Журнал «Травма» Том 11, №2, 2010

Изучению репаративного остеогенеза и факторов, влияющих на его течение, уделяется значительное внимание как отечественными, так и зарубежными авторами. Несмотря на наличие заложенных природой предпосылок к полному восстановлению поврежденной костной ткани [7], значительные количество экспериментальных и клинических исследований, посвященных вопросам остеорепарации [2,4,5,10,13,18], удельный вес осложнений, связанных с нарушением процессов сращения костей после травм, остается достаточно высоким и достигает от 18,0 % [9,20] до 25% [1,6]. Имеющиеся в литературе данные, посвященные изучению нарушений остеорепаративных процессов, описывают преимущественно местные и общие факторы несращения переломов костей на фоне уже существующего нарушения репаративного остеогенеза [9,11,12,20].

Перелом костей, являясь патологическим состоянием, развивается по законам, характерным для любого заболевания. Возникновение какой бы то ни было болезни возможно лишь при наличии этиологического фактора, выраженность воздействия которого играет определяющую роль в развитии и течении заболевания [21]. Известно, что этиологическим фактором переломов костей является внешнее воздействие, которое превышает пределы ее прочности [25,26]. В отличие от клиницистов других специальностей, которые изучению этиологии придают большое значение, травматологи проблемам механогенеза травмы как этиологическому фактору уделяют крайне незначительное внимание, которое в основном сводится к констатации факта получения травмы (в результате дорожно-транспортного происшествия, падения с высоты, несчастного случая на производстве и т.д). Несмотря на то, что отдельные авторы отмечают наличие взаимосвязей между выраженностью травмирующего фактора и течением остеорепаративных процессов [9,11,20], работ, посвященных изучению процессов механогенеза травмы длинных костей с позиций их влияния на состояние костной ткани, нам найти не удалось.

Изучению механики и морфологии переломов большое внимание уделялось судебными медиками, основной задачей которых являлось определение направления и силы воздействия повреждающего агента и конкретизация условий, при которых возникли те или иные повреждения. Исследования, проведенные в конце 80-х - начале 90-х годов прошлого века Б.Х. Галиевым [8] и В.Н. Крюковым с соавт. [16], показали, что у взрослых нарушение сплошности кости протекает не мгновенно, а развивается этапно по определенным закономерностям и зависит от силы (энергии) воздействия повреждающего агента, точки его приложения и направления действия относительно оси сегмента. Перелом кости происходит по хрупкому типу, который характеризуется тремя периодами – максимального роста силовых напряжений и начала разрывного образования трещин, лавинообразного течения разрушения, завершения этого процесса (долома).

Согласно с законами сопротивления материалов в упругом теле, под действием внешних нагрузок происходит смещение одних отделов по отношению к другим, что сопровождается увеличением потенциальной энергии, избыток которой при возвращении в устойчивое положение переходит в кинетическую упругую энергию. По теории устойчивости упругих систем, нагрузка, при которой устойчивое равновесие переходит в неустойчивое, называется критической нагрузкой. При воздействии на тело энергии, которая превышает критические нагрузки, происходит его разрушение [19]. За счет своей слоистой структуры компактная костная ткань при малых перемещениях, способна к деформации и накоплению упругой кинетической энергии. Когда эта способность кости не позволяет аккумулировать переданную ей кинетическую энергию, а деформация кости становится критической, начинается процесс повреждения. Разрушение кости, в зависимости от вида, направления и силы травматического воздействия, либо вследствие разрыва (чаще), либо – простого или двойного сдвига происходит взрывообразно в короткий промежуток времен [14,22-24]. Оценивая перелом с позиций затрат механической энергии, была определена минимальная энергия, необходимая для формирования перелома. Но в реальных условиях возникновение перелома кости происходит в результате внешних воздействий, превышающих ее прочностные характеристики. Как затрачивается кинетическая энергия, остающаяся после перелома кости, до настоящего времени остается неустановленным [14,23].

В связи с этим нами были проведены исследования, целью которых было изучение влияния механогенеза переломов длинных костей на состояние костной ткани.

Материал и методы

Процесс перелома кости условно может быть подразделен на два периода. Во время первого периода прилагаемая к кости энергия вызывает возникновение в ней напряжений, которые, если они превышают прочностные характеристики костной ткани, приводят к ее разрушению. Во втором периоде остаточная энергия, которая не была затрачена непосредственно на разрушение костной ткани, распространяется вдоль тканей сегмента в виде волновых колебаний. Поэтому в течение процесса перелома на костную ткань оказывают воздействия напряжения, возникающие в кости, и остаточная кинетическая энергия. В настоящее время осуществление каких-либо измерений в течение процесса перелома связано со значительными техническими трудностями. Поэтому для достижения поставленной цели нами (при помощи специалистов кафедры физики Донецкого национального университета) был использован метод численного эксперимента, который с определенной достоверностью позволяет описать процессы возникновения напряжений и распространения остаточной энергии в исследуемом объекте.

Моделирование напряжений в костной ткани, возникающих в результате приложения к кости различных усилий, осуществляли при помощи лицензионной специализированной программы ANSIS. Для этого были заданы следующие параметры:

– кость представляет собой полый цилиндр длинной 0,4 м с фиксированными концами, внешним диаметром 0,08 м и толщиной стенки 0,005 м;

– на кость воздействуют разрушающие силы: а) удар (имитирующий удар автомобиля массой 1000 кг и имеющий скорость в момент удара 10 и 30 км/час); б) скручивание (действие силы продолжалось до возникновения напряжений, приводящих к разрушению кости); в) сгибание (действие силы продолжалось до возникновения напряжений, приводящих к разрушению кости);

– разрушение мембраны клеток происходит в момент, когда напряжения, возникающие в кости, превышают допустимые для мембраны значения.

