Характер переломов трубчатых костей возникающих от деформации кручения

Поделиться с друзьями

К обоснованию механизма и особенностей переломов длинных трубчатых костей при сложных видах деформаций

Кафедра судебной медицины (зав.— канд. мед. наук О.Н. Черненко) Благовещенского медицинского института

К обоснованию механизма и особенностей переломов длинных трубчатых костей при сложных видах деформаций. Черненко О.Н., Томилина Л.А. Суд.-мед. эксперт., 1977, № 4, с. 13-16.

Представлено теоретическое обоснование механизма и особенностей переломов диафизов длинных трубчатых костей при комбинации деформаций кручения и изгиба.

ON THE BASIS OF MECHANISM AND PECULIARITIES OF LONG BONE FRACTURES IN COMPLICATED TYPES OF DEFORMATIONS

O. N. Chernenko, L. A. Tomilina

A theoretical basis is presented for formation of spiral fracture lines in long bone diaphyses in combined twist and bend deformations.

библиографическое описание:
К обоснованию механизма и особенностей переломов длинных трубчатых костей при сложных видах деформаций / Черненко О.Н., Томилина Л.А. // Судебно-медицинская экспертиза. — М., 1977. — №4. — С. 13-16.

Внешние нагрузки на кость нередко приводят к сложным деформациям ее, из которых чаще встречаются комбинации кручения и изгиба. Морфологические особенности переломов и их биомеханизм обусловлены, с одной стороны, топографией распределения напряжений, характерной для каждого конкретного вида деформации, с другой,— значительным влиянием на особенности возникновения внутренних сил упругости сопутствующих воздействий.

Рис. 1. Схема деформации диафиза кости.
а — схема деформации диафиза в момент кручения; б — схема взаиморасположения элементов кости при деформации кручения; в — схема возникновения касательных напряжений при деформации сдвига; г — схема возникновения главных нормальных напряжений при деформации сдвига и формирования винтообразного перелома.

На наш взгляд, механизм указанных переломов с учетом характера разрушения (38 опытов по моделированию травмы) и особенностей распределения напряжений костной ткани (12 экспериментов с электротензометрией) при использовании принципов «сопротивления материалов» может быть объяснен следующим образом.

Если условно нанести на боковую поверхность длинной трубчатой кости сетку, состоящую из продольных линий (образующих) и окружностей (внешние контуры поперечных сечений), то под действием крутящего момента (Мn) все образующие окажутся повернутыми на один и тот же угол (ϒ), а прямоугольники, представленные сеткой,— перекошенными, приняв форму ромбов (рис. 1, а). В то же время ось диафиза (012) останется прямой, поперечные сечения (1—1 и 2—2) сохранятся плоскими, как и до деформации, расстояние между сечениями (Δt) не изменится (рис. 1, б). Следовательно, диафиз длинной трубчатой кости представляет собой как бы систему жестких кружков с центрами на общей оси 12). При деформации кручения эти кружки, не меняя своего вида, размера и взаимных расстояний, поворачиваются один относительно другого на определенный угол (φ), называемый углом закручивания (Н.М. Беляев, 1962).

При данных условиях крутящие моменты за счет относительного поворота поперечных сечений диафиза ведут к тому, что костная ткань испытывает деформацию чистого сдвига, под которым понимается такой вид плоского напряженного состояния, когда на двух взаимно перпендикулярных площадках, ориентированных определенным образом, действуют только касательные напряжения (А.Ф. Смирнов, 1975).

Для понимания этого момента, пользуясь правилами «сопротивления материалов», выделим на поверхности диафиза с помощью двух образующих (t1 — t2 и t3 — t4) и двух поперечных сечений (t—t и 2—2) элементарный участок ABCD, прочностные свойства которого идентичны остальным (рис. 1, в). По граням указанного элемента соответственно поперечным сечениям действуют касательные напряжения (τ1), ориентированные во взаимно противоположных направлениях; (по ходу вращения каждого конца диафиза). Касательные напряжения (τ2), согласно «закону парности», возникают и на гранях, соответственно образующим (В.И. Феодосьев, 1963). Данное положение полностью подтверждается электротензометрическими исследованиями.

