К вопросу о прочностных характеристиках ткани селезенки

Прочностные характеристики биологических тканей человека издавна интересовали исследователей. Так, первые научные исследования по данной тематике берут свое начало в XIX веке [15, 18].

Анализ литературы показал, что большая часть научных работ посвящена прочностным свойствам костной ткани [2, 3, 7, 9, 12, 14, 19, 24], при этом информации по характеристикам мягких тканей человека значительно меньше. В частности, были проведены исследования эластичности артериальных сосудов, в том числе аорты [1, 18, 20], и отмечены изменения показателей растяжимости сосудистой стенки при поражении ее патологическими процессами (склерозом) [6, 21]. Также были выполнены экспериментальные работы по установлению предельных нагрузок, требуемых для растяжения и полного разрыва стенки восходящей и нисходящей части аорты для людей разного пола и возраста [4, 5, 17].

Исследованию механических свойств клапанов сердца посвящены работы В.М. Шестакова, В.Н. Третьякова [23] и Н.Г. Копейкина [11]. А.С. Обысов со своими учениками занимался исследованиями упругих свойств сухожилий, прочностных свойств связочного аппарата верхних и нижних конечностей, упруго-вязких свойств кожи [16, 17].

В настоящее время полученные знания о прочностных свойствах костей широко используются для математического моделирования механизма травмы костей скелета при производстве судебно-медицинских и медико-криминалистических экспертиз [9, 13, 25, 26].

Таким образом, множественные научные работы, в основу которых положено применение технических дисциплин в установлении прочностных свойств биологических объектов (костей, суставов, межпозвонковых дисков, мягких тканей), а также успешное использование полученных знаний в практической экспертной деятельности наглядно подтверждают перспективность дальнейшего изучения прочностных характеристик тканей тела человека, а именно внутренних органов.

Нами была проведена серия экспериментальных исследований предела прочности ткани селезенки на растяжение.

Исследование ткани селезенки производилось на универсальной испытательной машине INSTRON 5969 (страна-производитель Великобритания), которая имеет следующие технические характеристики: максимальное усилие 1 тонна, точность перемещения 2,5 мкм, точность определения нагрузки 0,1 Н (Ньютон) (10 г). Испытание производилось со скоростью деформирования объекта 1 мм/мин, без датчика деформации (рис. 1а).

Объектом исследования стала ткань с диафрагмальной поверхности селезенки, из которой формировался испытуемый образец (с капсулой) размерами 6 × 1,5 × 1 см. Образцы ткани селезенки брались от лиц различных возрастных групп мужского и женского пола, умерших скоропостижно (механическая асфиксия от сдавления шеи петлей при повешении, острое отравление этиловым спиртом, атеросклеротическая болезнь сердца) и не имеющих каких-либо заболеваний селезенки и травм внутренних органов. При проведении экспериментальных исследований учитывался феномен переживаемости тканей человеческого организма до 18–24 часов [8, 22], в связи с чем исследования проводились в течение первых суток после наступления смерти. Общее количество исследованных селезенок составило 50.

Для предотвращения скольжения и лучшей фиксации концевых участков испытуемых образцов в зажимающем устройстве аппарата применялись отрезы абразивного материала (рис. 1б).

Рис. 1. Универсальная испытательная машина INSTRON 5969 (а), разрушение образца селезенки (б)

Результаты исследования фиксировались на персональном компьютере в среде прикладного программного обеспечения INSTRON 5969. Полученные данные после завершения каждого исследования экспортировались в среду MS Excel, где в дальнейшем производились их статистическая обработка, построение диаграмм и таблиц.

