CC BY
164
УДК 340.6:611.714
КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОСТЕЙ СВОДА ЧЕРЕПА ДЛЯ ОЦЕНКИ ИХ ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ
А.Б. Шадымов1, ПА. Васькин1, АЛ. Кривошапкин2
1ГОУ ВПО Алтайский государственный медицинский университет Минздравсоцразвития России, Барнаул 2ГОУ ВПО Новосибирский государственный медицинский университет Минздравсоцразвития России
E-mail: [email protected]
COMPREHENSIVE STUDIES OF CRANIAL VAULT BONES TO ASSESS THEIR DEFORMATION AND STRENGTH PROPERTIES
A.B. Shadymov1, P.A. Vaskin1, A.L. Krivoshapkin2
1Altai State Medical University, Barnaul Novosibirsk State Medical University
Авторами проведены комплексные исследования костной ткани костей свода черепа. Полученные данные определяют влияние особенностей строения костной ткани на ее деформационно-прочностные свойства.
Ключевые слова: свод черепа, комплексное исследование.
The authors conducted comprehensive studies of bone tissue of bones of the cranial vault. The obtained data determines the effect of the structural features of bone tissue on its deformation and strength properties.
Key words: cranial vault, comprehensive study.
Введение
Судебно-медицинская интерпретация переломов черепа представляет одну из наиболее сложных областей судебно-медицинской травматологии. Это обусловлено как высокой частотой встречаемости травм этой области, а значит и высокой их социальной значимостью, так и большим разнообразием морфологической картины переломов данной области. Традиционный подход, при котором, оценивая перелом, проводили параллель между его видом и видом травмирующего объекта, не всегда объясняет особенности морфологии разрушения. Поэтому существует большое количество работ, посвященных изучению влияния особенностей строения костей черепа на морфологическую картину образующихся в нем переломов. При этом авторы, как правило, выделяли какой-то один признак, пытаясь объяснить различия в переломах при однотипных воздействиях влиянием этого признака. К таковым относили толщину костей и степень диплоетизации, их микротвердость, форму черепа, его рельефность и пр. [1, 6, 8, 10].
Сопоставление ранее изученных признаков между собой позволило выделить 2 уровня прочности - “конструкционный” и “локальный” [9], соответственно их влиянию на механогенез разрушения костей черепа. При этом существуют работы, изучающие особенности строения костей черепа, относящихся к “конструкционному” уровню и их комплексное влияние на особенности механизмов и морфологии образующихся переломов. Исследование влияния “локального” уровня проводилось на
основе изучения традиционно измеряемых признаков (кривизна компактных пластинок, толщина и др.), в том числе оценивалось комплексное влияние таких признаков [4].
На наш взгляд все составляющие костной ткани в той или иной степени влияют на ее прочность. К таковым составляющим относят неорганическую, которая по данным литературы [2] в основном состоит из гидроксила-патита, трикальцийфосфата и карбоапатита; органическую составляющую, представленную коллагеном, а также жир, находящийся в ячейках диплое, и воду, которая подразделяется на “свободную” и “связанную”, то есть находящуюся в виде гидроксильных групп связанных с белком.
Поскольку кости свода черепа являются анизотропным материалом, состоящим из трех различных слоев, то на формирование перелома оказывает влияние не только свойства костной ткани, но и ее строение в месте образования перелома. Причем если характеристики компактных пластинок были выделены и изучены, то изучению диплое уделялось мало внимания. В наших исследованиях диплое занимало отдельное место, так как ранее нами были выявлены значимые различия в его строении, что позволило выделить три его морфологических типа: “губчатый”, “балочный” и “псевдо-диплое”. При этом различия в типах диплое в костях тесно связаны с такими ее параметрами как кривизна компактных пластинок, анатомическая область свода черепа.
Цель
Целью данной работы явилось комплексное исследование костей свода черепа для оценки их деформационно-прочностных свойств.
Материал и методы
Для осуществления поставленной цели исследованы своды черепа без видимой костной патологии. По степени выраженности анатомических образований их подразделяли на рельефные и нерельефные. В сводах каждой группы для изучения брались участки повышенной прочности (теменные и лобные бугры, височные линии, сагиттальный и венечный швы), которые в литературе описаны как ребра жесткости и участки упрочения [3, 5, 7], и, расположенные между ними, промежуточные участки, выполняющие преимущественно покровную функцию.
Для исследования долевого соотношения составляющих были последовательно проведены следующие эксперименты. Из вышеуказанных областей брались костные образцы квадратной формы со стороной 2 см, измеряли их массу на аналитических весах (точность 0,1 г) и объем, путем вытеснения воды (точность 0,1 мл), рассчитывали индекс пористости, вычисляя процентное отношение толщины диплое к толщине всей кости. Измерение толщины проводили штангенциркулем (точность 0,1 мм).