Из свойств напряженного состояния элементарного участка ABCD при деформации сдвига следует, что по площадкам, наклоненным к оси диафиза, действуют главные растягивающие (σpϰ) и сжимающие (σcϰ) напряжения, которые равны между собой и численно равны экстремальным касательным напряжениям (σpϰ=τ, σcϰ = -τ) (рис. 1, г). Главные площадки (A1B1C1D1) по отношению к площадкам чистого сдвига (ABCD) находятся под углом 45°, под которым проходит траектория главных нормальных напряжений, представляющая винтовую линию (H—H) (Н.М. Беляев, 1962).

Так как кость представляет собой хрупкий материал, хуже работающий на растяжение, чем на сжатие, она разрушается от действия главных растягивающих напряжений по винтовой (H—H) линии. Восстановив перпендикуляр к этой линии, можно определить направление вращения любого конца кости.

Однако подобный перелом образуется только при чистом кручении, присоединяющаяся деформация изгиба значительно меняет направление винтообразной линии. Это явление связано с тем, что на вогнутой стороне диафиза на элементарный участок (.A1B1C1D1) действуют растягивающие (σpϰ) и сжимающие (σcϰ) напряжения, обусловленные кручением. Кроме того, этот же объект подвергается дополнительным сжимающим напряжениям изгиба (σcϰ), идущим вдоль кости (рис. 2, а). Векторное сложение внутренних сил упругости свидетельствует о том, что главные растягивающие напряжения (σр 1 ) уменьшаются и ориентируются ближе к поперечному сечению диафиза, сжимающие (σc 1 ) — увеличиваются и располагаются вдоль кости. Это обстоятельство приводит к распространению винтообразной линии в. данной области вдоль диафиза (H — H). Выраженные сжимающие напряжения (σc 1 ) увеличивают вероятность разрушения кости за счет присоединяющегося поперечного растяжения.

На противоположной стороне кости происходит сложение растягивающих (σpϰ) и сжимающих (σcϰ) напряжений кручения с растягивающими напряжениями изгиба (σpϰ) (рис. 2, б). Векторное сложениe их свидетельствует о том, что происходят увеличение главных растягивающих напряжений (σp 1 ) с ориентацией их ближе к продольной оси кости и уменьшение сжимающих (σp 1 ), направление которых приближается к поперечному. Это явление приводит к распространению винтообразной линии в данной области поперек диафиза (H2 — Н2).

Одновременно с формированием винтообразной линии, обусловленной преимущественно кручением, происходит разрушение кости за счет изгиба. При этом часть винтообразной линии, идущей на выпуклой стороне кости в поперечном направлении, является одновременно и первичной поперечной трещиной, обусловленной изгибом, которая возникает от действия главных растягивающих напряжений (σp 1 ). Далее в сжатой зоне формируется трещина в результате сдвига с образованием костного фрагмента, имеющего в профиль треугольную форму, второй стороной которого является винтообразная линия.

Рис. 2. Схема напряжений при деформации диафиза кости.
а — схема векторного сложения главных нормальных напряжений на вогнутой стороне диафиза и изменения направления винтообразного перелома в связи с изгибом; б — схема векторного сложения главных нормальных напряжений на выпуклой стороне диафиза и изменения направления винтообразного перелома в связи с изгибом; в — полное формирование перелома диафиза кости при комбинации деформаций кручения и изгиба.

Для понимания этого момента, пользуясь правилами «сопротивления материалов», выделим в сжатой зоне элементарный участок (A2B2C2D2) (рис. 2, в), прочностные свойства которого идентичны остальным. На него при данных условиях будут действовать два вида напряжений — нормальные сжимающие изгиба (σcϰ) и касательные (τа). В силу хрупкости кости она не может разрушаться в направлении, перпендикулярном нормальным сжимающим напряжениям, и трещины возникают в результате сдвига под углами 45° и 135°, т. е. в плоскостях, где касательные напряжения приобретают максимальные значения.

