Биомеханика переломов

Биомеханика позвоночно-спиномозговой травмы (ПСМТ). Патобиомеханические нарушения при ПСМТ зависят от характера и локализации повреждений позвоночника. Различают следующие их виды: ушиб, частичный или полный разрыв капсульно-связочного аппарата позвоночного двигательного сегмента (ПДС), самовправившиеся вывихи, разрыв межпозвонкового диска, вывихи и функциональные блоки позвонков, переломы и переломо-вывихи.

С практической точки зрения чрезвычайно важно подразделять травмы позвоночника на стабильные и нестабильные. Это оказывает существенное влияние на лечебную тактику и определяет необходимость надежной внешней иммобилизации поврежденного отдела позвоночника для предотвращения вторичного смещения позвонков или усугубления деформации позвоночного канала, что может сопровождаться опасной для жизни больного травмой спинного мозга и его магистральных сосудов. Нестабильными являются такие травмы позвоночника, которые сопровождаются повреждением как переднего, так и заднего опорных комплексов позвоночно-двигательного сегмента. Передний опорный комплекс ПДС включает в себя тела позвонков, соединяющий их межпозвонковый диск, а также переднюю и заднюю продольные связки. Задний опорный комплекс ПДС — это суставные отростки и ножки дуг позвонков, суставные капсулы, желтые, межостистые и надостистые связки. Следовательно, нестабильность формируется не только при травме костных структур позвоночника. Разрыв межпозвонкового диска, например, сочетающийся с разрывом капсульно-связочного аппарата ПДС, также следует относить к нестабильной травме позвоночника.

В литературе дискутируется вопрос о том, что называть дисторзией позвоночника: самовправившиеся вывихи позвонков или разрыв капсульно-связочного аппарата ПДС, межпозвонковых дисков. В интересах больного целесообразно объединить перечисленные виды повреждения, так как каждый из них требует надежной иммобилизации позвоночника или оперативной стабилизации в связи с опасностью вторичного смещения или усугубления смещения позвонков. Кроме того, разрыв капсульно-связочного аппарата ПДС практически невозможно отличить от самовправившегося вывиха, а разрыв межпозвонкового диска чаще сочетается с указанными видами повреждения. Их диагностика основывается главным образом на результатах спондилографии, включающей пробу с вытяжением позвоночника. Особенно демонстративна эта проба при дисторзиях шейного отдела позвоночника: при сопоставлении спондилограмм, выполненных до вытяжения шеи и в момент вытяжения, обращают внимание на чрезмерное увеличение расстояния между позвонками в поврежденном ПДС на снимке, произведенном при вытяжении шеи.

Изолированные вывихи позвонков (без перелома костных образований) бывают только в шейном отделе позвоночника. Между тем, легкие формы подвывихов, которые правильнее называть функциональными блоками позвонков, могут наблюдаться на любом уровне. Функциональный блок — это обратимое ограничение подвижности в ПДС при изменении взаиморасположения суставных отростков и внутрисуставных соединительнотканных элементов, реализующееся в связи с рефлекторной околосуставной миофиксацией. Последняя может быть обусловлена травмой мышц и капсульносвязочного аппарата, а также патологической экстеро- и интероцептивной импульсацией из поврежденных тканей и органов. Подвывих в суставах позвоночника может быть также обусловлен ущемлением дупликатуры капсулы сустава и так называемых менискоидов. Функциональные блоки легко определяют приемами мануальной диагностики и ликвидируют мануальной терапией или вытяжением позвоночника.

Частичные вывихи (подвывихи) или полные вывихи позвонков могут вызывать компрессию нервно-сосудистых образований, расположенных в позвоночном канале, либо бывают неосложненными. По направлению смещения вышележащего позвонка их делят на передние, задние и боковые. Они могут быть одиночными или множественными. Передние вывихи атланта сопровождаются переломом зубовидного отростка либо разрывом поперечной связи атланта. Задние вывихи атланта могут возникать только после перелома зубовидного отростка.

Вывихи позвонков обычно сопровождаются нарушением статической и динамической функций позвоночника, клинические проявления которых доминируют при неосложненных вывихах.