В ходе проведенных исследований было установлено, что максимальная нагрузка, требующаяся для разрушения образца, в среднем составляет 4,03 ± 1,34 Н (где 1,34 Н – среднее квадратичное отклонение). Отмечено, что вначале происходит удлинение образца в среднем на 6,52 ± 1,98 мм, затем при усилии в среднем 3,59 ± 1,34 Н удлинение образца происходит незначительно, в среднем на 2,71 ± 1,54 мм. В этот промежуток формируются начальные мелкие разрывы ретикулярной ткани, при этом отмечено, что истончение ткани образца селезенки происходит на участке, который примерно соответствует его середине. В дальнейшем при нагрузке 4,03 ± 1,34 Н происходило разрушение ткани селезенки, что соответствовало в среднем относительному удлинению 9,64 ± 2,7 мм, но при этом образец составлял единое целое за счет стромы селезенки. В дальнейшем, по мере увеличения растяжения селезенки, разрушающее усилие уменьшалось, и происходил разрыв стромы, который завершал полное разрушение исследуемого образца (рис. 2).

В ходе проведенного исследования установлено, что модуль Юнга (величина, характеризующая прочность ткани на разрыв) для ткани селезенки составил 0,93 ± 0,35 мПа (без использования датчика деформации), относительное удлинение ткани селезенки при нагрузке – 9,64 ± 2,7 мм.

Рис. 2. Диаграмма деформации образца ткани селезенки (где N по оси ординат – нагрузка в Ньютонах, по оси абсцисс – удлинение объекта в мм)

Таким образом, в ходе настоящего экспериментального исследования была установлена возможность установления прочностных характеристик ткани селезенки. Кроме того, в экспериментах установлено, что разрыв ретикулярной ткани селезенки происходит при меньших усилиях, чем ее стромы, что указывает на большие прочностные характеристики последней. Этот факт объясняет образование, в том числе, и подкапсульных кровоизлияний. Прочность стромы селезенки превышает прочность ее капсулы: этим объясняется высокая частота одноэтапных разрывов селезенки при закрытой тупой травме.

Проведенное исследование позволило подтвердить возможность применения методов и методик технических дисциплин при изучении прочностных характеристик тканей внутренних органов. Полученные результаты среднего квадратичного отклонения максимальной нагрузки, требующейся для разрушения ткани селезенки, свидетельствуют о необходимости исследования прочности ткани селезенки в зависимости от причин смерти, возрастной категории и пола умерших. Кроме того, неоднородность строения селезенки обусловливает необходимость исследования прочностных характеристик ее ткани из различных участков органа.

Список литературы

1. Абросимова, Л.И. Характеристика состояния кровеносных сосудов по напряжению материала стенок : материалы III Респ. науч.-теорет. конф. по физ. воспитанию и спорту детей и молодежи. – Ташкент, 1967. – Вып. 2. – С. 8–16.
2. Адамович, И.С. Моделирование напряженно-деформированного состояния трубчатых костей человека : автореф. дис. … д-ра тех. наук. – Рига, 1989.
3. Виноградова, Т.П. О некоторых особенностях роста позвонков человека // Арх. патологии. – 1951. – Т. 13, № 3. – С. 73–76.
4. Владиславлева, Н.А. Возрастные особенности эласто-динамических свойств грудной аорты человека : материалы 7-й науч. конф. по возрастной морфологии, физиологии и биохимии. – М., 1965. – С. 34–35.
5. Владиславлева, Н.А. Физико-механические свойства общих сонных артерий человека : материалы 1-й межвуз. науч. конф. по вопросам физ. воспитания, анатомии и физиологии спорта. – Горький, 1965. – С. 72–73.
6. Всеволодов, Г.Ф. Упругие свойства стенки кровеносных сосудов : дис. … канд. мед. наук. – Л., 1947.
7. Глыбов, Г. Источники биомеханики люмбальной части позвоночника / Г. Глыбов, В. Васильев. – София : изд. ин-та морфологии Болгар. Акад. наук, 1965. – № 11. – С. 79–103.
8. Громов, А.П. Биомеханика травмы. – М. : Медицина, 1979.