Данное объяснение биомеханизма переломов длинных трубчатых костей при комбинации деформаций кручения и изгиба не исчерпывает всего многообразия их вариантов, когда имеет место большая или меньшая выраженность одной из деформаций. Однако знание общих закономерностей разрушения кости поможет экспертам правильно ориентироваться в определении механизма травматизации костной ткани и тем самым правильно решать вопросы по воссозданию обстоятельств происшествия.

Некоторые особенности формирования переломов

Некоторые особенности формирования переломов / Янковский В.Э. // Мат. VI Всеросс. съезда судебных медиков. — М.-Тюмень, 2005.

библиографическое описание:
Некоторые особенности формирования переломов / Янковский В.Э. // Мат. VI Всеросс. съезда судебных медиков. — М.-Тюмень, 2005.

Рассмотрен вопрос о том, что перелом чаще формируются не в результате какой-то простой деформации (растяжения, сжатия или изгиба), от их комбинации с присоединением элементов кручения. Это оказывает значительное влияние на морфологические особенности переломов, что необходимо учитывать при определении механизмов их образования и условий травмы.

Образование перелома – многофакторный процесс взаимодействия внешней нагрузки и кости. На этот процесс оказывают влияние, как свойства этой нагрузки, так и свойства самой кости на органном и структурном уровнях. В результате в кости возникают на органном уровне возникают 4 вида деформация: растяжение, сжатие, изгиб и кручение, каждое из которых характеризуется определенными морфологическими свойствами перелома.

Сложность строения конкретной кости как конкретного органа (разная общая форма, толщина, форма поперечного сечения, кривизна разных участков, асимметрия относительно сагиттальной и фронтальной плоскостей) обусловливают неоднозначные процессы деформации даже при простых ее видах.

Опыт исследования переломов показывает, что наиболее часто они возникают при действии одного из видов деформации – изгиба, когда, например, прямолинейный стержень становится изогнутым. Это может быть результатом поперечного или продольного изгибов. Здесь и переломы нижних конечностей при фронтальном ударе легковым автомобилем, местный изгиб ребра или прогибание кости свода черепа при ударах твердым тупым предметом, переломы диафизом трубчатых в случаях падения человека с высоты на ноги и мн. др. При этом возникают как локальные, так и конструкционные переломы.

Типичным представителем конструкционного переломы являются винтообразные, образующиеся при деформации кручения, когда на кость действует пара сил, равная по величине, приложенная к концам кости, вызывающая их скручивание в противоположном направлении. На практике оказывается, что одна часть кости оказывается фиксированной (например, связками в суставе или опорная нога при кручении туловища в случаях тангенциального удара движущимся автомобилем), а другая – получает активный крутящий момент.

Механизм образования винтообразных переломов диафизов трубчатых костей детально описан нами [4]. Элементами винтообразного перелома следует считать его винтообразную часть, которая, огибая диафиз, проходит по гелликоидной поверхности, а ее излом со свободной поверхностью кости составляет угол 90 0 , но и концевые отделы, один из которой приобретает лезвиеобразный вид и образуется за счет расщепления кости.

Проведенные нами сотрудниками кафедры судебной медицины последующие исследование, показали, что деформация кручения в чистом виде на практике наблюдается довольно редко. Кручение часто сочетается с поперечным и продольным изгибами. В этих случаях внешняя сила, вызывающая изгиб, действует не симметрично относительно осей кости, а смещена к одному из краев. Такая осенесимметричность может быть обусловлена и не симметричным строением самой кости. В результате несовпадения вектора нагрузки и механической кости возникают элементы кручения. Например, в силу несимметричности поперечного сечения большеберцовой кости при поперечном изгибе она всегда приобретает вращение, занимая наиболее устойчивое противодействующее положение.

В результате такого сочетания изгиба и кручения возникают оскольчатые переломы диафизарных отделов трубчатых и других костей[4].

