Кислов м а переломы длинных трубчатых костей

Проведено исследование морфологии разрушения компактного слоя длинных трубчатых костей в эксперименте при ударной и компрессионной нагрузках.

МЕТОДЫ

Для этого проводили эксперименты (в количестве 50) по разрушению образцов нативных большеберцовых костей трупов мужского пола в возрасте 46-54 лет.

Костные образцы, размерами 120х5х5мм., разрушали при ударе настольным копром МК-05 и методом кратковременно давления на учебном прессе с гидравлическим приводом ( рис. 1)

Рис.1 Схема перелома костного образца. Р-направление нагрузки. Стрелками указаны деформации на поверхности растяжения ( ) и сжатия ( ->

Изучали общую траекторию перелома, мозаику и распространение микротрещин, виды повреждения гаверсовых систем и межостеонного пространства по ходу разрушения.

Поверхность перелома исследовали с помощью стереомикроскопа МБС — 10, сканирующего электронного микроскопа «Тесла» БС — 300, использовали цифровую камеру «Canon PowerShot Pro 1». Для обработки структурных фотоизображений переломов применяли программу focus fotoeditor (ver.4.0.3), позволяющую проводить исследование элемента поверхности разрушения для выделения морфологических признаков поверхности костной ткани в различных вариантах визуального контраста.

На поверхности излома можно выделить последовательно сменяющие друг друга три зоны:

— разрыва(зарождение разрушения),

— сдвига (распространение разрушения) и

— долома (завершение разрушения).

Именно такую неоднородность строения изломов Гордеева Т.А., Жегина И.П. (1978), связывают с тем, что процесс разрушения носит скачкообразный характер.

В результате исследования установлено, что различные способы внешней нагрузки порождают формирование разной по качеству траектории и текстуры разрушения.

РЕЗУЛЬТАТЫ

УДАРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Так, при ударе отмечается косопродольное направление разрушения, общий вид его поверхности шероховатый за счет формирования рубцов и осколков, образующихся в результате разнонаправленности концентрации напряжений в костной ткани и скола гаверсовых пластин остеонов (рис.2, рис.3).

Зона разрыва занимает от 1/3 до 1/8 толщины кости, поверхность перелома имеет крупнобугристый характер, что связано с концентрацией микротрещин на этом участке, которые ориентированных под острым углом (около 45 градусов) относительно общего направления разрушения (рис 2). Отмечается четкое разделение границы перехода разрыва в сдвиг.

В зоне сдвига, вследствие стремительности разрушения, выявляются сколы гаверсовых пластин остеонов с образованием осколков (рис.3-1). Текстура здесь представлена гребнями, параллельными друг другу (рис.3-2). По ходу действующей сдвиговой деформации практически полностью разрушаются стенки остеонов, на месте которых выявляются микротрещины в виде острых углов, вершинами направленных навстречу хода разрушению («языки скола») (рис. 3-3).

Концентрация напряжений костной ткани при ударной нагрузке больше происходит в зоне сдвига, где определяются хаотично расположенные микротрещины, как между остеонами (рис.4-1), так и в их стенках (рис.4-2).

Рис.4 зона сдвига при ударе (увел. Х200) Эффект «негатив». Микротрещины между остеонами (1) и в стенках остеонов (2)

Определяется четкое разделение границы зон сдвига и долома, поверхность разрушения на этих участках относительно гладкая и представлена мелкоячеистой (сетчатой) текстурой (рис.5-1). В месте разъединения кости вклинение отломков слабо выражено, контур разъединения – мелковолнистый (рис. 5-2).

Рис 5. зона долома при ударе (увел. Х200) «мелкоячеистый» узор (1) и волнистый контур в месте разъединения кости (2)

ПОВРЕЖДЕНИЯ, ПРИЧИНЕННЫЕ МЕТОДОМ ДАВЛЕНИЯ

При исследовании образцов, поврежденных методом давления определяется принципиально иной характер разрушения.