Своевременно не устраненные вывихи позвонков (несвежие и застарелые), вызывая хроническую травматизацию нервнососудистых образований позвоночного канала, сопровождаются биомеханическими нарушениями в позвоночнике, особенно в соседних ПДС. Перегрузка соседних межпозвонковых дисков ведет к их дистрофическому поражению с последующей нестабильностью. Вторичные биомеханические нарушения возникают также в ПДС, примыкающих к деформации позвоночника, обусловленной переломами и переломо-вывихами позвонков. Наиболее грубое искривление оси позвоночника возникает при компрессионном клиновидном переломе тел двух и более позвонков. В связи с выраженной кифотической деформацией позвоночного столба формируется компенсаторный гиперлордоз как в прилежащих ПДС, так и в соседних отделах позвоночника.

Даже легкая деформация оси позвоночника, обусловленная переломом суставного отростка или негрубой деформацией тела позвонка, вызывает существенную перестройку статической и динамической функции в поврежденном и соседних ПДС, а нередко и во всем позвоночнике, что способствует раннему дистрофическому его поражению. Аналогичные биомеханические изменения возникают также после оперативной стабилизации позвоночника. Чем большую протяженность имеет спондилодез, тем быстрее перегружаются соседние ПДС.

Громов А.П. Биомеханика травмы (повреждения головы, позвоночника и грудной клетки). — М.: Медицина, 1979. — 275 с.

В книге Александра Петровича Громова «Биомеханика травмы» рассматривается биомеханика черепно-мозговой травмы, повреждений позвоночника и грудной клетки. Описанию экспериментальных данных предшествует изложение физико-математических понятий о механических воздействиях на тело человека, методах их измерения и расчета. Подробно приведены существующие способы исследования механических свойств биологических тканей и, в частности, методы определения прочности и жесткости костей свода черепа. Основное внимание в работе уделено моделированию повреждений мягких тканей головы, переломов костей черепа, ушибов головного мозга при различных механизмах травмы. Применение оригинальных методик на специальных стендах, обеспечивающих строго дозированные нагрузки на различные области человеческого тела, позволило установить четкую зависимость повреждений головы, позвоночника и грудной клетки от физических параметров ударного воздействия с учетом индивидуальных особенностей организма. Полученные данные положены в основу для биомеханического обоснования средств индивидуальной защиты головы человека от травмы, а также предохранительных поясов монтажников. Сопоставление морфологии повреждений со сходными повреждениями, встречающимися в реальных условиях, позволило разработать биомеханические основы определения механизма возникновения травмы по характеру имеющихся повреждений, что крайне необходимо для судебно-медицинской практики. В процессе экспериментальных исследований установлен новый механизм закрытой черепно-мозговой травмы, подтвержденный путем математического моделирования. Монография «Биомеханика травмы (повреждения головы, позвоночника и грудной клетки)» рассчитана на судебно-медицинских экспертов, травматологов.

В книге 59 рис., 18 табл., библиография 230 названий.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава I. Физико-математические данные о механических воздействиях на тело человека, методы их измерения и расчета

Глава II. Методы исследования механических свойств биологических тканей

Глава III. Определение прочности и жесткости костей свода черепа

Глава IV. Биомеханика повреждений мягких тканей головы и костей черепа

Глава V. Определение величины нагрузки, влекущей за собой образование переломов костей свода черепа

Глава VI. Биомеханика повреждений головного мозга

Глава VII. Биомеханика повреждений головы при падении человека на плоскости

Глава VIII. Биомеханические обоснования к средствам индивидуальной защиты головы человека от травмы

Глава IX. Биомеханика повреждений позвоночника

Глава X. Биомеханические обоснования защитного действия предохранительного пояса

Глава XI. Биомеханические основы определения механизма возникновения травмы по характеру повреждений

Заключение

Литература

похожие статьи

Идентификация орудия травмы при повреждениях тупыми предметами / Челноков В.С., Тищенко В.И., Дубровин И.А. // Матер. IV Всеросс. съезда судебных медиков: тезисы докладов. — Владимир, 1996. — №1. — С. 140-142.