Костные образцы подвергали высушиванию при комнатной температуре до постоянной массы. В процессе высушивания костная ткань теряет не только “свободную”, но и “связанную” воду. Таким образом, ее общим количеством считалась разница масс между пластинками до и после высушивания.
Затем путем механического расклинивания каждый блок делили на наружную и внутреннюю компактные пластинки. Это проводилось для более полного последующего экстрагирования жира, а также с целью раздельного изучения наружной и внутренней компактных пластинок. Для экстрагирования жира из ячеек диплое мы использовали ацетон, поскольку он не оказывает влияния на объемные и весовые характеристики остальных групп компонентов и является наиболее доступным жирорастворителем. После этого повторяли измерение массы и объема отдельно для внутренней и наружной компактных пластинок.
Из полученного раствора выпаривали ацетон при комнатной температуре (жир обладает практически нулевой испаряемостью). Для определения массы жира высчитывали разницу между первоначальной массой костного блока и суммой масс наружной и внутренней компактных пластинок после экстрагирования жира. Аналогичные вычисления проводили для определения объема жира. Полученные пластинки помещали в муфельную печь и сжигали при температуре 800°С до “серого” каления (что в среднем составляло 35-40 мин). При таком температурном воздействии органический компонент полностью выгорает, поэтому полученный остаток считали неорганическим компонентом. Далее повторяли измерения массы и объема. Соответственно, массой и объемом органического компонента считали разницу
между этими показателями пластинки после экстрагирования жира с высушиванием и показателями пластинки после сжигания. Для проверки этого предположения была произведена отдельная серия экспериментов, в которой блоки с одной половины свода черепа сжигали, а блоки с симметричных участков другой половины после экстрагирования жира и высушивания помещали в 33% раствор органической кислоты (уксусной или муравьиной). Органические кислоты практически не оказывают влияния на белковые структуры, а взаимодействуют с неорганическим компонентом с образованием растворимых солей. Костные пластинки выдерживали до свободного прокалывания препаровальной иглой (этот срок варьировал от 3 до 5 дней). После этого измеряли их массу и объем. Проверку производили путем складывания показателей массы органического компонента из одной половины черепа и неорганического компонента, полученного путем сжигания, из другой.
Более точно минеральный состав костной ткани нами был изучен методом спектрального рентгенфлуоресцен-тного анализа на аппарате “Spectroscan MAKC-G”. Для этого из костей свода черепа изымались образцы из вышеуказанных областей по методике, исключающей привнесение посторонних веществ. Данный аппарат позволяет обнаруживать элементы в диапазоне от Са (молекулярная масса 20) до Pu (молекулярная масса 94). Всего было обнаружено более 20 элементов, однако только 10 из них (Cr, Zn, W, Со, Си, I, Hg, Pb, Fe, Cd) встречались в костной ткани постоянно. Какой-либо связи их содержания с деформационно-прочностными свойствами кости нами обнаружено не было.
При исследовании костей черепа на компьютерном томографе имеются значительные различия показателей рентгенологической плотности на черепах различной степени рельефности, а также в различных участках черепа. Измерение рентгенологической плотности проводится в относительных единицах Хаусфилда и зависит от степени проницаемости исследуемого материала для рентгеновских лучей. Значения плотности для воздушной среды равны - 1000 ед. Хаусфилда, для воды - 0, для металлов +1000 ед. Хаусфилда. Таким образом, видно, что из исследуемых нами групп компонентов: вода не оказывает влияния на числовое значение рентгенологической плотности, жир также имеет незначительную плотность и оказывает незначительное влияние, и рентгенологическая плотность исследуемых костей зависит от комплекса органического и неорганического компонентов. Поэтому рентгенологическое исследование было выбрано нами в качестве контрольного исследования, позволяющего зафиксировать объективные числовые показатели. Значения рентгенологической плотности снимали на компактных пластинках в указанных выше областях (рис. 1).
Все полученные данные были занесены в таблицу и обработаны с помощью статистических функций программы Excel из пакета программ Microsoft Office 2003 (табл. 1).
