Глава 4. морфологические особенности повреждений эпифизов длинных трубчатых костей при однократных ударах топором с рабочим углом лезвия 30°

Для исследования характера образования повреждений при однократных ударах топором с углом заточки 30° проведено 30 экспериментальных наблюдения. Ширина полей заточки топора колебалась от 6 мм до 8 мм.

Длина разруба соответствовала в каждом конкретном случае размеру эпифизарной или метафизарной части кости и в среднем была равна 18 мм, среднее отклонение составляло 4 мм.

При исследовании двух костных отломков, формирующихся в результате разруба, предпочтение нами отдавалось отломку, на котором имелась плоскость резания, что соответствовало скошенной стенке разруба. Во всех наблюдениях нами осуществлены полные разрубы экспериментального образца (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Разруб эпифиза бедренной кости (топор с рабочим углом 30°): 1 – зона смятия компакты, 2– зона резания, 3 и 4– зона разрыва, 5– зона долома

Как и в предыдущей серии наблюдений, при визуальном и стереоскопическом исследовании плоскости разруба, нанесенной лезвием с углом заточки 30°, нами выделено несколько зон:

• зона смятия компактного и губчатого вещества;
• зона резания губчатого вещества;
• зона разрыва (преобладание деформации распора);
• зона доруба (встречалась не во всех наблюдениях, что связано в большем со степенью фиксации отделенного элемента кости окружающими мягкими тканями и в меньшем – со степенью выраженности деформации распора);
• зона долома.

Первые две зоны, выделяемые нами в предыдущей серии раздельно друг от друга, в этой серии наблюдений объединены по причине того, что процесс смятия компакты под воздействием клина с рабочим углом 300 равномерно и органически переходит на губчатое вещество. Данный вывод подтверждается единым направлением смятия костного вещества, визуально выглядящим как полулунная полоса со скругленными концами (см. рис. 4.1, 1).

Зона смятия компактного вещества зависела от толщины собственно компакты кости на уровне разруба и в среднем была равна 0,5 мм, среднее отклонение равно 0,1 мм.

Ширина зоны смятия компактного вещества в этой группе наблюдений равна 0,75 мм, среднее отклонение 0,2 мм. Глубина разруба губчатого вещества в этой группе наблюдений равна 8,5 мм, среднее отклонение 1,8 мм.

Зона разрыва в среднем составляла 41,8 мм и зависела от размеров кости на этом уровне. Зоны долома и доруба нами метрически не исследовались, поскольку данные признаки не имели стабильности.

При сопоставлении отломков нами фиксировался дефект костной ткани, как следствие компрессии костной ткани и действия щек топора на края разруба (обтирание) (рис.4.2). Ширина зоны зияния в этой группе наблюдений равна 1,6 мм, среднее отклонение 0,2 мм.

Рис. 4.2. Сопоставленные плоскости разруба эпифиза бедренной кости, нанесенного топором с рабочим углом лезвия 30°

Разруб располагался на поперечном участке кости, контактирующей с топором, плавно распространяясь на боковые стенки кости. Трасы в этой серии наблюдений нами не регистрировалось (вер. 1,0).

Острый край разруба нами регистрировался в половине наблюдений (вер. 0,5), нередко он приобретал скругленный характер (вер. 0,75), а в местах наибольшей кривизны кости на уровне разруба (что приводило при формировании разруба к обтиранию щеками края) нами регистрировались участки террасовидного смятия компактного вещества (вер. 0,25). В этой области отмечали выраженное отжатие гиалинового хряща. Линия разруба с вероятностью равной 1,0 имела волнистый характер (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Морфология края разруба: сколы компакты формируют волнистость края, х10

Проявляющееся и в наблюдениях с меньшим углом заточки топора расслоение плоскости разруба увеличилось: кроме концентрических трещин (вер. 1,0) нами регистрировались и радиальные трещины (вер. 1,0). Сколы с наружной поверхности отсутствовали. Уменьшение сколов по наружной поверхности кости, формирование смятия компакты (порой террасовидного характера) происходит за счет усиления сколов компакты в сторону губчатого вещества. Единичные (один-два) сколы регистрировались с вероятностью 0,75, а три и более – с вероятностью 0,25. Сколы компакты формируются в виде полуколец из центральной области, прилегающей к костномозговой полости кости. Сколы плоскости разруба со стороны губчатого вещества канала имеют большую или меньшую выраженность, и присутствуют с вероятностью 1,0 (рис. 4.4.).