Ограниченная и неограниченная поверхность тупых твердых предметов в судебно-медицинском отношении / Кузьмин А.И. // Матер. IV Всеросс. съезда судебных медиков: тезисы докладов. — Владимир, 1996. — №1. — С. 131.

Морфологические свойства резаных повреждений кожи и волос головы, причиненных консервной жестью / Саркисян Б.А., Карпов Д.А., Шадымов М.А. // Медицинская экспертиза и право. — 2010. — №6. — С. 31-33.

Неизгладимое обезображивание лица вследствие переломов костей лицевого черепа / Морозов Ю.Е., Плотников В.С., Никитин С.А. // Избранные вопросы судебно-медицинской экспертизы. — Хабаровск, 2019. — №18. — С. 149-153.

Диагностические возможности компьютерной томографии при судебно-медицинской экспертизе черепно-мозговой травмы / Кильдюшов Е.М., Егорова Е.В., Кузин А.Н., Жулидов А.А. // Судебно-медицинская экспертиза. — М., 2018. — №4. — С. 19-23.

Определение давности повреждений головного мозга по изменениям ядрышкового организатора в астроцитах / Морозов Ю.Е., Колударова Е.М., Горностаев Д.В., Кузин А.Н., Дорошева Ж.В. // Судебно-медицинская экспертиза. — М., 2018. — №4. — С. 16-18.

Морфология и механика разрушения ребер. 2-е издание. Рецензия на монографию В.А. Клевно / Хохлов В.В. // Судебная медицина. — 2015. — №4. — С. 55-57.

О топографии напряжений в реберном кольце при статических нагрузках / Бугуев Г.Т. // Судебно-медицинская экспертиза. — М., 1968. — №3. — С. 8-10.

Закрытая тупая травма спинного мозга / Пиголкин Ю.И., Мамрова Г.П. // Матер. IV Всеросс. съезда судебных медиков: тезисы докладов. — Владимир, 1996. — №1. — С. 103-104.

Характеристика переломов шейных, грудных и поясничных позвонков у пострадавших в салоне современного легкового автомобиля при дорожно-транспортных происшествиях / Пиголкин Ю.И., Дубровин И.А., Седых Е.П., Мосоян А.С. // Судебно-медицинская экспертиза. — М., 2016. — №1. — С. 13-17.

больше материалов в каталогах

Воздействия тупыми твердыми предметами

Повреждения головы

Черепно-мозговая травма

Повреждения грудной клетки

Повреждения позвоночника и спинного мозга

Экзоскелет HULC (Human Universal Load Carrying System – универсальная несущая конструкции для человека) от компании Lockheed Martin был создан для интенсивного использования на всех типах местности. В нем отражена достаточно хорошо биомеханика человека, что позволяет владельцу без проблем приседать, ползать, шагать и бегать

Когда пехотинцы переносят грузы, обращаются со снаряжением и вооружением, преодолевают труднопроходимую местность, они демонстрируют подвижность, быстроту выполнения и выносливость в такой комбинации, которую до сих пор не может превзойти ни одно транспортное средство. Впрочем, темпы, с какими солдаты демобилизуются по состоянию здоровья из армии в результате мышечно-костных травм, указывают на то, что физические требования, предъявляемые к их телам, приближаются и зачастую превышают то, что они объективно могли бы выдержать. Поэтому сегодня как никогда важно сформировать глубокое понимание биомеханики человеческого тела. Во всем мире ведутся научно-исследовательские работы, в которых используются накопленные знания и опыт создания пригодных для носки систем, работающих с биомеханикой человека, с целью снижения риска травм, повышения производительности и смягчения последствий повреждений, приводящих к потере трудоспособности.

Понимание возможностей и ограничений человеческого тела сыграло важную часть в эргономике и сделало все типы транспортных средств и машин безопаснее, проще и более эффективными для работы, а по мере продвижения науки и технологии этот человеко-машинный интерфейс становится все в большей степени дружественным. Конечное воплощение этого – слияние людей и роботов в новых сущностях-киборгах – является одной из самых популярных тем в научной фантастике и ближе к научной реальности, чем можно было бы предположить.