Общая траектория разрушения поперечная с формированием сглаженного рельефа поверхности. Текстура излома на всем протяжении мелкобугристая и переход зоны разрыва в сдвиг выражен нечетко.

Распространение зоны разрыва занимает до 1/2 толщины кости. Разрушение принимает хаотичный характер, обходя на своем пути остеоны. Подтверждением этого факта являются микротрещины, которые концентрируются вокруг остеонов (рис.6).

Рис.6 зона разрыва при давлении (увел. Х200) Концентрация микротрещин вокруг остеонов (указано стрелками)

В зоне сдвига вследствие скачкообразного характера разрушения образуется «подрытие» гаверсовых пластин остеонов (рис.7-1) с образованием мелких осколков («костная пыль») (рис.7-2). Так же, как и в зоне разрыва, при сдвиговом участии разрушений, концентрация микроразрушений костной ткани более выражена вокруг остеонов гаверсовых каналов (рис.8).

Медленный изгиб формирует слабовыраженный переход разрушения на границе сдвига и долома. За счет глубокого вклинения в зоне долома образуется «подрытие» и козырькоподобный выступ, а также зубчатый контур в месте разъединения кости (рис.9-1). Текстура в зоне долома представлена мозаикой микротрещин в виде «шевронного узора» — «ветви дерева» [4] (рис.9-2).

Рис 9. зона долома при давлении (увел. Х200) «шевронный» узор на фоне рубца (2) и зубчатый контур в месте разъединения кости (1)

Таблица 1.

Дифференциально-диагностические признаки повреждений костей при различных способах внешнего воздействия.

Т.о. в зависимости от способа внешнего воздействия (удар или давление) образуется неодинаковая морфология поверхности разрушения, что позволяет проводить дифференциальную диагностику различных способов нагружения повреждений в случае ее мелкой фрагментации.

Список литературы:

•  Бахметьев В.И. Множественные переломы длинных трубчатых костей нижних конечностей при травме тупыми предметами: автореф. дис. … д-ра. мед. наук/ В.И.Бахметьев.; Самара, 1992. – 22 с.

•  Гордеева Т.А. Анализ изломов при оценке надежности материалов./ Т.А.Гордеева, И.П.Жегина – М.: Машиностроение, 1972.- 178 с.

•  Крюков В.Н., Галлиев Б.Х., Сальников Ю.К. Установление видов деформации и разрушений при исследовании отломков костей/ В.Н.Крюков, Б.Х.Галиев, Ю.К.Сальников// Судебно-медицинская экспертиза. — 1986. — №2. – С.28-31.

•  Нагорнов М.Н. Морфология излома костей при разрушении деформации растяжения в области фронта трещины/ М.Н.Нагорнов// Современные вопросы судебной медицины и экспертной практики. – Ижевск. — 1991. – С.97-99

•  Фрейдлин С.Я. Дальнейшие исследования по статистике переломов костей./ С.Я.Фрейдлин// Ортопедия, травматология и протезирование. – 1971. — №7. – С.58-64

•  Янковский В.Э. К вопросу об определении механизмов образования переломов./В.Э.Янковский// Актуальные вопросы судебной медицины и экспертной практики. – Барнаул. — 1988. – С. 11-17.

При выраженной зоне пластической деформации морфология поперечного сдвига обусловлена зарождением множественных микротрещин впереди фронта движущейся трещины в плоскости максимальных отрывных напряжений с последующим их слиянием между собой, вследствие чего формируются «гребни поперечного сдвига» [1]. При этом они отчетливо выражены, имеют направление перпендикулярное или близкое к нему по направлению движения магистральной трещины.

Вследствие того, что разрушение идет с относительно небольшой скоростью, поверхности и края трещины скользят одна по другой в противоположных направлениях: при поперечном сдвиге – перпендикулярно фронту трещины, при продольном – вдоль фронта, то процесс сдвиговой деформации идет медленно, отчего структура поверхности излома приобретает бугристый вид с множественными углублениями и выступами.

