Материал: 4540

6

Проведение анализа и механизма перелома нижних конечностей человека в условиях ДТП. Расчет коэффициента риска переломов костей тазобедренных суставов

Цель работы: Провести исследования механизма переломов нижних конечностей человека в условиях ДТП. Изучить механизм нагрузок на кости человека. Дать рекомендации для снижения риска переломов костей человека в автомобиле в условиях ДТП

Коэффициент риска переломов

Приведенные клинические данные однозначно указывают на важную роль в этиологии переломов таких факторов, как нагрузки и хрупкость кости. Однако существует еще одна возможность оценить риск возникновения перелома - стандартные инженерные подходы. В технике при создании устойчивых к разрушению конструкций требуется информация о геометрии данной струк-

туре, механических свойствах материалов, из которых она изготовлена, а также о точке приложения, направлении действия и величине тех нагрузок, кото-

рым конструкция подвергается при эксплуатации. Эти данные позволяют в рамках инженерных теорий рассчитать внутренние силы напряжения, которые возникают в конструкции в ответ на воздействия эксплуатационных нагрузок. В свою очередь силы напряжения могут сравниваться с известной сопротивляемостью материалов, применяемых для создания данной конструкции. Величина, получаемая в результате деления прочности материала на прикладываемую к каждой точке нагрузку, позволяет оценить, насколько эта конструкция в данном месте близка к разрушению.

Альтернативный и, как правило, более надежный метод определения риска разрушения конструкции состоит в вычислении соотношения нагрузок, ожидаемых во время эксплуатации, и известных нагрузок, способных вызвать поломку данной конструкции при определенных условиях. Рассмотрим простой пример. Известно, что некая балка, поддерживающая крышу, выдерживает перед разрушением нагрузку величиной 10000 Н. Если эта 6алка подвергается нагрузке, составляющей только 1000 Н, то, естественно, уверенность в прочности балки и всего потолка будет относительно высокой. Но если в результате повышенной нагрузки на крышу дома балка подвергнется действию сил, величина которых

7

достигнет 10000 Н или превысит это значение, то вероятность разрушения балки и обвала потолка, мягко говоря, будет значительной. Такой подход к предсказанию риска разрушения может быть выражен формулой, в которой путем деления прикладываемых нагрузок на нагрузки, необходимые для возникновения разруше-

ния, вычисляется коэффициент риска (Ф):

где Рприлагаемая – прикладываемая нагрузка, Рразрушающая – нагрузка, необходимая для возникновения разрушения.

Если данный коэффициент невелик (значительно меньше 1), то сила, требующаяся для разрушения, значительно превышает нагрузки, испытываемые в обычных условиях, и можно ожидать, что риск несостоятельности данной структуры будет небольшим. Наоборот, когда коэффициент риска высок (то есть, близок к 1 или превышает эту величину), риск разрушения данной структуры значителен.

Для вычисления коэффициента риска перелома таких отделов скелета, как проксимальная часть бедренной кости или позвоночник, необходима информация о нагрузках, которым эти отделы подвергаются, и о величине сил, требующихся для возникновения перелома. В отношении нагрузок во время повседневной физической активности существует значительный пробел в знаниях. Еще меньше известно о нагрузках, которые возникают во время травматических ситуаций, таких как ДТП. Отделы скелета, подверженные высокому риску переломов в пожилом возрасте, имеют намного более сложную геометрию, чем большинство инженерных конструкций, причем геометрические характеристики скелета могут изменяться с возрастом и в ходе ремоделирования костной ткани. В связи с этим расчет внутренних сил напряжения, возникаю-

щих в скелете при воздействии обычных или травматизирующих нагрузок, затруднен. На механические свойства кортикальной и трабекулярной костной ткани могут оказывать влияние и другие факторы: плотность, микроструктурные и морфологические особенности. Эти свойства костной ткани характеризуются не только значительными различиями в зависимости от местонахождения её в скелете, но существенно меняются по мере старения человека и в ходе заболеваний. Необходимая информация отчасти может быть получена в экспериментах на бедренных костях и телах позвонков, взятых от трупов, при воз-

8

действии сил, необходимых для получения перелома.

Перед проведением экспериментов по воспроизведению переломов целесообразно определить денситометрические показатели и установить соот-

ветствующие корреляции. Использование полученных закономерностей может в последующем помочь рассчитать нагрузки, приводящие к перелому. Необходимо отметить, что нагрузки, учитываемые в числителе и знаменателе формулы (1), должны оцениваться при одинаковых условиях. Для определения, например, риска возникновения перелома при простом ударе необходима информация о максимальных нагрузках, которым проксимальный отдел бедренной кости подвергается во время удара, и о нагрузках, которые требуются, чтобы вызвать перелом в тех же условиях. Если же нас интересует коэффициент риска возникновения перелома при смещённом ударе, то должны быть известны данные о тех максимальных нагрузках, которые необходимо приложить, чтобы вызвать перелом именно в этой ситуации. Точно также, если требуется определить коэффициент риска перелома позвоночника при резком наклоне туловища и его подъеме, нужно исследовать нагрузки, возникающие во время такой физической активности и провести эксперименты по созданию перелома в аналогичных условиях. Если не придерживаться этого правила и определять коэффициент риска путем вычисления, например, соотношения между нагрузкой, возникающей во время подъема тела человека, и силой, вызывающей перелом тела позвонка в условиях резкого наклона тела, то данный показатель может оказаться неточным и неадекватным. Для вычисления коэффициентов риска переломов шейки бедренной кости и позвоночника могут использоваться, с определенными оговорками, уже существующие экспериментальные данные, а полученные в результате этих расчетов величины могут быть, затем сопоставлены с результатами клинических наблюдений в отношении этиологии и предупреждения переломов.