Реальность киборгов

Среди исследовательских работ в области биомеханики можно отметить знаменитые новаторские эксперименты с имплантантами, проведенными профессором кибернетики Кевином Уорвиком из университета города Рединга, который использовал себя в качестве подопытного кролика. В проекте «Cyborg 1» в 1998 году врач общей практики имплантировал в его левую руку радиопередатчик длиной 23 мм и диаметром 3 мм (фактически устройство радиочастотной идентификации RFID). Такая имплантация была проведена впервые. В успешном девятидневном эксперименте по команде запросного устройства имплантант испускал кодированный сигнал, который использовался для открывания дверей, включения и выключения света, обогревателей и компьютеров.

В рамках проекта «Cyborg 2» в 2002 году в больнице Оксфорда группой нейрохирургов была проведена сложная операция по вживлению хирургическим путем в срединные нервные волокна левой руки профессора Уорвика имплантанта с гораздо более сложной матрицей из 100 электродов. Разработанная группой под руководством доктора Марка Гэссона, технология имплантантов позволила Уорвику контролировать инвалидную коляску с электроприводом и «интеллектуальную» искусственную руку. Имплантант мог измерять нервные сигналы в руке и создавать искусственное чувство за счет стимуляции нервов индивидуальными электродами матрицы. Жена профессора Уорвика также согласилась принять участие в эксперименте, в ее руку был вживлен такой же имплантант, что позволило паре продемонстрировать двунаправленную функциональность этой технологии.

В то время как в этой работе были продемонстрированы возможности нервной системы по управлению механическим устройством, что имитирует биомеханику человека, в другой работе было показано, как электрические имплантанты могут помочь преодолеть повреждения нервной системы, которые как считалось прежде невозможно исправить. Доктор Харкема из университета города Луисвилла показала, как относительно простой имплантант может восстановить движения несмотря на «полные» повреждения спинного мозга. Используя только 16-контактный эпидуриальный (находящийся за пределами твердой мозговой оболочки) стимулятор, предназначенный для купирования боли, доктор Харкема и ее команда восстановила чувствительность, движения и способность стоять у мужчины, который был парализован пять лет ниже груди после аварии в мотокроссе, случившейся в 16 лет. С включенным стимулятором Кент Стивенсон по желанию мог двигать своими ногами и голеностопными суставами и стоять самостоятельно – способности, которые улучшаются при интенсивной практике. Имплантант скорее стимулирует здоровые нервы, расположенные ниже в спинном мозге, чем исправляет или устраняет нарушения спинного мозга.

Спинномозговые раздражители

«Мы знали много десятилетий, почти целый век, что у всех других биологических видов спинной мозг является очень сложной системой и фактически управляет всеми аспектами локомоции (совокупность согласованных движений, посредством которых объект перемещается в пространстве). Но считалось, что когда люди эволюционировали и мы получили наш фантастический мозг, он якобы принял на себя все управление, – рассказывает доктор Харкема. – Поэтому мои исследования действительно сосредоточились на том, обеспечивает ли спинной мозг человека эти качества и выяснили, что он выполняет эти функции. И это означает для человека с повреждениями спинного мозга, что даже если есть полное и очевидное «размыкание» с мозгом, мы многое можем сделать с тем, что осталось в нервной системе».

«Может оказаться, что все движения контролируются на уровне спинного мозга, – продолжает доктор Харкема, рассуждая о том, что мозг скорее выдает команды высокого уровня, чем детально управляет всеми движениями и что очень слабые сигналы должны пройти сквозь повреждение или обойти его. – При продолжении процесса тренировки этих людей, интенсивность стимуляции, которая нам необходима, уменьшается, поэтому мы считаем, что нервная система адаптируется».

В то время как биомеханические и биоэлектронные устройства становятся всё более эффективными при использовании протезов конечностей и имплантантов, повышающих физические способности инвалидов, потенциал сопутствующих и смежных технологий с целью улучшения возможностей человека изучается с растущим энтузиазмом. Самым захватывающим проявлением этого являются экзоскелеты и их родственники экзокостюмы, которые представляют собой относительно новую сферу «мягкой роботизации».

