Признаки сжатия и растяжения кости

/>

Одной из главных задач судебно-медицинского эксперта при исследовании
переломов является определение механизма их образования, а затем и —
условия травмирования. В этом плане сломанные кости могут быть
основными носителями информации, поскольку, в отличие от других
тканей организма, они более устойчивы к влияниям факторов внешней
среды и сохраняются долгое время. Для того, чтобы хорошо
ориентироваться в свойствах перелома, необходимо знать сам объект
исследования (кость), закономерности формирования перелома и его
основные морфологические свойства.

Кость как ткань является сложным соединением и представлена межклеточным веществом,
составляющим основную массу кости и определяющим её физические и
биомеханические свойства. Межклеточное вещество состоит из
органической и неорганической основы. Органические вещества
составляют 30% костной ткани, неорганические — 60% и 10% —
вода. Из органических соединений на долю основного белка кости —
коллагена приходится 95%, 2/3 которого составляют глицин, пролин и
гидроксипролин.

Неорганическая основа почти полностью представлена минеральным веществом —
кристаллами гидроксилапатита. Незначительная часть приходится на
В-трикальций фосфат и карбонат-апатит. Кристаллы гидроксилапатита
имеют большую активную поверхность, которая для одного грамма кости
составляет до 250м2,
а для всей костной ткани скелета — около 2 км2.
Такая большая поверхность обеспечивает стабильный солевой обмен.
Прочность гидроксилапатита на разрыв доходит до 70 кгс/см2.

По данным В.И. Лощилова (1971), костная ткань обладает важным свойством —
собственными напряжениями.

Определение механизмов образования переломов связаны с комплексным подходом к
изучаемой проблеме: исследование физических свойств костной ткани,
анализ закономерностей деформации и разрушения с учетом структурных
и геометрических особенностей костей, моделирование переломов в
заведомо известных условиях эксперимента и сопоставление полученных
данных с экспертными наблюдениями.

Закономерности деформации костей и костных комплексов были выявлены методом
электротензометрии с использованием датчиков омического сопротивления
и соответствующей регистрирующей аппаратуры (Крюков В.Н., 1966; Г.Т.
Бугуев, 1969; П.П. Горобец, 1971; Ж.Д. Мищенко, 1971; О.Н. Черненко,
1971; В.С. Семенников, 1972; А.М. Кашулин, 1974; В.Э. Янковский,
1974; В.О. Плаксин, 1976; Б.А. Саркисян, 1977; А.И. Коновалов, 1983),
что позволило составить мозаичную картину распределения силовых
напряжений как в отдельных костях, так и в костных комплексах;
выделить критические участки с концентрацией максимальных напряжений,
локализация которых зависит от формы изучаемых объектов, направления
внешнего воздействия, а также установить направление главных
напряжений как ответственных за начало разрушения и последующее
формирование перелома.

Нередко в травматологической и судебно-медицинской литературе в понятие
механизм образования перелома вкладывается другое содержание —
условия его образования. В образовании перелома выделяется только два
момента: действие внешней силы и результат этого действия — перелом,
и опускается промежуточный этап — то, что происходит в кости в
момент травмы.

Несмотря на кратковременность формирования перелома, это явление проходит ряд
промежуточных этапов. Поэтому механизм образования переломов, в общем
виде, следует рассматривать как процесс воздействия внешней силы на
кость, сопровождающегося ее деформацией с развитием внутренних
напряжений, вызывающих дислокацию костных структур с последующим
зарождением, ростом и распространением трещин, приводящих к нарушению
ее целости.

Под воздействием внешних сил кость подвергается деформации с развитием трех видов
напряжений: растяжение, сжатие и касательные напряжения. Эти
напряжения обусловливают разрушение кости от единства отрыва и
сдвига. Причем разрушение может идти по хрупкому или пластическому
типу.

В природе нет абсолютно хрупких или пластических тел. Преобладание хрупкого или
пластического типов разрушения зависит от свойств материала и
скорости нагружения. Однако, то и другое разрушение всегда начинается
с разной степени выраженности пластической деформации и заканчивается
разрывом.

Кость в этом отношении не является исключением, и формирование перелома следует
рассматривать с позиций положений механики разрушения твердых тел,
которая выделяет два механизма разрушения: микроскопический,
связанный с образованием микротрещин на структурном уровне, и
макроскопический, характеризующийся образованием магистральной
трещины, разделяющей тело на части.

Изучение закономерностей деформации костной ткани электротензометрическим
методом показывает, что в начале нагружения кость, воспринимая
нагрузку, не деформируется. Это так называемый период жесткости,
продолжительность которого зависит от формы кости (или костного
комплекса ) и формы его поперечного сечения. Далее наблюдается
увеличение внутренних напряжений соответственно росту нагрузки —
период пропорциональности, переходящий в период текучести, когда эта
пропорциональность нарушается. Причем период текучести для кости,
относящейся к материалам с хрупко-пластическими свойствами, также
короток. Затем следует взрывообразное формирование перелома,
занимающее по времени около 0,0025 сек.