Переломы костей голени и бедренного отдела.

Более чем 70% переломов голеностопного сустава и бедренной кости возникают в результате резкого воздействия нагрузки на кости человека в момент аварии. Ведь, как уже известно, при столкновении автомобиля с неподвижным препятствием на скорости 50 км/ч на организм взрослого человека весом 80 кг воздействует удар силой 2 тонны! В этом случае на ребенка прихо-

9

дится удар силой в 500 килограмм. Удар состоит из четырех различных фаз: фазы начального движения (резкое ускорение); фазы касания (нарастание напряжения на кости); фазы удара и фазы, следующей за ударом, во время которой человек возвращается в исходное положение. Ранее проведенные исследования у пожилых были направлены почти исключительно на изучение второй фазы, то есть тех факторов (внутренних и внешних), которые вызывают перелом. Подчеркивалось значительное изменение со стороны нервной системы и опорно-двигательного аппарата. Вначале происходит сжатие кости, при этом нервные волокна расширяются, подавая сигнал в мозг человека о контакте с препятствием, потом происходит ударная деформация и изгибание кости, и последнее, – перелом кости.

Из-за скудности информации о механизмах удара тела человека во время ДТП совсем недавно можно было утверждать, что сколь много мы знаем, почему они возникают, столь мало нам известно о том, как это происходит. До недавних пор не существовало обоснованных фактами определений понятия «степень тяжести» или представлений о том, что такое «высокий риск». В соответствии с предположением S. Cummings и M. Nevitt, для того чтобы удар при-

вёл к перелому бедренной кости, должны совпасть три следующих обстоятельства: а) удар должен прийтись на область, близкую к проксимальной области бедра; б) должны оказаться недостаточными защитные механизмы, такие, например, как использование ремней безопасности, препятствующий удару; в) должно быть недостаточным пассивное поглощение энергии удара (применение жёсткого пластика в автомобиле и т.д.), а также расположенными поблизости мягкими тканями (рис. 1). Авторы этой гипотезы полагали, что при указанных обстоятельствах сила, воздействующая на проксимальный отдел бедра, может превзойти нагрузку, приводящую к перелому.

Рис. 1. Схема перелома костей

тела человека при ДТП

Известно и другое предположение, в соответствии с которым удар харак-

10

теризуется намного большей энергией, чем это требуется для возникновения перелома шейки бедренной кости у пожилого человека. Конкретных же данных, позволяющих проверить эти гипотезы, до последнего времени не существовало.

Для того чтобы охарактеризовать степень тяжести перелома и определить, от каких аспектов фазы удара зависит высокий риск перелома бедренных костей, были предприняты исследование уже произошедших ДТП. Это исследование осуществлялось в центре реабилитации г. Бостон (штат Массачусетс), имеющего возможность принять пострадавших в количестве около 720 человек. Характеристика мест переломов определялась при помощи пострадавших, а также со свидетелями ДТП, если они имелись. Исследования проводились по возможности в пределах 24 часов после возникновения ДТП. У лиц обоего пола достоверными и независимыми факторами риска возникновения переломов оказались: направление удара, плотность костной ткани, потенциальная энергия удара и индекс массы тела.

Биомеханические исследования бедренного отдела.

Определение силы удара при ударе (числитель коэффициента Ф).

Для расчета типичной нагрузки, приходящейся на область бедра во время удара, в формулы, описывающие динамику удара, были введены средние значения «эффективной массы» и величины, соответствующие жесткости и амортизирующим свойствам мягких тканей человека. Ускорение тела задавали на основании данных, соответствующих свободному падению известной «эффективной массы» с начальной точки, составлявшей 0,55 от величины роста (место расположения центра тяжести водителя). Для мужчин «эффективная масса» при расслаблении мышц составляет в среднем 39 кг, а в состоянии их напряжения – 49 кг, т.е. соответственно, 50 и 63% от средней величины общей массы тела. Для женщин «эффективная масса» в состоянии расслабления мышц составляет в среднем 31 кг, а при их напряжении – 38 кг (соответственно, 50 и 60% от средней величины общей массы тела). Установлено, что расчетные значения максимальной силы удара, зависящей от ускорения и веса тела человека, в случае напряжения мышц значительно повышались, но только у мужчин. Максимальная сила удара у мужчин составляла: при расслаблении мышц – 61000 Н, а в условиях их напряжения – 120000 Н. Соответствующие значения у