4 курс / Лучевая диагностика / Биомеханика_травмы_повреждения_головы,_позвоночника_и_грудной_клетки

Однако эта предельная нагрузка на тело работающего не имеет достаточного научного обоснования.

Практика показывает, что при падении человека на предохранительном поясе, в том числе соответствую­ щем ГОСТ 5718-67, возникают различные повреждения; приводящие в некоторых случаях к смертельному исхо­ ду. Возникновение этих повреждений зависит как от воздействия элементов самого пояса на тело человека; так и от неравномерного развития торможения различ­ ных частей тела: когда взаимодействующая с предо­ хранительным поясом часть тела тормозится, а дистальные части продолжают свое движение. В результате мгновенно развивающегося отрицательного ускорения происходит смещение и травма костей и внутренних ор­ ганов.

Наибольшую опасность во время падения в предо­ хранительном поясе представляет удар вследствие вне­ запного натяжения фала, когда развиваются динами­ ческие усилия, в 7—8 раз превышающие массу тела. Это может повлечь за собой переломы костей, травму органов, а иногда и смерть (G. Ardouin, 1973). Отсюда следует, что предохранительные пояса нуждаются в тех­ ническом усовершенствовании за счет введения в их систему знергопоглощающих устройств, увеличения пло­ щади распределения нагрузки и перенесения места преимущественного воздействия нагрузки на наименее травмируемые части тела. Для решения этих вопросов необходимы специальные исследования.

Французские ученые (G. Ardouin, 1972) провели большую экспериментальную работу по изучению меха­ низма падения гибкого манекена в предохранительных поясах различных конструкций и пришли к выводу, что с точки зрения защитного действия ношение предохра­ нительного пояса на талии нецелесообразно. По их мне­ нию, предохранительный пояс должен размещаться на нижней части грудной клетки с точкой крепления фала

кпоясу в области спины.

Вотечественной и зарубежной литературе нет дан­ ных о механизме образования и характеристике повре­ ждений у человека при падении в предохранительномпоясе.

Упоминавшиеся выше французские исследователи изучали уровень переносимости воздействия предохра­ нительных поясов на тело у живых людей (самих экепе-

231

риментаторов, добровольцев) при небольших нагрузках. Независимо от ширины предохранительного пояса за абсолютный уровень предельно допустимой нагрузки они принимали 200 кгс, нормируя ее по болевому ощу­ щению, возникающему у человека при воздействии на его тело лямочного предохранительного пояса. По на­ шему мнению, более правильным и объективным пока­ зателем в этом отношении является наличие или отсут­ ствие телесных повреждений. При этом за допустимый уровень нагрузок, очевидно, следует принять те, при которых отсутствуют значительные повреждения, при­ чиняющие вред здоровью. Однако до настоящего време­ ни в нашей стране экспериментальные работы по обос­ нованию допустимых максимальных нагрузок на тело человека в предохранительном поясе не проводились.

Исходя из актуальности проблемы, сотрудниками кафедры судебной медицины I ММИ имени И. М. Сече­ нова совместно со специалистами научно-исследова­ тельского и проектного института труда в строительстве Госстроя СССР и Московского института стали и спла­ вов (А. П. Громов, Н. Н. Живодеров, С. А. Корсаков и др., 1976, 1977) проведено экспериментальное исследо­ вание по изучению влияния на человека динамических нагрузок, возникающих при защитном действии предо­ хранительного пояса.

Целью работы являлось определение величины ди­ намических нагрузок, возникающих в случаях падения в предохранительном поясе, которые не вызывают по­ вреждения различных органов и систем, опасных для жизни и здоровья человека. Эти данные необходимы для создания эффективных предохранительных поясов и в первую очередь для решения следующих вопросов: а) выбор принципиальной схемы пояса с наиболее бе­ зопасным распределением нагрузок; б) определение пре­

лись предельно допустимые нагрузки при использова­ нии однолямочных предохранительных поясов шириной 105 и 50 мм и лямочного пояса с наплечными и набед­ ренными ремнями. В процессе экспериментов учитывали, что при падении тела и резкой его остановке в зоне со-

232

Рис. 55. Кинематическая схема стенда-имитатора динамической нагрузки.

