взятом случае травмы черепа характер линий переломов и трещин является индивидуальным.

С другой стороны, можно отметить, что при неодинаковых механизмах травмы на черепах различной конфигурации возникают внешне сходные повреждения. Названное положение может явиться источником экспертных ошибок, если при анализе характера повреждений наряду с обстоятельствами происшествия не будут приняты во внимание индивидуальные особенности строения и формы черепа.

Представлены и варианты повреждений костей лицевого скелета при идентичных условиях травмы, но в

зависимости от особенностей размеров и форм лица

Глава II посвящена повреждениям позвоночника, этой сложной кинематической цепи, которую в целом можно рассматривать как осенесимметричный сильфон. Работу такого осенссимметричного сильфона при осевом нагружении (например, падение с высоты на голову) должно оценивать в совокупности с характером деформации черепа. В рассматриваемом примере концентрация напряжений возникает в участке с меньшим радиусом, т. е. в шейном отделе. При этом на характер и выраженность деформации большое влияние оказывает так называемая реакция опоры, в данном случае—устойчивость свода черепа, которая, в свою очередь, зависит от его формы. Таким образом, характер и локализация повреждений при падении с высоты на голову зависит от ряда биомеханических и морфологических предпосылок. К ним относятся величина кинетической энергии, зависящая от высоты падения, длина шейного отдела, форма черепа и положение головы в момент удара. Так, при всех прочих равных условиях при брахиоцефалической форме черепа и длине шейного отдела более 13 см в первую очередь формируются переломы тел позвонков, при длине этого отдела менее 13 см образуются только переломы костей свода черепа.

При долихо- и мезоцефалической формах черепов повреждения позвоночника в этих условиях комбинируются с локальными переломами костей свода черепа.

«Прямая» травма позвонков тупыми твердыми предметами характеризуется в каждом конкретном случае особенностями топографии силовых напряжений, возникающих при деформации и формирующих виды переломов.

В главе III рассматриваются особенности травматизации комплекса костей грудной клетки или отдельных ее частей. Исследованы наиболее часто встречающиеся варианты повреждений грудного отдела, в том числе и при некоторых видах автотранспортной травмы.

На основании электротензометрических исследований оказалось необходимым выделять по меньшей

мере три типа грудных клеток:

цилиндрическую, коническую и плоскую. Топография силовых напряжений достаточно убедительно характеризует и биомеханические свойства названных типов грудных клеток. Наибольшей устойчивостью к внешним воздействиям обладает грудной комплекс, имеющий цилиндрическую форму, наименьшей— плоскую.

Форма грудных клеток при травме плоскими твердыми предметами оказывает решающее влияние на локализацию переломов ребер.

Глава IV отражает процессы деформации, возникающие в таком многосложном комплексе, как таз. Для анализа и иллюстраций свойств повреждений таза использованы как экспериментальные данные, так и экспертные наблюдения. Довольно интересным оказался тот факт, что в отличие от принятого анатомического деления таза по форме на мужской и женский (т. е. платигиерический и долихо-гиерический) по свойствам топографии силовых напряжений необходимо выделить и третий тип — гиподолихогиерический. Этот тип

строения комплекса костей таза имеет свои индивидуальные особенности деформации при травме тупыми предметами.

Глава V посвящена наиболее часто встречающимся в травматологической практике видам деформации длинных трубчатых костей верхних и нижних конечностей.