Зарождение и продвижение трещины является энергоемким процессом при деформации сдвига в хрупком и хрупко-пластинчатом материале, чем при деформации отрыва, на что указывают данные литературы [2,3,4]. Этим и объясняется, то, что текстура разрушения в зоне сдвига имеет волнообразную траекторию, и пластическая деформация значительно увеличивает долю касательных напряжений, в связи с чем, образовавшаяся трещина продвигается зигзагообразно. Кроме того, при медленном
изгибе разрушение идет по менее энергоемкому пути, обходя при движении участки кости, которые имеют более выраженную твердость.

Сглаженность поверхности разрушения на участке, прилежащей к костномозговой полости трубчатых костей, объясняется тем, что при давлении во время прохождения магистральной трещины образуются рубцы на поверхности излома, которые формируются только по краю излома, в результате слияния языкообразно выступающих частей движущегося фронта трещины или семейства трещин, движущихся в одном направлении, расположенных на одном уровне. Образования их ближе к полости кости не происходит, так как невысокая скорость нагружения стремиться к свободной поверхности в области наружного контура периостальных краев для перехода в продольный сдвиг целью достижения максимальной деформации.

Так как при медленном изгибе разрушение идет с небольшой скоростью, то при движении трещины, в вершине которой действуют деформации продольного сдвига, края излома, приобретают вид «ступенек», количество которых ближе к долому уменьшается, но они увеличиваются в размерах.

Вследствие развития пластической деформации от свободной поверхности в области берегов трещины, фронт ее принимает дугообразную форму, т.е. несколько «отстает» по краям излома относительно тех участков, которые расположены в центре массива компакты. Данная картина формируется в виде рубцов, расположенных перпендикулярно фронту трещины, образует с ее берегами острый угол с вершиной, указывающей направление разрушения. Это краевые рубцы – рубцы, расположенные по краю излома и переходящие в боковые скосы. По сути, такие рубцы являются неполным «шевронным узором», расположенным в области берегов трещины [1]. Но так как разрушение идет с невысокой скоростью, то краевые рубцы слабо выражены на поверхности излома, их практически полностью перекрывают гребни поперечного сдвига, которые идут вдоль фронта трещины. Таким образом, при наложении их друг на друга образуется «треугольник», направленный своим основанием к краю излома, а вершиной к костно-мозговой полости кости.

Текстура излома на границе зон сдвига и долома приобретает однорельефный характер на всем протяжении этих участков, так как при медленном нагружении разрушение идет медленно, за счет чего и обеспечивается плавность перехода рельефа, который остается практически одинаковым на всем протяжении поверхности излома до вклинения и после него.

Таким образом, выявленные морфологические признаки в зоне сдвига на изломе позволяют определить вид внешнего воздействия по представленному костному отломку, что немаловажно при обнаружении скелетированных останков, когда необходимо решить вопрос о механизме травмы.

Литература:

1. Нагорнов М.Н. Фрактографические исследования костной ткани при экспертизе переломов : дис. … канд. мед. наук / М.Н.Нагорнов ; Рос. гос. мед. ун-т. – М., 1992. – 167 с.
2. Atkins A.G. Elastic and plastic fracture : metals, polymers, ceramics, biological materials / A.G.Atkins, Y.W.Mai. – Chichester : Horwood, New York, 1985. — 816 p.
3. Ginty C.A. Fracture Characteristics of Angleplied Laminates Fabricated from Overaged Graphite : Epoxy Prepeg / C.A Ginty C, C. Chamis // Fractografy of modern engineering materials: composites and metals, ASTM STP 948, American Society for Testing and Materials. – Philadelphia – 1987. – P. 101
   – 130.
4. Hibbs M. F. Correlations Betweens Micromechanical Failure Processes and the Delaminaition Toughness of Graphite : Epoxy Systems / M.F.Hibbs,W.L.Bradley // Fractografy of modern engineering materials: composites and metals, ASTM STP 948, American Society for Testing and Materials. – Philadelphia,1987. – P. 68 – 100.