Элементы винтообразности обнаруживаются в переломах ребер, когда они подвергаются косому изгибу при воздействии в область грудной кости (удар или сдавливание грудной клетки спереди назад с приложением силы в грудину).

При этом симметричные ребра на уровне воздействия будут подвергаться поперечному изгибу по типу изгиба консольной балки с образованием симметричных поперечных переломов. Выше и ниже расположенные ребра испытывают косой изгиб, они скручиваются с образованием косых встречно направленных переломов. Эта закономерность в расположении и виде переломов (поперечные и косые) послужила основой в разработке метода векторографического анализа и определения места воздействия [3].

Винтообразность присуща и переломам ребер в поясничных отделах. Прежде всего, это сильное сдавливание грудной клетки в переднезаднем направлении, например, при переездах через ее переднюю поверхность колесами движущегося автомобиля. При этом происходит уплощение грудной клетки с одновременным опусканием ребер, особенно, среднего «этажа» и прилежащих ребер – нижнего. В поясничном отделе ребра одновременно разгибаются и скручиваются с образованием или винтообразных, или винтообразно-оскольчатых переломов с расположением винтовой части на заднее-верхней поверхности [2].

Другое условие образование винтообразных переломов ребер в поясничном отделе описано А.И.Коноваловым [1]. Это падение человека с высоты в положении «сидя» со сгибанием туловища кпереди. При этом грудная клетка, ударяясь о переднюю поверхность бедер, испытывает сдавливание спереди назад. Ребра нижнего «этажа», кроме свободных ребер, поднимаются вверх. Их задние отделы сгибаются и скручиваются с образованием винтообразных или винтообразно-оскольчатых переломов в шеечном отделе, винтообразная часть которых располагается на нижней и передней поверхностях.

Элементы винтообразности могут формироваться на переломах скуловой дуги при ее осенесимметричном разгибании, иногда на переломах подъязычной кости в силу косого расположения ее больших рогов. Эти элементы могут быть найдены и в переломах костей черепа.

Таким образом, переломы костей редко образуются от действия какого-либо одного простого вида деформации. Обычно возникает их комбинация, о чем свидетельствует комплекс морфологических признаков. Выявление этих признаков в переломе, их анализ и сопоставление позволяет уточнить механизм образования перелома (переломов) и условия травмы.

Последовательность возникновения переломов костей от деформации изгиба при действии на кость силы под углом 75—90°

Под действием силы кость дуговидно изгибается (рис. 49). На выпуклой стороне кости происходит растяжение, а на вогнутой — сжатие. Кость менее устойчива к растяжению и более — к сжатию. Если действующая сила преодолеет сопротивление кости, то на стороне растяжения начинается разрыв кости, переходящий в трещину, вначале идущую поперечно к направлению длинника кости. Дойдя до так называемой нейтральной зоны, где силы сжатия и растяжения выражены минимально, трещина начинает раздваиваться, образуя костный фрагмент треугольной формы. От линии раздвоения на верхнем и нижнем фрагментах кости образуются веерообразные трещины, иногда соединяющиеся между собой и формирующие осколки полулунной формы (рис. 50).

Рис. 49. Последовательность возникновения перелома кости от деформации изгиба при действии силы на кость под углом 75-90 градусов. Рис. 50. Перелом кости от деформации изгиба при действии силы на кость под углом 75-90 градусов: р - место приложения силы, основание треугольного осколка

Последовательность образования переломов костей от деформации изгиба при действии силы на кость под углом 30—75°

При ударе под острым углом (рис. 51) кость одновременно испытывает воздействие, как в поперечном, так и в продольном направлении (правило параллелограмма). В момент удара кость подвергается изгибу в точке приложения силы А (рис. 51а). В это же время возникает волнообразное колебание в области диафиза 2 (рис. 51 б). В этих неблагоприятных условиях кость не может противостоять продольным компрессионным силам, и возникает один или два добавочных перелома, идущих в косопоперечном направлении (рис. 51 в). Один добавочный перелом образуется при ударе под углом 75° — безоскольчатый, имеющий всегда косое направление. Второй добавочный перелом, возникая, как правило, от удара под углом 40—45° к продольной оси кости, имеет почти поперечное направление 4 (рис. 51 г) и четко выраженные признаки «вколачивания», о чем свидетельствуют отходящие от края перелома продольные трещины кости (рис. 52).

