Исследование устойчивости шейного отдела позвоночника к динамическим нагрузкам растяжения по оси

Литературные данные о механической прочности шейного отдела позвоночника немногочисленны. Если характер компрессионных травм и изучен удовлетворительно, то исследования повреждений позвоночника при его растяжении по оси единичны и проведены исключительно на фрагментах позвоночного столба, изолированных из трупов (Fessler, 1913; А.А. Саблин, 1965; Н.П. Пырлина и соавт., 1972). Данные об устойчивости шейного отдела позвоночника к нагрузкам растяжения по оси в целом трупе отсутствуют.

Мы провели эксперименты на биоманекенах, чтобы установить характер повреждений шейного отдела позвоночника при дозированных динамических растягивающих нагрузках по оси и определить максимальную величину действующей на голову нагрузки, которая не вызывает повреждений в шейном отделе позвоночника.

Опыты выполнены на 39 трупах лиц мужского пола в возрасте от 22 до 50 лет, не имеющих патологических изменений в опорно-двигательном аппарате и повреждений, умерших от отравления алкоголем, пневмонии, сердечно-сосудистой недостаточности и др.

Окружность шеи биоманекенов составляла 37— 42 см, длина шеи (от наружного затылочного бугра до остистого отростка С-7) — 12—15 см. Давность смерти от 15 до 38 ч. Подбирали трупы с умеренно выраженным окоченением; в случае резко выраженного окоченения его осторожно разруш али до такой степени, чтобы голова могла отклоняться во всех направлениях на 15— 20°.

Эксперименты проведены на пневматическом стенде, разработанном и сконструированном на заводе «Зенит». Стенд позволял осуществлять динамическую импульсную нагрузку растяжения по оси шейной части позвоночника, возникающую при рывке за голову.

Стенд состоит из жесткого основания, на котором в горизонтальном положении укреплена катапультная установка КМ-1. Биоманекен помещали в катапультном кресле в позе лежа, фиксировали штатной привязной системой настолько плотно, что перемещение его по горизонтали практически исключалось (см. рисунок).

В передней части основания со стороны заголовника кресла вмонтирован пневматический зарядный пульт а, на верхней панели его установлен силовой пневмоцилиндр б, работой которого управляет электропневмоклапан. Шток пневмоцилиндра в приводится в движение под действием сжатого воздуха, подаваемого из баллона г с контрольным манометром.

На голову биоманекена надевали капроновую уздечку, которую через регулируе мые тяги д и тензометрическое кольцо е (тензодатчик) соединяли со штоком пневмо- цилиндра.

Схема проведения эксперимента на пневматическом стенде: а — пневматический зар яд ный пульт; б — силовой пневмоцилиндр; в — шток пневмоцилиндра; г — баллон с сж атым воздухом; д — регулируемые тяги; е — тензометрическое кольцо; ж — датчик удлинения.

Управление работой электроклапана и пневмоцилиндра осуществляется дистанционно при помощи автоматического пульта управления. При срабатывании электропневмоклапана сжатый воздух из баллона поступает в пневмоцилиндр, шток пневмоцилиндра втягивается и через регулируемые тяги, тензометрические кольцо и уздечку создает на шейном участке биоманекена импульсную растягивающую нагрузку с заданной силой и длительностью воздействия. Величина нагрузки и время ее действия регистри руются контрольно-измерительной аппаратурой. Электрический сигнал с тензометрического кольца, пропорциональный действующей на объект нагрузке, через тензометриче- ский усилитель АНЧ-8 поступает для регистрации на магнитоэлектрический осциллограф К-20-21, с помощью которого запись ведется сразу на бумажной фотопленке. В проведенных экспериментах применяли нагрузку от 320 до 434 кг в течение от 0,12 до 0,5 с, скорость нарастания нагрузки 1500—3500 кг/с. Одновременно в 15 экспериментах с датчика линейного удлинения ж были сняты показания по определению величины растяжения шейного отдела позвоночника, включая атланто-окципитальное сочленение. Для этого в тело VII шейного позвонка спереди и в височно-теменную область сбоку забивали стальные трехгранные фиксационные стержни, на которых закрепляли датчик удлинения. Показания его фиксировались на той же осциллограмме, где регистрировались нагрузки и время их действия. Удлинение позвоночника между указанными точками в основном колебалось от 11 до 14 мм. В 7 из этих случаев морфологические изменения в результате воздействия нагрузки отсутствовали. В опытах, сопровождавшихся повреждением мышц, связок и суставных сумок, удлинение позвоночного столба не превышало 16 мм и только при полном перерыве позвоночника достигло 25 мм (нагрузка Г- 415 кг, время 0,29 с). Вместе с тем при больших нагрузках (350— 385 кг) повреждения, фиксируемые на осциллограмме, в отдельных случаях возникали и при меньших удлинениях шейного отдела позвоночника (10— 12 мм). При воздействии растягивающей нагрузки шея удлинялась, что особенно было выражено при полном перерыве позвоночника. В последних случаях на осциллограмме можно было видеть характерный спад кривой, свидетельствующий о снижении сопротивляемости тканей, их разрывах. При отсутствии повреждений, даже при значительном удлинении (14 мм), кривая осциллограммы не имела каких-либо деформаций. В этих случаях растяжение обусловливалось высокой эластичностью мышц связочного аппарата и капсул суставов.