1— платформа; 2 — груз; 3 — биоманекен; 4 — пояс; S — электродинамометр; S — блоки; 7 —трос; 8 — упор.

прикосновения предохранительного пояса и тела возни­ кают динамические нагрузки, зависящие от ряда факто­ ров, в частности высоты падения, равной длине фала крепления, массы тела, положения тела в момент оста­ новки, наличия вращения вокруг продольной и попереч­ ной осей. Для обеспечения одинаковых условий воздей­ ствия нагрузок участниками работы был сконструиро­ ван специальный стенд-имитатор, позволяющий осущест­ влять дозированные динамические нагрузки при рывке за предохранительный пояс. Кинематическая схема стен­ да представлена на рис. 55.

Динамическое усилие удара груза по платформе передается через трос на биоманекен и преобразуется с помощью электродина­ мометра в электрический сигнал, который записывается светолучевым осциллографом (Н-115). Электродинамометр представляет со­ бой стальной стержень с наклеенными на нем тензодатчиками сопротивления. Тензодатчики соединены по схеме полумоста.

233

Электрический сигнал, возникающий в тензодатчиках электродинамо­ метра, усиливается и фиксируется на светочувствительной бумаге. Электродинамометр с применяемой аппаратурой предварительно та­ рировался с помощью стандартного механического динамометра. Тарировку стенда проводили перед каждым экспериментом. Для этого применяли мешок с песком, масса которого регулировалась дополнительным балластом, что позволяло подгонять массу мешка к массе биоманекена.

На указанном стенде-имитаторе было проведено 114 экспери­ ментов. В 64 экспериментах применяли пояса шириной 50 мм, из которых в 22 случаях фал к предохранительному поясу крепился сзади, в 24 — спереди, в остальных экспериментах точка крепления фала находилась сбоку. В других 22 экспериментах использовали пояс шириной 105 см, причем в 10 случаях фал крепили спереди и в 12 случаях — сзади. Различные места крепления фала позволили изучать повреждения, возникающие при воздействии ударной на­ грузки на область передней брюшной стенки, спины или боковых поверхностей туловища. Лямочный пояс с наплечными и набедрен­ ными ремнями использовали в 14 экспериментах.

Чтобы сравнить динамические нагрузки, которые возникали в экспериментах на стенде-имитаторе, с нагрузками, действующими при падении на предохранительном поясе, было проведено 14 экспе­ риментов со сбрасыванием биоманекенов в предохранительном поясе шириной 50 мм с различной длиной фала. Для этого на основании стенда-имитатора была установлена лебедка с тросом, перекинутым через ролик горизонтальной штанги, и биоманекен с помощью лебед­ ки подтягивали к горизонтальной штанге. Стальной трос с электро­ динамометром крепили к предохранительному поясу, и после нажа­ тия на спусковое устройство биоманекен свободно падал и повисал на тросе различной длины. Последний имитировал фал предохра­ нительного пояса.

Объектами исследования служили трупы мужчин и женщин в возрасте от 21 года до 60 лет без выраженной костной патологии и повреждений тела; причиной смерти были острая сердечно-сосуди­ стая недостаточность, повешение, отравление алкоголем. Экспери­ менты проводили в период от 12 до 36 ч после наступления смерти. К этому времени в мышечной ткани развивалось трупное окочене­ ние, которое в определенной степени имитировало мышечное напря­ жение, присущее живому человеку В процессе экспериментов прово­ дили измерение длины тела, окружности живота; труп обязательно взвешивали. Предохранительный пояс надевали поверх одежды на уровне средней трети живота биоманекена. Кроме нагрузки в фале предохранительного пояса, определяли также площадь контакта

пояса к туловищу. Это позволяло определять усредненное давление под лентой предохранительного пояса. Положение биоманекена в момент динамической нагрузки фиксировали скоростной кино­ съемкой.

Кроме исследований на биоманекенах, с целью определения пороговых нагрузок, влекущих за собой первоначальные функцио­ нальные изменения и анатомические повреждения, было проведено 20 экспериментов на собаках. Опыты на животных проводили на пневматическом стенде, устройство которого описано в главе IX. Стенд позволял осуществить динамическую импульсную нагрузку

334

Рис. 56. Размещение подопытного животного на стенде (объяснение в тексте).