Восстание машин

Экзоскелеты позволяют человеку поднимать и переносить тяжелые грузы, передвигаться быстрее и сохранять работоспособность с такими грузами, которые иначе нельзя просто поднять без посторонней помощи. Пассивные (или без источника питания) экзоскелеты позволяют владельцу поддерживать тяжелые грузы без напряжения, но не наделяют никакой лишней силой. Компании Lockheed Martin и Raytheon были очень активны в сфере технологии военных экзоскелетов. Первая из них разработала систему для нижней части тела HULC (Human Universal Load Carrier – универсальная несущая конструкция для человека) с питанием от аккумуляторов, которая оценивалась американской армией для использования в боевых условиях. Вторая система FORTIS без энергоснабжения предназначена для промышленного использования. Проект по проверке экспериментальной концепции компании Raytheon XOS 1 привел в итоге к системе для всего тела, получившей обозначение XOS 2.

18 августа 2014 года компания Lockheed Martin объявила о получении контракта от Национального центра технологической науки по оценке двух экзоскелетов FORTIS корпусом морской пехоты. Главной целью этих работ является развитие технологии и организация ее перехода на промышленную базу министерства обороны, проведение испытаний и оценки использования этой системы при работе с ручными инструментами на верфях американских ВМС.

Пассивный экзоскелет FORTIS состоит из жесткого тазового ремня, который передает большие нагрузки на землю посредством шарнирных ног, которые кроме всего прочего позволяют владельцу нормально ходить. Шарнирная рука, закрепленная на тазовом ремне, поддерживает вес тяжелых ручных инструментов, позволяя пользователю работать с ними продолжительное время при минимальной усталости. Подпружиненные шарниры руки с технической точки зрения напоминают шарниры человеческой руки, так что владелец может двигаться как обычно.

«Обслуживание судов зачастую требует тяжелых инструментов, например это шлифовальные машинки, клепальные молотки или пескоструйные аппараты», – сказал руководитель новых направлений в компании Lockheed Martin Missiles and Fire Control Адам Миллер. Эти инструменты отнимают много сил у операторов из-за своей массы и стесненных условий, в которых им порой приходится работать. При надевании экзоскелета FORTIS операторы могут работать с тяжелыми инструментами в течение длительного промежутка времени, при этом их утомляемость значительно снижается».

FORTIS позволяет владельцу работать стоя или на коленях, в то время как рука zeroG, разработанная американской компанией Equipois, дает возможность «без усилий» манипулировать инструментами или другими предметами массой до 16,3 кг. В компании Lockheed Martin заявляют о снижении мышечного утомления на 300% и повышении производительности труда от двух до 27 раз.

Компания Revision адаптировала свои технологии экзоскелета для использования в программе TALOS (Tactical Assault Lightweight Operator Suit – легкий комплект для спецподразделений) американского командования силами специальных операций. Еще одна система PROWLER была разработана канадской фирмой B-tema и служит в качестве экзоскелета нижних конечностей.

Экзоскелет XOS 2 от Raytheon питается от внешнего источника, поэтому он привязан к транспортному средству, но компания объявила о разработке варианта для нижней части тела, у которого уже будет свой собственный аккумулятор

Старая идея, новые технологии

Работы по активным (с собственным источником энергоснабжением) экзоскелетам для военных ведутся уже ни одно десятилетие. К первым примерам можно отнести сотрудничество между компанией General Electric и Управлением военно-морских исследований по разработке устройства, названного HARDIMAN. Это сотрудничество началось в 1965 году как совместная программа армии и флота. Возможно, она была вдохновлена костюмами, которые носили пехотинцы в научно-фантастическом романе Роберта Хайнлайна 1959 года «Звездный десант». Созданный для таких задач, как например заряжание вооружения и другие тяжелые работы на борту авианосцев, HARDIMAN мог поднимать грузы массой 680,3 кг; при этом имелась силовая обратная связь для того, чтобы позволить оператору чувствовать что происходит. Впрочем, HARDIMAN также весил 600 кг и задержки в его системе управления сделали его малопрактичным.