Для определения распространения остаточной кинетической энергии механической силы в тканях травмированного сегмента были приняты следующие положения:

– сегмент конечности состоит из трех различных по своим физическим характеристикам (плотности, упругости и др.) тканей – кости, мягких тканей и костного мозга, которые обладают упругими свойствами;

– для упрощения расчетов на данном этапе численного эксперимента ткани конечности (кость, мягкие ткани и костный мозг) были представлены в виде тонких стержней, обладающих упругими свойствами и не имеющих прочных плоскостных взаимосвязей между собой;

– в результате перелома в сегменте образуются стержни, имеющие два вида крепления:

а) стержень, закрепленный на одном конце – костный и костно-мозговой стержни (длина каждого стержня составляет 0,25 м);

б) стержень, закрепленный на обоих концах или свободно подвешенный на неупругих нитях – мягкотканый стержень (мышцы сегмента конечности, длина стержня составляет 0,5 м);

– в результате механического воздействия на сегмент кинетическая энергия распространяется в тканях конечности (стержнях) в виде возмущений – упругих затухающих колебаний;

– амплитуда колебаний, возникающих в результате механического воздействия, одинакова для всех трех стержней – А0 = 0,5 см; 1,0 см и 1,5 см.

Исходя из этих положений, определяли частоту и затухание колебаний стержней и количество энергии, переносимой волной за единицу времени сквозь единицу площади поверхности (интенсивность волнового колебания). Для проведения расчетов были использованы справочные данные о биофизических характеристиках тканей (Березовский В.А., Колотлов Н.Н., 1990).

Определение частоты колебаний, возникающих в стержнях, осуществляли по формулам [27]:

а) для стержня, закрепленного на одном конце:

где l – длина стержня, Е – модуль Юнга, ρ – плотность;

б) для стержня, закрепленного на обоих концах или свободно подвешенного на неупругих нитях:

где l – длина стержня, Е – модуль Юнга, ρ – плотность.

Определение интенсивности волнового колебания проводили по формуле:

Результаты и обсуждение

Напряжения, возникающие в костной ткани при различных механизмах ее разрушения

На рисунке 1 представлено графическое распределение напряжений в костной ткани. Из рисунка видно, что при любых воздействиях механической силы на кость в ней возникают напряжения, которые по своим значениям превосходят предельно допустимые значения для клеточной мембраны. Однако если при скручивании эти предельно допустимые величины напряжения формируются на незначительном расстоянии, то при ударе зона напряжений, приводящих к разрушению клеточной мембраны, увеличивается в 4-6 раз (в зависимости от величины кинетической энергии). При разрешении костной ткани, которая возникает в результате сгибания, протяженность зоны разрушения клеточных мембран больше, чем при скручивающем воздействии, но значительно меньше, чем при ударе.

Распространение остаточной кинетической энергии механической силы в тканях травмированного сегмента. В таблице 1 представлены данные расчетов частоты колебания костного, костно-мозгового и мышечного стержней.

Из таблицы видно, что частота колебаний костного стержня более чем в 100 раз превосходит частоту колебаний мышечного стержня и более чем в 3 раза - частоту колебания костно-мозгового стержня.

На рисунках 2, 3 и 4 представлены данные расчетов затухания колебаний трех различных стержней при Ао = 1,5; 1,0 и 0,5 см. Из графиков, представленных на рисунках, видно, что затухание колебаний в стержнях происходит не одинаково. Быстрее всего колебательные движения затухают в костном стержне. Затухание колебаний в мышечном и костно-мозговом стержнях происходит более медленно: в мышечном стержне в 2 раза медленнее, а в костно-мозговом – в 3 раза.

Т.к. ткани конечности, являясь упругими, обладают свойствами поглощать волны, нами было определено расстояние, на котором происходит полное поглощение волн (табл. 2). Полученные данные позволяют говорить о том, что часть остаточной механической энергии, остающейся после перелома кости, переходит в упругую кинетическую энергию тканей поврежденного сегмента. Эта энергия приводит к появлению в тканях возмущений, распространяющихся в виде колебаний. Большая часть остаточной энергии поглощается костью и костным мозгом (в соотношении примерно 4:1).

Выводы

Таким образом, представленные выше данные позволяют говорить о том, что в результате травмы происходит повреждение всех тканей сегмента. Факторами, повреждающими ткани, являются возникающие в момент перелома в костной ткани напряжения. При напряжениях, превышающих предельно допустимую величину напряжений для клеточных мембран, происходит их разрушение, гибель клеток или повреждение клеточных рецепторов мембран. Это в свою очередь может приводить к изменению функционального состояния этих клеток. Наряду с повреждающим действием на клетки костной ткани напряжений, немаловажное влияние на клеточные мембраны оказывает остаточная кинетическая энергия. Последняя, распространяясь по тканям сегмента в виде волновых колебаний, переносится на значительное расстояние от линии перелома и оказывает на клетки тканей повреждающее воздействие. Также, в связи с тем, что под воздействием травмирующего агента ткани сегмента испытывают различные по амплитуде и частоте колебания, происходит нарушение интимных взаимосвязей между тканями сегмента, что, прежде всего, влечет за собой повреждение микроциркуляторного русла на значительном удалении от линии перелома.

Выраженность и протяженность повреждений костной ткани и тканей сегмента зависит от механизма травмы и величины прилагаемой к сегменту силы (повреждающей энергии).