Исследования последних лет (В.Э. Янковский и В.А. Клевно, 1989, 1990; Хачатрян
А.С., 1990; Горяинов О.П., 1992;) показали, что в формировании
перелома также можно выделить микро- и макроскопический механизмы
разрушения. Это подтверждается и обнаружением микротрещин в костях
при неразрушающих, подпороговые нагрузках. Во время деформации кости
в ней накапливается потенциальная энергия, которая «снимается»
образующимися микротрещинами, т.е. происходит своеобразное ее
«деформационное упрочение». Первые микротрещины
появляются при нагрузке, составляющей 58% от предельной. Дальнейшая
деформация требует последовательного поступления энергии. Число
микротрещин возрастает, и их количество за «критической
массой» реализуется в образовании магистральной трещины. Иными
словами, появление дислокаций, зарождение и раскрытие микротрещин, их
слияние, появление, рост и раскрытие магистральной трещины требует
постоянной инъекции внешней энергии. Иначе «процесс»
остановится на каком-то этапе.

Во время деформирования кости микротрещины появляются, прежде всего, в
критических участках, т.н. концентраторов напряжений —
неоднородностей костной ткани (лакуны остеоцитов, фолькмановские и
гаверсовы каналы, участки с повышенной минерализацией, линии
цементации). Эти неоднородности расположены таким образом, что при
выполнении костью физиологической функции вокруг них внутренние
напряжения не концентрируются. В то же время в нефизиологических
условиях они выступают в роли концентраторов напряжения и инициируют
появление микротрещин. Микротрещины образуют магистральную, которая
формирует перелом.

Образовавшийся перелом, независимо от его локализации и вида сломанной кости,
обладает общими признаками, формирующимися в процессе разрушения
кости. Кроме общих, переломы имеют некоторые особенности морфологии,
обусловленные рядом факторов, одним из которых является внешнее
воздействие. Это понятие включает в себя вид воздействия
(динамическое, статическое) и свойства травмирующего предмета (масса,
размеры, форма).

Динамическое воздействие, или удар, кратковременное (менее 0.1- 0.01 секунды)
взаимодействие травмирующего предмета с телом человека. Чем короче
время соударения, тем больше энергии передается поражаемой части тела
и тем больше объём повреждений.

Статическое воздействие, или сдавление, взаимодействие тела или части тела с
двумя массивными твердыми предметами, движущимися навстречу друг
другу, один из которых является «активным», другой, как
правило, — пассивным. В отличие от удара, статическое сдавление может
продолжаться в течение нескольких секунд или минут.

Ударное воздействие бывает высокоскоростным (в течение нескольких
миллисекунд), когда деформация не успевает распространиться на весь
объём травмируемого объекта, и в месте удара возникают значительные
местные деформации, что сопровождается локальным разрушением. В
экспертной практике такой вид воздействия наблюдается при
огнестрельных повреждениях.

Среднескоростные удары (0.1- 0.01 секунды) — это действие твердого тупого
предмета, приведенного в движение рукой человека, или удар
выступающими частями движущегося транспорта, или падение с высоты.
Объём повреждений в этих случаях будет зависеть от массы и размеров
травмирующего предмета. При ударах ограниченным предметом, кроме
локальных переломов, формируются и локально-конструкционные. При
значительной же массе к этим переломах присоединяются и
конструкционные за счет более распространенной общей деформации.

Кроме указанных ударных воздействий, в экспертной практике часто наблюдаются
ситуации, когда тело или часть тела человека повреждается от
динамического сдавления между твердыми предметами с широкой
травмирующей поверхностью, а время воздействия укладывается в
параметры среднескоростного удара (0.1- 0.01 секунды). Это
воздействие следует обозначить как «ударное сдавление»
(Шадымов А.Б., Янковский В.Э., Саркисян Б.А., 2000).

При всех этих видах воздействий в кости развивается сложная мозаика внутренних
напряжений (сил сжатия и растяжения), ориентация которых зависит от
конструктивных особенностей кости или костного комплекса и
направления внешнего воздействия. Кроме этого в деформируемой кости
возникают касательные напряжения, максимального значения которые
достигают в плоскостях 450 и
1350 к вектору внешней силы или главных напряжений.

В то же время в кости, в месте воздействия внешней силы, образуются участки, где
костная ткань подвергается преимущественному растяжению или сжатию.

Если провести аналогию с механикой разрушения материалов, то в переломе следует
выделить три зоны: начало формирования перелома, где возникает
магистральная трещина и образуется первоначальное разъединение кости
(зона разрыва). Противоположная часть перелома — зона долома и
промежуточная — зона распространения, которая хорошо выявляется
на костях с выраженным компактным веществом (диафизы трубчатых
костей).

Проведенные фрактологические исследования позволяют каждую из зон
охарактеризовать определенными общими морфологическими свойствами.