Рис. 4.4. Морфология края разруба: концентрические (1) и радиальные трещины (2), сколы компакты (3), х20

Отмечается расширение локализации зоны деформации со стороны наружной поверхности, выраженное в смятии компакты. В наблюдениях с малым углом заточки топора (21°) сколы располагались на поперечной стенке повреждаемой кости. В наблюдениях повреждений, полученных ударами топора с углом заточки 30°, отмечается локализация сколов, как на поперечной части разруба, так и на боковых его стенках. Скошенный край разруба имеет сколы незначительной ширины, отмечается некоторая шероховатость и зернистость края разруба в области сколов. В целом, сколы в зоне плоскости разруба встречаются достаточно редко (0,2 от общего количества наблюдений в группе). Противоположный, нависающий край, имеет обширные протяженные сколы. Ширина сколов компактного вещества развивалась на ширину 2,0 мм (среднее отклонение 0,1).

Смятие компакты приобрело террасовидный или «многорядный» (0,25) характер. Многорядный характер смятия проявляется как ступенчатые поверхности, расположенные вдоль края разруба (рис. 4.5.).

Рис. 4.5. Морфология края разруба: террасовидное смятие компакты (1), скругленный край (2), концентрические трещины и сколы компакты (3), х20

При погружении клина топора в глубину кости формируются как сколы глубокие и протяженные, так и поверхностное смятие компактного вещества. Сколы при меньших углах заточки оказываются достаточными для дальнейшего погружения клина топора. Эти сколы, в сумме, создают первичный дефект на кости. Те незначительные выступы на краях разруба, мешающие дальнейшему погружению клина, стираются под действием щек топора. При погружении клина топора с рабочим углом в 300, сформировавшийся первичный дефект оказывается недостаточным для погружающегося клина. Обтирание не приводит к необходимому расширению щели дефекта, необходимой для дальнейшего погружения клина топора. Это приводит к формированию вторичных, более глубоких и грубых сколов компакты и смятия компакты (появление террасовидной поверхности). Поскольку погружение клина топора проходит через всю толщу кости, формируются сколы – как по поперечной части разруба кости, так и на протяжении боковых стенок повреждаемой кости. Этот вид разрушения последовательно развивается несколько раз до тех пор, пока щелевидный дефект не будет достаточным для прохождения клина, или до того момента, пока для дальнейшего расширения щели разруба не будет достаточно обтирания (что, в первую очередь, связано с уменьшением угла клина топора).

Нависающая стенка разруба по наружной поверхност имела выраженную неровность, зубчатый характер. Поверхность разруба становится крупнозернистой или зубчатой. В наблюдениях отмечается истончение стенки разруба, исчезновение ячеистости костномозгового канала в этой зоне. Сколы затрагивают преимущественно центральную часть разруба, где формируется максимальная слоистость компакты, что свидетельствует об увеличении давления на стенки кости полей заточки топора при погружении клина.

Зона разрыва, как морфологический субстрат деформации распора, имела мелкозернистую поверхность (вер. 0,25) на достаточно малом участке (в сравнении с предыдущей серией наблюдений). Вместе с тем, в трех четвертях от всех экспериментальных разрубов в зоне отрыва нами регистрировалась ярко выраженная гребневидная поверхность, приобретающая ближе к зоне разруба чешуйчатый характер, за счет скругления и уменьшения размеров гребней (вер. 0,75) (рис. 4.6).

Профильное исследование плоскости разрушения показало, что элементы ямочного вырыва, сливаясь с гребнями хрупкого разрушения, образуют значительные по площади (более половины площади сечения кости) участки полусферического углубления/выступания (соответственно одной из сторон разруба). Указанный морфологический комплекс признаков позволил данный признак именовать как среднеямочный (вер. 0,75), или крупноямочный вырыв (вероятность 1,0).