на переднебоковую поверхность живота подопытного животного при воздействии предохранительного пояса. Собаку фиксировали за передние и задние конечности в положении лежа на животе. Для предотвращения значительного смещения животного во время рывка перпендикулярно основанию стенда была вмонтирована упорная площадка с прорезями для пояса, который размещали на уровне ре­ берных дуг животного или несколько ниже (рис. 56). Концы пояса шириной 50 мм пропускались в прорези упорной площадки и через регулирующие тяги и тензометрическое кольцо (тензодатчик) соеди­ няли со штоком пневмоцилиндра. Последний приводили в движение. действием сжатого воздуха, подаваемого из баллона с контрольным манометром.

Управление работой электроклапана и пневмоцилиндра осущест­ вляли дистанционно при помощи автоматического пульта управле­ ния. При срабатывании электропневмоклапана сжатый воздух из баллона поступал в пневмоцилиндр, шток пневмоцилиндра втяги­ вался и через регулируемые тяги, тензокольцо пояса создавал на брюшном отделе тела животного импульсную нагрузку с заданной силой и длительностью воздействия.

В проведенных экспериментах на животных были применены нагрузки от 20 до 265 кгс; продолжительность их действия от 0,12 до 0,21 с. Одновременно с нагрузкой во всех опытах регистрировали частоту сердечных сокращений и дыхания, для чего к конечностям и грудной клетке животного крепили специальные датчики.

. Проведенные эксперименты на биоманекенах и жи­ вотных позволили получить новые данные, необходимые для биомеханического обоснования защитного действия предохранительного пояса различной конструкции.

235

Результаты экспериментов на биоманекенах

Однолямочный предохранительный пояс ши­ риной 50 мм. Величина нагрузки при креплении фала сзади составляла 412—697 кгс, время воздействия на­ грузки колебалось от 0,06 до 0,1 с, площадь прилегания предохранительного пояса к брюшной стенке была в пределах 205—275 см2. В данной серии экспериментов предохранительный пояс располагался ниже уровня ре­ берных дуг.

Из 22 экспериментов этой серии повреждения наблю­ дались в 8 случаях. Повреждения мягких тканей в об­ ласти прилегания пояса отмечались при нагрузке 510 кгс в виде кровоизлияний площадью 3X2 см и толщиной 0,2 см. Повреждений поверхностных и глубоких мышц ни в одном эксперименте не отмечалось.

Разрывы брыжейки тонкой кишки возникали при силе воздействия 495 кгс. Они располагались в начале тонкой кишки и достигали длины 4,5 см. С дальнейшим увели­ чением нагрузки количество разрывов брыжейки и их протяженность возрастали. Так, при нагрузке 523 кгс отмечалось появление трех продольных разрывов бры­ жейки размерами 5x1 см каждый, которые локализо­ вались в начальном отделе тонкой кишки и на расстоя­ нии 7—8 см друг от друга. С увеличением нагрузки до 535 кгс отдельные разрывы брыжейки достигали 7 см, а при нагрузке 545 кгс — 30 см.

Перелом позвоночника при креплении фала сзади наблюдался лишь в одном случае, когда при динамичес­ кой нагрузке в 462 кгс отмечался неполный разрыв меж­ позвоночного диска между III и IV шейным позвонком. Возникновение этого разрыва, по-видимому, связано с резким кивком головы кзади в момент рывка. Разрывы внутренних органов при нагрузке до 697 кгс не отмеча­ лись, что, по-видимому, объясняется возможностью сме­ щения их в момент рывка.

Интервал роста нагрузки в наших экспериментах со­ ставлял 10—12 кгс. Увеличение нагрузки на фале сопро­ вождалось увеличением давления в зоне контакта предо­ хранительного пояса с телом биоманекена. В большинст­ ве экспериментов, сопровождавшихся повреждениями, усредненное давление в зоне контакта составляло 2—• 2,5 кгс/см2.

236

Величина нагрузки при переднем положении креп­ ления фала к предохранительному поясу составляла 412—640 кгс, время воздействия — 0,06—0,09 с, площадь прилегания предохранительного пояса к поясничной области колебалась от 200 до 335 см2. В этой серии экспериментов предохранительный пояс располагался на уровне края реберных дут или его верхний край про­ ходил на уровне остистых отростков I или II пояснич­ ного позвонка.