Для определения влияния составляющих костной ткани на ее прочностные и эластические свойства была проведена отдельная серия экспериментов. В качестве такого компонента нами была выбрана вода, поскольку при
Таблица 1
Показатели составляющих костной ткани в участках повышенной прочности и промежуточных участках рельефных и нерельефных черепов
Масса до/после сожжения (г) Объем до/после сожжения (см3) Плотность костной ткани (г/см3) Содерж. жира/ воды (%) Содержание минер. сост. (%) Кривизна (см) Индекс пористости (%) Рентгеновская плотность (Хф)
Участки повышенной прочности (рельефные черепа)
НКП ВКП 2,8±0,6/1,6±0,4 2,0+0,5/13+0,3 1,5+0,3/0,7+0,3 1,1+0,3/0,5+0,07 1,80+0,16 1,80+0,25 4,5+1,7/8,7+2,1 59,2+3,1 65,9+8,7 5,9+1,6 6,0+1,2 27,8+2,1 986,7+35,4
Промежуточные участки (рельефные черепа)
НКП 3,0+1,1/1,8+0,7 1,5+0,5/0,67+0,09 2,02+0,09 6,3+3,6/10,5+2,7 59,7+1,9 6,6+0,6 38,5+3,7 725,1+27,3
ВКП 2,8+0,8/1,7+0,4 1,5+0,5/0,72+0,34 1,86+0,14 62,9+5,2 6,7+0,5
Участки повышенной прочности (нерельефные черепа)
НКП 2,7+0,6/1,5+0,3 1,7+0,3/0,7+0,2 1,54+0,09 6,8+3,5/11,7+3,3 58,1+3,2 6,7+0,3 31,5+13,5 587,9+41,2
ВКП 2,1+0,9/1,1+0,2 1,3+0,5/0,5+0,2 1,62+0,30 60,3+11,9 6,6+0,5
Промежуточные участки (нерельефные черепа)
НКП 2,9+0,6/1,7+0,2 1,6+0,4/0,9+0,2 1,69+0,10 7,3+2,6/13,4+4,0 59,2+5,0 6,9+0,1 46,7+2,5 424,9+38,7
ВКП 2,2+0,4/1,3+0,08 1,5+0,4/0,6+0,06 1,81+0,11 60,0+7,8 6,8+0,3
Таблица 2
Значения удельной нагрузки и степени удлинения хорды нативных и высушенных дуг
Удельная нагрузка, (кг/см2) Удлинение хорды, (мм)
Нативные дуги 42,9+9,0 кг/см2 0,94+0,23
Высушенные дуги 39,3+9,7 кг/см2 0,76+0,22
обезвоживании кости теряют способность противостоять нагрузке. Кроме этого, воду наиболее просто “извлечь” из кости путем простого высушивания. Количество других составляющих при этом не изменяется.
Для этого изучались дуги размером 10х0,5 см из нативной костной ткани из симметричных участков свода черепа. Первоначально измеряли толщину дуг, кривизну их наружной и внутренней компактных пластинок, вычисляли индекс пористости. Дуги подвергали постепенно нарастающему нагружению до формирования перелома. Один конец дуги был фиксирован неподвижно, а второй свободно скользил по миллиметровой бумаге. По ходу эксперимента фиксировали критическую нагрузку, а также степень удлинения хорды дуги. Причем дуги из одной половины черепа подвергали нагружению сразу после выпиливания, а дуги из другой половины - после предварительного высушивания до постоянной массы.
Полученные результаты заносили в таблицу с последующей математической и статистической обработкой в программе Excel из пакета программ Microsoft Office 2003 (табл. 2).
Поскольку толщина кости была неодинакова во всех дугах то для оценки использовали не абсолютное значение критической нагрузки, а удельную нагрузку (кг/см2).
Оценка результатов данного исследования показала значимое (p<0,05) снижение средней удельной нагрузки высушенных дуг в сравнении с нативными, а также сильную корреляционную связь процентного содержания неорганического компонента с удельной нагрузкой нативных дуг. Это позволяет сделать вывод о значительном
Рис. 1. Компьютерная томограмма свода черепа
влиянии строения костной ткани на ее физические свойства (эластичность, прочность и прочее), а следовательно, и особенности механогенеза перелома.
Для изучения влияния типа диплое на особенности микроразрушений на костях свода черепа были выбраны участки с изменяющимися параметрами компактных пластинок (кривизна) и толщины кости: области лобных, теменных и затылочных бугров, чешуя лобных и височных костей, парасагиттальные зоны, височные ямки, сосудистые бороздки. Из исследования были исключены швы, так как в них отсутствует диплое. На распилах изъятых сводов черепов оценивали диплое в указанных участках при непосредственной микроскопии (МБС-10) и сопоставляли с известными характеристиками компактных пластинок.