9. Дифференциальная диагностика условий образования перелома методом математического моделирования / С.В. Леонов, П.В. Пинчук, К.Н. Крупин, Д.А. Панфилов // Мед. экспертиза и право. – 2017. – № 1. – С. 24–28.

10. Кнетс, И.В. Деформирование и разрушение твердых биологических тканей / И.В. Кнетс, Г.О. Пфафорд, Ю.Ж. Саулгозис. – Рига : Зинатне, 1980.
11. Копейкин, Н.Г. Строение и упругие свойства атриовентрикулярных клапанов сердца человека. – Горький : Волго-Вят. кн. изд., 1965. – С. 68–78. – (Ученые записки. Анатомия, физиология ; Вып. 58).
12. Копылов, Г.И. Морфологические критерии прочности длинных трубчатых костей в судебно-медицинском отношении : автореф. дис. … канд. мед. наук. – Барнаул, 1972.
13. Леонов, С.В. Моделирование механизма образования колото-резаных ран методом конечных элементов / С.В. Леонов, И.В. Власюк, К.Н. Крупин // Судеб.-мед. экспертиза. – 2013. – Т. 56, № 6. – С. 14–16.
14. Леонов, С.В. Прочностные характеристики длинных трубчатых костей в зависимости от условий их опирания / С.В. Леонов, А.Д. Ловцов // Строительная механика и механика материалов : сб. ХГТУ. – Хабаровск, 1999. – С. 30–36.
15. Лесгафт, П.Ф. Основы теоретической анатомии. – 2-е изд. – СПб. : Т-во худож. печати, 1905. – Ч. 1.
16. Милацкова, В.В. Физико-механические свойства и гистологические особенности кожи человека : материалы 1-й межвуз. науч. конф. по вопросам физ. воспитания, анатомии и физиологии спорта. – Горький, 1965. – С. 71.
17. Обысов, А.С. Надежность биологических тканей. – М. : Медицина, 1971.
18. Полетика, М.И. Материалы к вопросу об эластичности артериальных стенок : автореф. дис. … д-ра мед. наук. – СПб., 1884.
19. Саблин, А.А. К методике определения упруго-вязких свойств позвоночного столба человека : материалы 1-й Межвуз. науч. конф. по вопросам физ. воспитания, анатомии и физиологии спорта. – Горький, 1965. – С. 73–75.
20. Твердынский, A.М. Оптический метод одновременного определения на малом отрезке кровеносного сосуда некоторых физиологических констант: модуля упругости, модуля релаксации, коэффициента вязкости // Труды ВМА им. С.М. Кирова. – 1938. – № 7. – С. 53.
21. Хвиливицкая, М.И. Об эластичности и емкости аорты человека // Труды 8-го Всесоюзного съезда терапевтов. – Л., 1926. – С. 371–390.
22. Хижнякова, К.И. Определение прижизненности механических повреждений. Проблемы диагностики давности, прижизненности и последовательности механических повреждений : тез. докл. к XV пленуму правления ВНОСМ. – Барнаул, 1978. – С. 11–13.
23. Шестаков, В.М. Математический анализ повреждения хорд митрального клапана сердца / В.М. Шестаков, В.А. Третьяков. – (Вопросы морфологии : сб. науч. работ / Арханг. мед. ин-т; Вып. 1/1964).
24. Янковский, В.Э. Материалы о биомеханических особенностях длинных трубчатых костей и крупных суставов нижних конечностей (Обоснование судебно-мед. критериев экспертизы повреждений) : автореф. дис. … д-ра мед. наук. – М., 1974.
25. Experimental tests for the validation of active numerical human models / Muggenthaler, K. Merten, S. Peldschus et al. // Forensic Science International. – 2008. – Р. 184–191.
26. Milanowicz, M. Active numerical model of human body for reconstruction of falls from height / M. Milanowicz, K. Kedzior // Forensic Science International. – 2016. – Р. 136–144.