Из 24 экспериментов этой серии в 15 наблюдались повреждения, из которых легкие отмечались только в 4 случаях. Кровоизлияния в мягкие ткани спины появ­ лялись при нагрузке 412 кгс, когда в подкожной жиро­ вой клетчатке поясничной области и под поверхностной фасцией супины возникли очаговые, местами сливающие­ ся друг с другом темно-красные кровоизлияния толщи­ ной до 0,8 см. С увеличением нагрузки аналогичные темно-красные кровоизлияния, достигавшие размеров 6X5 см, отмечались и в отдельных пучках глубоких мышц спины. При нагрузке 575—625 кгс кровоизлияния распространялись в глубочайшие мышцы спины, дости­ гая размеров 13X6 см, причем толщина их составляла 1,8—2 см.

Первые костные повреждения появлялись при на­ грузке 412 кгс, когда отмечался полный перелом XI реб­ ра справа и переломы остистых отростков I—II—III поясничных позвонков. Увеличение нагрузки до 445 кгс сопровождалось переломами поперечных отростков I поясничных позвонков у места их отхождения и пере­ ломами XII ребер на расстоянии 6 см от их головки.

При нагрузке в 480 кгс в одном случае имели место перелом тела первого грудного позвонка, переломы по­ перечных отростков I поясничного позвонка и переломы XI—XII ребер. Помимо костных повреждений, в данном случае отмечался надрыв брыжейки нисходящей обо­ дочной кишки длиной 4 см. Такие обширные поврежде­ ния в этом опыте можно объяснить слабым развитием мускулатуры исследуемого биоманекена, его относи­ тельно малой массой (56,8 кг), что обусловило вторичное подбрасывание тела после рывка с возможным образо­ ванием «вторичных» повреждений.

С увеличением нагрузки до 640 кгс появлялись раз­ рывы межпозвоночных дисков, которые располагались на уровне XII грудного и I поясничного позвонков или

237

Между 1 и 11, И и III поясничными позвонками. Неред­ ко такие повреждения сопровождались двусторонними переломами поперечных отростков и переломами XI— XII ребер, которые имели характер вывихов с повреж­ дением суставных сумок. Кроме того, при указанной величине воздействия в позвоночном канале на уровне I—II поясничных позвонков под твердой мозговой обо­ лочкой отмечалось наличие кровоизлияния, распростра­ нявшегося на протяжении 4—5 см. В 2 эксперимен­ тах при нагрузке 585 и 605 кгс наблюдались одно- и дву­

крепление и в 9 — левое. Величина нагрузки в этой се­ рии возрастала от 280 до 620 кгс, время воздействия 0,07—0,08 с. При правом боковом креплении фала, ког­ да нагрузки превышали 473 кгс, повреждения наблюда­ лись в 4 случаях. В одном из них отмечалась ссадина в

креплении фала повреждения возникали при нагрузке, превышающей 465 кгс. Они наблюдались в 5 экспери­ ментах, из которых в двух отмечались ссадины в месте прилегания пояса, в одном — перелом XII ребра справа и еще в двух имели место разрывы брыжейки восходя­ щей и тонкой кишок.

Однолямочный предохранительный шояс шириной 105 мм. В первой серии опытов при креплении фала спе­ реди (на животе) повреждения в виде кровоизлияний в мышцы спины возникали при нагрузке 560 кгс, действу­ ющей 0,06 с. Последнюю можно считать для данного пояса пороговой. Нагрузки в 575 кгс при времени воз­ действия 0,06—0,07 с вызывали более значительные по­ вреждения: множественные переломы поперечных от­ ростков и разрывы межпозвонковых дисков поясничных позвонков, переломы XII ребра оправа и слева, обшир­ ные повреждения мышц спины и поясничной области. Нагрузки 620—785 кгс (время действия 0,06—0,08 с) сопровождались возникновением и других опасных для жизни повреждений: полным переломом поясничного отдела позвоночника, двусторонними разрывами крест­ цово-подвздошных сочленений костей таза.

