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

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 (0₁0₂) 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 {0₁0₂). 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 (σ_pϰ) и сжимающие (σ_cϰ) напряжения, которые равны между собой и численно равны экстремальным касательным напряжениям (σ_pϰ=τ, σ_cϰ = -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 (σ_pϰ) и сжимающие (σ_cϰ) напряжения, обусловленные кручением. Кроме того, этот же объект подвергается дополнительным сжимающим напряжениям изгиба (σ_cϰ), идущим вдоль кости (рис. 2, а). Векторное сложение внутренних сил упругости свидетельствует о том, что главные растягивающие напряжения (σ_р¹) уменьшаются и ориентируются ближе к поперечному сечению диафиза, сжимающие (σ_c¹) — увеличиваются и располагаются вдоль кости. Это обстоятельство приводит к распространению винтообразной линии в. данной области вдоль диафиза (H — H). Выраженные сжимающие напряжения (σ_c¹) увеличивают вероятность разрушения кости за счет присоединяющегося поперечного растяжения.

На противоположной стороне кости происходит сложение растягивающих (σ_pϰ) и сжимающих (σ_cϰ) напряжений кручения с растягивающими напряжениями изгиба (σ_pϰ) (рис. 2, б). Векторное сложениe их свидетельствует о том, что происходят увеличение главных растягивающих напряжений (σ_p¹) с ориентацией их ближе к продольной оси кости и уменьшение сжимающих (σ_p¹), 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 (σ_p¹). 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 (σ_cϰ) и касательные (τ_а). 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.