После проведения эксперимента при вскрытии трупа отмечали образовавшиеся повреждения, затем изымали шейный и верхне-грудной отделы позвоночника вместе с затылочной костью для анатомо-топографического препаривания и рентгенографии. Производили вскрытие позвоночного канала и каналов позвоночных артерий. Ткани с кровоизлияниями (мышцы, связки, сосуды и нервы) исследовали микроскопически.

Условия эксперимента, характер и частота повреждений

Результаты исследований показали, что анатомические повреждения шейного отдела позвоночника возникали при нагрузке 330 кг. До 325 кг каких-либо повреждений опорно-двигательного аппарата позвоночника, сосудов, нервных стволов и ганглиев, а также других тканей и органов области шеи обнаружено не было (см. таблицу).

С целью определения достоверности отсутствия изменений в группе экспериментов с нагрузкой 320— 325 кг (10 экспериментов) был применен критерий знаков непараметрической статистики (Е.В. Гублер, А.Л. Генкин, 1969). Максимальное число менее часто встречающихся знаков (за них мы приняли повреждения), при котором различия в парных сравнениях являются достоверными (P = 0,01) для n = 10, должно быть нулевым. Следовательно, проделав 10 экспериментов и не получив повреждений, можно утверждать с указанной вероятностью (Р = 0,01), что динамические нагрузки растяжения в пределах 320— 325 кг не приведут к повреждениям тканей шейного отдела позвоночника биоманекена.

Первые признаки травмы появились при нагрузке 330— 340 кг (в 6 из 8 экспериментов) и заключались в растяжении глубоких мышц головы и шеи как на вентральной, так и дорзальной стороне, в результате чего возникли посмертные симметричные кровоизлияния в них, в основном на уровне C₁—С₂. При этих же нагрузках появились наиболее характерные для данного механизма травмы повреждения — кровоизлияния в клетчатку, окружающую связку верхушки зубовидного отростка, и растяжение самой связки с кровоизлияниями в нее, а такж е растяжение и разрыв капсулы атланто-затылочного сочленения.

При нагрузках 345—355 кг повреждения возникли в 6 случаях из 10, причем повысилась частота кровоизлияний в суставы и связки. Растяжение капсулы и кровоизлияния в полость атланто-затылочного сочленения наблюдали 2 раза; дважды отмечены характерные кровоизлияния в полость, а в одном случае — и надрыв капсулы сустава между зубовидным отростком и дугой атланта, кровоизлияния в капсулы и полости межпозвонковых суставов C₁—С₂. Кровоизлияния в связку зубовидного отростка, перепончатые связки основания черепа с I и II шейными позвонками имели место в 3 экспериментах.

Интересно отметить, что эти глубокие кровоизлияния в капсулы названных суставов, а также связку верхушки зубовидного отростка, могли не сопровождаться кровоизлияниями в мышцы и служили единственными признаками травмы.