Регистрируемый нами характер поверхности в зоне отрыва свидетельствует о значительном преобладании касательных напряжений, превалирующих при этом виде разрушения и отображающихся на поверхности разрушения кости как гребни хрупкого излома (вер. 1,0). Что примечательно, направление гребней хрупкого излома составляет к направлению разруба угол практически равный 45°. Без сомнения, касательные (или сдвиговые) напряжения максимально проявляются именно в этой секущей плоскости.

Рис. 4.6. Мелкозернистая поверхность разруба (1), переходящая в гребневидную поверхность (2) формируют крупноямочный вырыв (отмечен пунктирной линией). Удар топором с рабочим углом 30° по эпифизу бедренной кости

Однако, на плоских костях черепа, диафизах длинных трубчатых костей [6, 61 - 63, 145, 146] ни одним из авторов четкого расположения плоскости разрушения и плоскости внешнего воздействия под углом 450 не отмечалось. Четкое соответствие мы связываем с большей однородностью структуры спонгиозного вещества эпифизов костей и более изотропными свойствами (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Гребни хрупкого разрушения (серая штриховка) проходят под острым углом к направлению разруба (отмечен стрелкой). Удар топором с рабочим углом 30° по эпифизу бедренной кости

На высокую изотропность среды спонгиозы указывает и тот факт, что регистрируемые нами морфологические изменения не зависели от направления внешнего воздействия (удары наносились как в косопродольном, так и в поперечном направлениях, по всем поверхностям эпифизов длинных трубчатых костей).

Метрическое исследование ямок вырыва показало, что высота ямок вырыва равна 15,75 мм, среднее отклонение 6,3 мм. Длина ямок вырыва равна 12,25 мм, среднее отклонение 4,8 мм.

Электротензометрия процесса разрушения дистального эпифиза бедренной кости также проводилось с установкой тензодатчика на лезвии топора. Полученная кривая четко характеризует процесс разрушения кости под воздействием лезвия:

• возникновение и большой пик усилия, характеризующий процесс внедрения клина (формирование разруба) с единичными пиками, характеризующими процесс пересечения компакты и внедрение лезвия в спонгиозу;
• возникновение трещины распора характеризуется резким падением усилия;
• дальнейшее продвижение клина приводит к незначительному увеличению усилия, до возникновения трещины распора;
• процесс повторяется несколько раз (рис.4.8.).

Рис. 4.8. Тензограмма разруба эпифиза бедренной кости топором с рабочим углом 30°

Исследование тензограммы позволило расширить знания о характере разрушения костной ткани (эпифиза длинной трубчатой кости) при разрубе эпифиза топором с рабочим углом 30°.

Горизонтальная часть параболы имеет мелкую зубчатость (режущая кромка топора повреждает гиалиновый хрящ и вступает в контакт с компактой). В сравнении с предыдущими наблюдениями при величине клина 21° нами регистрируется более плавное нарастание нагрузки, меньшая зубчатость тензограммы на этом участке (рис. 4.9). Особенность этого процесса обусловлена большим углом встречи полей заточки с повреждаемым объектом. Данный процесс обеспечивается в большей степени перераспределением нагрузки на костную ткань разрушаемого объекта.

Рис. 3.9. Начало процесса – врезание лезвия топора в эпифиз кости

После контакта с компактным слоем лезвие топора встречает сопротивление со стороны биологического объекта – парабола переходит в косо вертикальную линию (рис. 4.10). В отличие от предыдущей серии угол этого участка намного более пологий (порядка 45 градусов) – в наблюдениях с клином величиной 21 градус, угол аналогичного участка тензограммы около 60 градусов в предыдущей серии).

Рис. 4.10. Начало процесса – врезание лезвия топора в эпифиз кости

Прорезывание компакты так же имеет пик, но, в отличии от предудущей серии падения напряжения вслед за пиком отсутствует. Данный признак указывает на то, что до момента прорезывание компакты произошло ее смятие и упрочнение подлежащих участков спонгиозы в области разрушения (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Прорезывание лезвием топора компакты

Процесс прорезывания и упрочнения так же характеризуется более сглаженной и пологой кривой, что объясняется перераспределением нагрузки полями заточки клина топора (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Процесс упрочнения – смятие компакты

В этой серии наблюдений нами регистрировалось 3 нечетких, пика, соответствующих процессу формирования трещины распора. Сгалаженность пиков указывает практически на непрерывное (без рывков, как в предыдущей серии) развитие трещины распора (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Три пика указывают на развитее последовательно трех трещин распора