238

Во второй серии экспериментов с креплением фала сзади (в верхней части поясничной области), пороговой нагрузкой, обусловившей повреждения мышц спины, яв­ лялась нагрузка 540 кгс (время действия 0,06 с). При на­ грузке 580 кгс и том же времени действия кровоизлияния в поверхностные мышцы спины и поясничной области достигали 14X9 см и располагались симметрично спра­ ва и слева. Кроме того, были обнаружены множественные разрывы глубоких мышц спины и межостистых связок поясничных позвонков. При нагрузке 660 кгс и времени действия 0,07 с произошел разрыв брыжейки тонкой кишки на протяжении 15 см. Одновременно отмечались симметричные переломы XI ребра справа и слева, про­ ходившие поперечно на расстоянии 12 см от места при­ крепления их к позвоночнику.

Лямочный предохранительный пояс. В 14 экспери­ ментах этой серии нагрузки колебались от 415 до 550 кгс. Лишь в 2 случаях, когда нагрузки превышали 510 кгс, отмечались небольшие повреждения: очаговое кровоизлияние в толщу связки печени и ограниченные кровоизлияния в брыжейку подвздошной и поперечной ободочной кишок.

Свободное падение в однолямочном поясе шириной 50 мм. Из 14 экспериментов данной серии в 10 фал крепился спереди и каких-либо амортизаторов не при­ менялось— первая группа. Во вторую группу вошли 4 эксперимента, в которых фал крепили к поясу также опереди, но посредством амортизирующей ленты.

В первой группе экспериментов повреждения имели место только в 2 случаях при нагрузке 480 юге. В одном из них отмечался перелом остистого отростка IV пояс­ ничного позвонка с кровоизлиянием в окружающие мягкие ткани, в другом — обнаружена ссадина 5X1 см по ходу наложения пояса, а также надрыв межпозво­ ночного диска между III и IV поясничным позвонком.

Во второй группе наблюдений, где применялись амортизирующие ленты, отмечалось значительное сни­ жение нагрузки на фале (до 230—250 кгс), несмотря на увеличение высоты падения до 120 см, в то время как при падении в поясе без амортизирующего устройст­ ва максимальная высота падения достигала лишь 87 см. Увеличение высоты падения сопровождалось увеличе­ нием запаса кинетической энергии тела при падении. Однако из 4 наблюдений этой группы в двух поврежде-

W

ний не было обнаружено, в остальных двух имелись лишь отпечатки предохранительного пояса на теле био­ манекена. Следовательно, применение амортизирующих лент вдвое уменьшает нагрузку на фал, не вызывая на­ ружных и внутренних повреждений. Это в первую оче­ редь связано со значительным увеличением времени действия силы.

Первая группа экспериментов при свободном паде­ нии в предохранительном поясе шириной 50 мм без амортизирующих лент показала, что повреждения при свободном падении возникают при таких же нагрузках, что и на стенде-имитаторе. Данные скоростной кино­ съемки также подтвердили, что характер перемещения те­ ла при этих способах нагружения практически аналогичен на что указывает и форма полученных тензометрических кривых.

Следовательно, полученные нами результаты на стенде-имитаторе могут приниматься без каких-либо поправок для биомеханического обоснования защитного действия предохранительных поясов различных конст­ рукций. Сравнивая результаты биомеханических иссле­ дований поясов различных конструкций, следует под­ черкнуть, что защитные свойства их весьма различны.

Наибольшее число экспериментов было проведено с однолямочными поясами шириной 50 мм, поскольку они наиболее распространены на производстве. Малая ширина такого пояса позволяет снизить габаритно-ве­ совые характеристики, что является необходимым усло­ вием повышения эксплуатационных показателей средств индивидуальной защиты. Однако нашими исследования­ ми было установлено, что уровень переносимости на­ грузок для этой ширины предохранительного пояса не­ сколько ниже по сравнению с широкими поясами. Если для предохранительного пояса шириной 105 мм наи­ меньший уровень нагрузки, при котором возникают повреждения, составляет 540 кгс, то для поясов шири­ ной 50 мм пороговые нагрузки составляют 470 кгс.

Вместе с тем полученные данные показывают, что пороговые нагрузки зависят и от индивидуальных осо­ бенностей биоманекенов. Так, повреждения в одних случаях возникали при 470 кгс, а в других не появля­ лись при нагрузках порядка 600—700 кгс. Это свиде­ тельствует о том, что эксперименты проводились в диапазоне нагрузок, которые не вызывали обязательные

240