При указанных нагрузках наблюдали кровоизлияния под заднюю перепончатую связку между атлантом и эпистрофеем и клетчатку, окружающую верхние шейные спинномозговые узлы, кровоизлияния в клетчатку каналов позвоночных артерий. Нарастание динамической нагрузки растяжения до 360—385 кг наряду с перечисленными изменениями часто (в 3 из 5 случаев) обусловливало разрывы капсулы атланто-окципитального сочленения и межпозвонковых суставов C₁—С₂, а в одном наблюдении (нагрузка 380 кг, время действия 0,24 с) произошел разрыв позвоночника вследствие отрывного перелома зубовидного отростка у его основания и полного разрыва капсул межпозвонковых суставов C₁—С₂ с расхождением суставных поверхностей. Эти повреждения сопровождались разрывом части связок зубовидного отростка с атлантом, значительными кровоизлияниями в окружающие мышцы, полным разрывом передней продольной связки на месте перелома зубовидного отростка, кровоизлияниями и разрывами предпозвоночной фасции. Задняя продольная связка была отслоена, но ее целость, а также целость твердой мозговой оболочки и спинного мозга не были нарушены.

При нагрузках 400—434 кг (в 3 экспериментах из 6) также наблюдали разрыв позвоночника. При вскрытии можно было обнаружить значительные кровоизлияния под предпозвоночную фасцию, которые распространялись от основания черепа до C₃—С₄, имели место двусторонние разрывы межпозвонковых суставов C₁—С₂ и C₂—С₃, разрывы передней и задней продольных связок, растяжения и разрывы перепончатых связок позвоночника с кровоизлияниями под ними в клетчатку, окружающую спинномозговые ганглии C₁ и С₂, корешки и стволы отходящих от них нервов, кровоизлияния в клетчатку вокруг симпатических стволов и их узлов, а также стволов шейного и плечевого сплетений, разрывы симпатических стволов. При разрывах позвоночника трижды произошли повреждения зубовидного отростка: перелом у основания и отрыв его от дуги атланта в области атланто-зубовидного сустава, в одном случае разрыв межпозвонкового диска C₂—С₃. Таким образом, характерной локализацией перерыва следует считать верхне-шейный отдел позвоночника.

Разрывы позвоночника в 2 случаях не сопровождались повреждениями твердой мозговой оболочки и спинного мозга, в 2 других наблюдались разрывы твердой мозговой оболочки и перерыв спинного мозга: полный — на уровне C₂—С₃ при разрыве межпозвонкового диска C₂—С₃ (нагрузка 408 кг, время 0,3 с) и частичный — на уровне C₁—С₂ при отрыве зубовидного отростка от дуги атланта (нагрузка 417 кг, время 0,2 с). В этих ж е случаях на месте перерыва позвоночника произошли полные разрывы позвоночных артерий. Во всех других экспериментах, включая разрыв позвоночника при растяжении шейного отдела на 25 мм, позвоночные артерии не были прерваны; наблюдались множественные поперечные разрывы интимы, вытяжение артерий, кровоизлияния в адвентицию. Нагрузки более 350 кг в 50% случаев сопровождались кровоизлияниями в клетчатку канала позвоночных артерий на уровне C₁—С₃.

Выявление пороговой динамической нагрузки, вызывающей повреждения при растяжении шейного отдела позвоночника по оси, а также установление характера и локализации повреждений представляет как научный, так и практический интерес с точки зрения изучения вопроса сопротивляемости тканей и обеспечения профилактики травмы при авиационных и автомобильных происшествиях, занятии спортом. Эти данные могут помочь клиницистам в диагностике и лечении подобных повреждений, а судебно-медицинским экспертам — в установлении их при вскрытии, решении вопросов о механизме травмы и величине приложенного воздействия.

Вывод

При воздействии на шейный отдел позвоночника динамических растягивающих нагрузок, приложенных к голове биоманекена, пороговая нагрузка, вызывающая повреждение мягких тканей шейного отдела, соответствует 330 кг при продолжительности действия 0,2—0,5 с. Увеличение нагрузки до 380 кг в некоторых случаях приводит к полному перерыву позвоночника.