В зоне разрыва края перелома относительно ровные, прямоугольные (плоскость перелома
составляет с поверхностью кости угол 90°),
сопоставляются хорошо, иногда до такой степени, что наблюдается
«эффект исчезновения трещины». Излом представляется
зернистым, что объясняется разрывом элементов компакты на разных
уровнях. На плоской кости излом в этой зоне имеет вид ровной
площадки с хорошо видимой слоистостью (Шадымов А.Б., 1988)

В зоне долома края перелома неровные с различной степенью зубчатости, неотвесные,
плохо сопоставимые из-за дефектов компактного вещества. Эти дефекты
могут быть результатом скола, выкрашивания, отщепа компакты. От краев
перелома отходят продольные трещины, возникающие от поперечного
растяжения. Поверхность перелома здесь представлена различной высоты
костными гребнями.

В зоне распространения характер краев перелома зависит от близости к зоне
разрыва или долома: вблизи зоны разрыва края относительно ровные и
хорошо сопоставимые, в противоположном участке — с признаками,
характерными для деформации сжатия. На изломе обнаруживают ветвящиеся
бороздки, ступеньки, гребешки, «шевронный излом».

Описанная характеристика свойств излома в разных его зонах присуща зрелому
возрасту. В пожилом и старческом возрасте выраженность этих признаков
уменьшается.

Если в процессе формирования перелома магистральная трещина раздваивается, то перелом
становится оскольчатым. Основание этого осколка располагается в зоне
долома.

К общим признакам следует отнести также и веерообразные трещины, которые
образуются на границе зон разрыва и распространения перелома.
Диагностическая ценность этих трещин состоит в том, что они позволяют
определить направление изгиба, так как угол между ними и
магистральной трещиной открыт к зоне долома, а их вершины указывают
на зону разрыва.

Вышеописанные морфологические признаки перелома могут подвергаться некоторым
изменениям в зависимости от вида внешнего воздействия — удар
или статическое сдавление. Кроме этого, могут образовываться и
дополнительные морфологические признаки (Хачатрян А.С., 1990;
Горяинов О.П., 1992)

При ударных воздействиях, когда разъединение кости происходит быстро, зона
разрыва, как правило, не захватывает всю толщу компактного вещества,
Здесь же, на одном (или обоих отломках) параллельно краю (краям)
основного перелома обнаруживается дополнительная (дополнительные)
трещина (трещины), сливающаяся в толще компактного вещества с
магистральной. В результате этого образуется небольшой осколок,
который часто при мацерации утрачивается, и по краю излома образуется
дефект с прямоугольными краями и зернистой поверхностью.
Протяженность зоны разрыва меньше, чем при статическом сдавлении,
поэтому зона распространения имеет большую длину.

В зоне распространения перелома на одной из «боковых»
поверхностей от магистральной трещины отходят волосовидные прямые
кортикальные трещины, длиной до 1 см, располагающиеся параллельно
друг другу и поперечно длиннику кости.

В зоне долома костные гребни имеют остроугольные вершины без дополнительных
повреждений на их «склонах».

В случаях статического сдавления в зоне разрыва не наблюдается формирования
дополнительных трещин с образования дефекта костной ткани. Зона
разрыва захватывается всю толщу компактного слоя и достигает примерно
1/3 диаметра диафиза.

В зоне распространения перелома веерообразные трещины более длинные, в своей
конечной части закономерно принимают продольную ориентацию. В отличие
от удара здесь не образуются короткие прямые кортикальные трещины.

В зоне долома, вследствие медленного разъединения отломков, отмечается
закругленность вершин гребней, а на их «склонах» —
признаки скольжения в виде смятия компактного вещества. Здесь же
возможно обнаружение признака «конус-воронка», где
плоскость излома на одном из отломков суживается под углом около 45°
в сторону костномозгового канала. На противоположном отломке
формируется воронкообразное сужение с продольными трещинами.

Описанные дифференцирующие признаки характерны для диафизарных переломов
длинных трубчатых костей.

Общими дифференцирующими признаками ударного и статического воздействий для
разных костей является характер микротрещин в зоне долома.

При ударах образующиеся микротрещины имеют продольную и поперечную ориентацию к
оси кости. Продольные трещины располагаются параллельно друг другу,
а поперечные — в виде цепочки. Максимальное количество этих
микротрещин наблюдается в приграничных перелому участках костной
ткани, на отдалении — число их уменьшается. В самых
поверхностных слоях компактного вещества, непосредственно по краю
перелома, обнаруживается «нежная сеточка» из
перекрещивающихся микротрещин, формирующих разрушение компакты в
виде его выкрашивания.

При статическом сдавлении в зоне долома обнаруживаются множественные микротрещины,
пересекающие друг друга по углом около 90°
и образующие «сеточку». В отличие от удара, эти
микротрещины занимают почти всю толщу компактного слоя и более
протяженные по распространенности.

При ударных сдавлениях возникающие переломы включают в себя морфологические
свойства как ударного воздействия, так и статического сдавления.

Таким образом, детального изучение морфологических свойств перелома (на макро- и
микроуровнях) позволяет определять не только механизм его
образования, но и условия травмирования.

Альманах судебной медицины N 2 (2001), стр.