Как и в предыдущей серии, перед раскрытием трещины имело место плато, свидетельствующее о накоплении энергии в костной ткани и выходу на точку предела прочности эпифиза кости, как конструкции (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Процесс упрочнения и развитие трещины распора, пересекающей разрушаемы образец на две трети

Последний этап разрушения представлен в виде нулевого хода резца поскольку, затем умеренное нагружение и (доруб) и окончательное, полное отделение конечного элемента (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Доруб объекта

Проведенное исследование показало, что в сравнении с предыдущей серией наблюдений процесс образования трещины распора формируется при меньших усилиях, но повторяется меньшее количество раз; падение усилия после возникновения трещины распора меньше, чем при колке лезвием с рабочим углом 21°.

Микроскопическое исследование на увеличении х100 показало, что при разрушении кости под воздействием топора с рабочим углом лезвия 30° имеет место своя специфическая картина разрушения.

В плоскости разруба ячейки имели множественные трещины стенок (вер. 1,0). Нами регистрировалось замятие стенок ячеек в их полость (рис. 4.16.).

Аналогичные микроразрушения протекают при разрубе и в компактном веществе эпифиза кости (вер. 1,0). Регистрируемые макроскопически концентрические и радиальные трещины хорошо видны и на больших увеличениях (рис. 4.17).

При работе с микровинтом микроскопа «Люмам» мы добивались изменения глубины резкости. Этот прием позволил нам рассматривать не только поверхность разруба, но и дно ячеек, находящихся в плоскости разделения.

Рис. 4.16. Деформированная структура ячеек спонгиозы, х100

Рис. 4.17. Концентрические и радиальные трещины компакты, х100

Проведенное исследование показало, что деформация стенок ячеек, находящихся непосредственно в плоскости резания, распространяется на всю ячейку спонгиозы и на подлежащий слой ячеек. Указанный признак мы именовали как завальцованность двух слоев ячеек спонгиозы, и он регистрировался с вероятностью 0,76 от всей группы наблюдений (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Отрыв стенки ячейки, находящейся в поле зрения и деформация ячеек, расположенных глубже, х100

Резюме

Таким образом, подгруппа повреждений, сформированных ударами топора с рабочим углом 30°, имеет следующие особенности:

• волнистый край разруба – вероятность 1,0;
• скругленный край разруба – вероятность 0,75;
• радиальное расслоение компакты в зоне разруба – вероятность 1,0;
• отсутствие трасс – вероятность 1,0;
• средне и крупно ямочный вырыв в зоне отрыва – вероятность 0,76 и 1,0 соответственно;
• наличие гребней хрупкого излома (гребневидность и чешуйчатость поверхности) – вероятность 1,0;
• трещины стенок ячеек спонгиозы – вероятность 1,0;
• смятие стенок ячеек спонгиозы – вероятность 1,0.

В отличие от групп экспериментальных повреждений для ударов, сформированных топором с рабочим углом лезвия 21°, при проведении дифференциального диагноза наибольшей информативностью обладали следующие признаки-повреждения (ДК):

В отличие от групп экспериментальных повреждений для ударов, сформированных топором с рабочим углом лезвия 45°, при проведении дифференциального диагноза наибольшей информативностью обладали следующие признаки-повреждения (ДК):

Для оценки достоверности полученных результатов нами была проведена проверка методом «слепого» эксперимента (рис. 4.19), когда повреждение было нанесено статистом топором, с неизвестным исследователю рабочим углом лезвия. При исследовании полученного повреждения эпифиза малоберцовой кости были выявлены признаки-повреждения, представленные в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Сравнительное исследование с использованием ДК

Полученные результаты свидетельствуют, что при сравнении возможных вариантов рабочего угла лезвия топора, которым могли быть сформированы экспериментальные повреждения, преобладание по статистически достоверным результатам получено для группы повреждений, образующихся от воздействия топора с рабочим углом лезвия 30°.

Данный вывод был подтвержден при замере рабочего угла лезвия после окончания «слепого» эксперимента и построения математической модели травмы с использованием диагностических коэффициентов.

Рис. 4.19. Макропрепарат повреждения малоберцовой кости, полученный при проверке результатов «слепым» методом.