Последовательность образования переломов костей от деформации изгиба при действии силы на кость под углом 30-75 градусов

Рис. 52. Переломы костей от деформации изгиба при действии силы на кость под углом 30-75 градусов. Рис. 53. Переломы кости от сдвига или среза при резком ударе под углом 90 градусов тупым твердым орудием с ограниченной поверхностью

Последовательность образования переломов костей от деформации сдвига или среза при резком ударе под углам 90° тупым твердым орудием с ограниченной поверхностью

Такой удар в месте приложения силы вызывает разрыв кости и, как правило, образование кольцевидного осколка с поперечной или косопоперечной линией, от краев которой иногда отходят трещины, образующие осколки, чаще всего ромбовидной формы (рис. 53).

Последовательность возникновения переломов длинных трубчатых костей от деформации кручения

От действия пары сил, вращающихся в противоположные стороны, в кости образуется напряжение, проходящее соответственно винтообразной линии, по которой вначале разрывается кость. Вследствие изгиба цилиндра кости на противоположной винтообразной линии стороне возникает сжатие и образуется прямая линия. По этим признакам определяют направление вращения. Спиралевидные переломы могут быть безоскольчатыми и оскольчатыми (рис. 54).

Рис. 54. Последовательность образования перелома кости от деформации кручения. Рис. 54. Перелом кости от деформации сжатия при одновременной компресии

Последовательность возникновения переломов костей от деформации сжатия при одновременной компрессии в продольном направлении

Такая компрессия увеличивает поперечник трубчатой кости. В наружном слое возникают продольные трещины от растяжения и поперечные — от изгиба. Нижний конец сломавшейся кости лучше фиксирован, чем верхний. Вследствие этого вклинивается нижний конец, а наползает верхний, вклиниваясь в губчатое вещество нижнего. Такие переломы нередко сочетаются с переломами, продольно раскалывающими нижний конец кости (рис. 55).

Последовательность возникновения переломов костей от деформации сжатия при одномоментной двусторонней компрессии кости в поперечном направлении

Компрессия в поперечном направлении в пределах упругой деформации уменьшает сечение в направлении давления и увеличивает диаметр в направлении растяжения. Разрушение кости начинается с появления продольных трещин от растяжения по наружной поверхности кости вне места приложения силы и внутренней поверхности кости — в зоне действия силы. Продолжающееся действие силы вызывает разрыв кости с образованием треугольных осколков, основанием обращенных соответственно в полость костномозгового канала и к наружной поверхности кости (рис. 56).

Образовавшиеся костные отломки имеют видарок, при разрушении которых вторично возникают продольные трещины.

Сдавление кости под углом менее прямого исдавление со смещением сдавливающих орудий сопровождается образованием «козырька» (рис. 57).

Последовательность сдавления перелома кости от деформации сжатия при одномоментной двусторонней компресии в поперечном направлении

Сдавление кости под углом менее прямого и сдавление со смещением сдавливающих орудий

Порядок описания переломов трубчатых костей, причиненных тупыми орудиями травмы

1. Наименование перелома (открытый, закрытый, оскольчатый, крупно- и мелкооскольчатый, раздробление костей, косой, поперечный, винтообразный, вколоченный и др.).

2. Локализация перелома.

3. Высота расположения верхнего конца нижнего фрагмента (измеряется при описании переломов от сдвига и изгиба).

4. Количество осколков.

5. Форма осколков (треугольная, серповидная, пилообразная).

6. Что образуется при сопоставлении.

7. Направление вершины и основания.

8. Ход линий перелома от вершины.

9. Характеристика линий растяжения и сжатия.

Источник