Для изучения влияния типов диплоетического вещества на особенности микроразрушенияя костей брались кости с переломами в вышеуказанных областях. Для этого через область перелома и смежные области производили распил, поверхность распила шлифовали по методике Л.М. Эйдлина и А.Л. Эйдлина (1973) и изучали при помощи микроскопа МБС-10 с увеличением до х5б. Ви-
і
і
1 2 3
Рис. 2. Микроразрушения кости при “псевдо-диплое” (1), “балочном” (2) и “губчатом” (3) типах диплое; а) фотография, б) схема
Таблица 3
Сводная таблица исследованных объектов
Вид исследования Объект Количество
Визуальный
макроскопический Свод черепа 34
Морфометрический
(измерение толщины кости
и отдельных ее слоев, измере-
ние кривизны компактных
пластинок, измерение массы,
измерение объема) Костные образцы 112
Обезвоживание Костные образцы 56
Вид исследования Объект Количество
Экстрагирование жира Костные образцы 56
Сжигание Костные образцы 56
Декальцинирование Костные образцы 56
Определение рентгеновской
плотности Череп 30
Спектральный рентгенфлуо-
ресцентый анализ Костные образцы 48
Микроскопический (изготовле-
ние шлифов) Костные образцы 23
Экспериментальный Костные дуги 104
димые микротрещины схематично зарисовывали и фотографировали при помощи цифрового фотоаппарата “Сапоп” с использованием специальной насадки (рис. 2).
Помимо изучения микротрещин проводили исследование макротрещин. Для изучения отбирались переломы с известными характеристиками условий внешнего воздействия. В месте перелома измерялась кривизна наружной и внутренней компактных пластинок при помощи лекал, толщина кости измерялась при помощи модифицированного штангенциркуля. При необходимости из места перелома выпиливали шлифы, на поверхности которых изучали характеристики компактных пластинок и диплое, а также, после соответствующей обработки, характер микроразрушений костной ткани.
В общей сложности было изучено 34 свода черепа (таблица 3).
Результаты и обсуждение
Приведенные данные свидетельствуют о значительном влиянии свойств костной ткани на ее деформационно-прочностные характеристики, особенности зарожде-
ния переломов и пр. Обусловленные ими различия в свойствах контактирующего участка определяют способ его ответа на нагрузку и скорость ее передачи на подлежащие слои и соседние участки. Эти параметры с одной стороны определяются условиями внешнего воздействия, а с другой стороны - способностью погасить (пластический тип) или перераспределить (хрупкий тип) нагрузку. Это в свою очередь обусловливает закономерности деформации данного участка, особенности зарождения и распространения микротрещин, объем и распределение разрушения и форму перехода локального типа разрушения в конструкционный. Все это является этапами формирования того или иного перелома костей.
Заключение
Таким образом, только полное и детальное изучение всего комплекса свойств кости, на наш взгляд, позволит объяснить, различие морфологической картины переломов свода черепа при идентичной внешней нагрузке, что позволит улучшить их судебно-медицинскую диагностику.
Литература
1. Бачинский В.Т. Значение структурно-морфологических свойств костей свода черепа в судебно-медицинской оценке повреждений головы тупыми предметами : дис. ... канд. мед. наук. - М., 1988. - 176 с.
2. Бранков Г Основы биомеханики. - М. : Мир, 1981. - С. 139145.
3. Жуков В.Ф. Судебно-медицинская диагностика особенностей переломов свода черепа при травме тупыми предметами : дис. ... канд. мед. наук. - Барнаул, 1974. - 108 с.
4. Колесников А.О. Судебно-медицинская оценка переломов костей свода черепа при ударных воздействиях в зависимости от их анатомических особенностей и характера травмирующего предмета : дис. ... канд. мед. наук. - Барнаул, 2002. - 166 с.
5. Крюков В.Н. Механизмы переломов плоских костей при травме. - Барнаул, 1969. - 80 с.
6. Крюков В.Н., Плаксин В.О. Новые данные о биомеханике и характере повреждений черепа// Судебно-медицинская экспертиза. - 1980. - № 4. - С. 16-20.
7. Машарский Э.А. Рессорная роль височных линий и чешуйчатых швов мозгового отдела черепа // Вопросы антропологии. - 1969. - Вып. 32. - С. 128-186.
8. Нагорнов М.Н., Вазохин А.В. Влияние пористости костей свода черепа на механизм и морфологию их переломов // Актуальные проблемы патологической анатомии и судебной медицины. - Саратов, 2001. - С. 198-200.
9. Шадымов А.Б. Судебно-медицинское определение механогенеза и идентификационной пригодности переломов черепа при основных видах внешнего воздействия : дис. . докт. мед. наук. - М., 2006. - 365 с.
10. Шадымов А.Б. Экспертное значение оценки строения поврежденного черепа для установления закономерностей его разрушения // Альманах судебной медицины. - 2001. -№ 2. - С. 14-20.
Поступила 19.10.2010
