Биомеханика контузионной травмы

Биомеханика контузииДо настоящего времени многие важные вопросы, касающиеся патогенеза контузий глазного яблока, все еще остаются не до конца выясненными. Во многом это связано с тем, что биомеханические аспекты данного вида травм остаются пока недостаточно изученными. Глаз человека является уникальным органом и его функционирование определяется многими объективными законами, в том числе и положениями всех основных разделов физики: механики, гидродинамики, оптики, термодинамики, электрохимии и квантовой механики.

 

Механихм травмы

  1. Фаза компрессии
  2. Фаза декомпрессии
  3. Фаза перерастяжения оболочек
  4. Фаза затухающих колебаний

 

Биомеханика контузииПо своим физико-механическим характеристикам «опорные» ткани глаза относятся к вязко-упругим телам с волокнистой структурой. Таким материалам, кроме основных законов упругого взаимодействия, свойственны и многие специфические особенности.

В отличие от твердых тел, для которых характерны постоянство формы и высокая сопротивляемость деформациям, вязко-упругие материалы при внешнем воздействии ведут себя иначе. Кроме подверженности деформации они «текут» подобно очень густой (вязкой) жидкости и легко изменяют исходную форму.

Под действием внешней силы любое физическое тело претерпевает первоначально так называемую обратимую деформацию – при снятии нагрузки форма и структура восстанавливаются полностью. Если приложенное воздействие способно преодолеть некий пороговый предел, определяемый модулем упругости материала, деформация становится необратимой. То есть восстановление формы и структуры тела в полном объеме невозможно, что влечет за собой его повреждение и/или разрушение. Твердые тела с высокой гомогенностью микроструктуры материала (изотропностью) имеют ничтожный интер-вал между обратимой и необратимой деформацией (например, весьма твердые кристаллические материалы, такие как стекло, деформируются незначительно, а далее – просто разрушаются). Вязко-упругий материал обратимую деформацию выдерживает достаточно долго и даже при переходе порогового значения изменения нарастают хотя и резко, но не ведут к немедленному разрушению. Только при достижении пика деформации структура значительно нарушается и вязко-упругое тело теряет целостность.

Анизотропия (неоднородность) материала усложняет зависимость состояния структуры материала от его деформации. Самыми неоднородными являются материалы, содержащие волокна, к ним относится и фиброзная оболочка глаза. При таком строении интервал между обратимой и необратимой деформацией значительно возрастает, поскольку для появления необратимых изменений необходимо преодолеть еще и пороговые для него значения. Обычно это происходит при резких перегибах на значительные углы с возникновением феномена «складывания» или «стригущей деформации».

Кривая зависимости «напряжение–деформация» в таких случаях имеет линейный участок, соответствующий обратимой деформации, и резко нелинейный, связанный с необратимыми изменениями.

Именно феномен «складывания» оболочек глаза, возникающий в момент получения тяжелой травмы, ряд авторов считают основной причиной появления серьезных повреждений как фиброзной оболочки, так и других структур глазного яблока.

 

При выполнении ряда исследований по трехмерному компьютерному моделированию биомеханических процессов, возникающих в момент воздействия тупой силы на глазное яблоко профессор Е.Е. Сомов выяснил, что постэкваториальная зона глаза фактически недоступна для прямого воздействия. Также невозможен и боковой удар в зону фиброзной оболочки дальше 7–8 мм от лимба – она доступна лишь для касательного удара. Поэтому в конечном итоге все возможные ситуации по контакту двух объектов (глаз – травмирующее тело) можно свести в следующие группы:

  • прямой удар травмирующего тела в зону, близкую к центру роговицы;
  • перпендикулярный удар в область лимба;
  • касательный удар в область лимба;
  • удар в зону склеры между лимбом и экватором (такое взаимодействие возможно в случаях, когда глазное яблоко находится в момент нанесения удара в положении отведения кнаружи или кнутри).