Экзоскелет XOS 2 от Raytheon ближе всего напоминает концепцию HARDIMAN, в соответствии с которой он предназначен для логистических работ, но при этом современные технологии делают его существенно более практичным. Его полноразмерная конфигурация включает руки с гидравлическим приводами, которые позволяют владельцу несколько сотен раз поднимать 90,7 кг без ощущения усталости и многократно в цикличном режиме пробивать трехдюймовую доску. Тем не менее, в компании заявляют, что «он настолько подвижен и грациозен, что позволяет своему владельцу играть с футбольным мячом, бить по боксерской груше или с легкостью подниматься по ступеням и аппарелям». Когда компания Raytheon Sarcos показала экзоскелет XOS 2 в сентябре 2010 года, вице-президент компании сказал, что при стабильном финансировании они могут быть развернуты в течение пяти лет.

Электрогидравлический экзоскелет HULC от компании Lockheed Martin имеет источник питания и соответственно не имеет привязного кабеля, передавая массу груза до 90,7 кг плюс свои собственные 24 кг на грунт через титановые ноги. Биомеханические испытания экзоскелета HULC проводились на солдатах американской армии в исследовательском центре Натик в течение 2011 года, по результатам которых был назначен переход к тому, что описывается как серия «полевых экскурсий в моделируемом боевом пространстве», которая позволит сделать заключение о его полезности.

Как заявили в Гарвардском университете, «перспективные варианты Soft Exosuit могут помочь людям с ограниченной подвижностью»

Экзоскелеты командования силами специальных операций и Агентства DARPA

Технология экзоскелетов является частью программы TALOS, которая представляет собой работы по совмещению легкой и более эффективной баллистической защиты всего тела и силы «за пределами человеческих возможностей». TALOS – это детище командующего силами специальных операций адмирала Вильяма Макрейвена, TALOS – это ускоренное создание опытного образца, в котором сведены воедино множество технологий от 56 корпораций, 16 государственных агентств, 13 университетов и 10 национальных лабораторий. Три пассивных (беспривязных) прототипа должны были быть доставлены командованию в июне 2015 года, а эксплуатационная готовность системы ожидается к августу 2018 года.

Появились несколько специфических подробностей о кандидатах биомеханических технологий, но одним из самых интересных является проект Soft Exosuit, разрабатываемый в рамках программы Warrior Web агентства DARPA. Агентство выдало Гарвардскому университету контракт стоимостью 2,9 миллиона долларов на дальнейшую разработку экзокостюма Soft Exosuit, который можно будет носить под одеждой. Он позволит солдатам проходить большие расстояния, снизит утомляемость и минимизирует риск травм при переносе тяжелых грузов.

Предыдущие работы позволили провести проверку концепции того, что университет называет радикально новым подходом к проектированию и созданию «носимого робота», который вдохновлен глубоким пониманием биомеханики ходьбы человека. Технология Soft Exosuit обуславливает развитие того, что в университете характеризуют как «всецело новые формы функциональных тканых, гибких двигательных систем, мягких сенсоров и стратегии управления, позволяющие интуитивное и бесшовное взаимодействие человека и машины».

«В то время как идея носимого робота не нова, наш подход к его созданию определенно является инновационным», – говорит Коннор Волш, возглавляющий команду проектировщиков.

Имитируя работу мускулов и сухожилий ног при ходьбе, костюм также предоставляет небольшую, но «тщательно синхронизированную» помощь в суставах без какого-либо ограничения движений. Один из нынешних прототипов отличается несколькими разгрузочными ремнями вокруг нижней части тела. В этих ремнях размещаются микропроцессор малой мощности и сеть гибких тензодатчиков, которые все вместе мониторят положение и движения тела владельца. Впрочем, в отличие от твердого экзоскелета, Soft Exosuit по всей видимости не передает нагрузку на грунт.

В то время как тяжести, переносимые солдатами, вряд ли станут легче, понимание биомеханики человека и новые технологии с этим связанные позволят сделать их ношу, включая ту, что причиняет травмы, более легкой.

Использованы материалы:
www.monch.com
www1.iwr.uni-heidelberg.de
www.lockheedmartin.com
www.raytheon.com