 

График изменений  ВГД, обусловленных ударом  инородного тела (диаметр  8 мм, масса 75 г, скорость  полета 10 м/с) в централь- ную зону роговицыИзменения глазного яблока в ходе соударения с травмирующим телом носят четко выраженный фазовый характер, причем при любых вариантах взаимодействия. Последовательность прохождения выявленных семи фаз всегда одна и та же. Биомеханическая суть каждой из них при ударе по глазу инородного тела круглой формы (диаметр 8 мм, масса 75 г, скорость полета – 10 м/с) представлена нарисунках выше:

  1. исходная, или нулевая, фаза – момент первого соприкосновения инородного тела с глазом (не сопровождается еще его деформацией; в данном примере длительность ее достигала 3±1 мс при общем времени взаимодействия примерно 75 мс;
  2. фаза начальной компрессионной деформации глаза – наблюдаются еще умеренные изменения в зоне соприкосновения двух тел (с 4-й по 20-ю ± 4 мс);
  3. фаза развитой компрессионной деформации глаза – изменяются как зона непосредственного взаимодействия двух тел, так и другие части глазного яблока (с 21-й по 30-ю ± 4 мс);
  4. фаза пиковой компрессионной деформации глаза – грубо изменяется геометрия всех структур глаза (с 31-й по 33-ю ± 1 мс);
  5. фаза начальной декомпрессионной деформации глаза – истратив кинетическую энергию на «сжатие» глаза, травмирующее тело «отталкивается» им в процессе начинающегося расправления (с 34-й по 55-ю ± 7 мс);
  6. фаза развитой декомпрессионной деформации глаза – в силу инерционности физических процессов, присущих вязко-упругим телам, глазное яблоко перерастягивается в направлении, противоположном вектору действовавшей ранее силы (с 56-й по 65-ю ± 3 мс);
  7. фаза регресса деформации глаза – параметры структур глазного яблока возвращаются к исходным показателям (с 66-й по 75-ю ± 2 мс)

 

Одновременно с компрессией глаза происходят и начальные гидродинамические сдвиги, вызванные перемещением масс водянистой
влаги и стекловидного тела, а также смещением иридохрусталиковой диафрагмы. Как показано на рисунке 1б, роговица в зоне взаимодействия прогибается на 1,5–2 мм, а иридохрусталиковая мембрана смещается кзади на 1–1,2 мм.

В ходе дальнейшего взаимодействия уже деформируются, как отмечалось выше, структуры, не соприкасающиеся с травмирующим
телом: лимб растягивается и «вдавливается» внутрь глазного яблока, увеличивается поперечный диаметр глаза (вследствие укорочения его сагиттальной оси). В области же экватора склера заметно выгибается кнаружи (рис. 1в).

В стадии максимальной (пиковой) компрессионной деформации (рис. 1г) возникает резкий перегиб склеры в зоне лимба и экватора глаза (эффект «складывания» ткани). Переднезадний размер глаза яблока уменьшается на 5–6 мм, значительно смещается кзади иридохрусталиковая диафрагма. В этот момент ткани фиброзной и других оболочек испытывают практически предельную деформацию и поэтому высока вероятность их разрыва.

После достижения пика деформации, если нет необратимых изменений, начинается следующий этап – декомпрессионная деформация.
В этот период времени глазное яблоко начинает приобретать свою первоначальную конфигурацию (рис. 2). Одновременно за счет полученной ранее энергии, действующей уже в противоположном направлении, травмирующее тело отталкивается расправляющейся под действием гидродинамических процессов роговицей.

На конечном этапе декомпрессии глазное яблоко, как это уже было отмечено выше, несколько перерастягивается, вследствие чего уменьшается его поперечный диаметр и смещается кпереди иридохрусталиковая диафрагма (рис. 1в). Лишь затем он возвращается, наконец, к своему исходному анатомическому состоянию (рис. 1г).

Следует заметить, что описываемые изменения наблюдаются и после того, как непосредственный контакт с травмирующим предметом разрывается, и лишь спустя некоторое время ткани глаза возвращаются к первоначальным характеристикам.

Очевидно, что рассмотренные выше деформации глазного яблока должны сопровождаться перепадами величин его полостного давления.

Как и почему это происходит?

Изначально, при почти мгновенной компрессии глаза, которая длится в нашем случае 75 мс, присущая ему дренажная система, рассчитанная на функционирование в совершенно других условиях, оказывается фактически блокированной. Понятно, что по законам гидродинамики эта ситуация сопровождается резким повышением внутриглазного давления. И оно будет тем выше, чем сильнее выражена деформация глаза.

Наиболее резкий подъем его возникает, как и следовало ожидать, в момент пиковой компрессионной деформации. Именно тогда давление достигает самых высоких цифр (в данном примере 78–80 мм рт.ст. в различных вариантах расчетов). На этапе декомпрессионной деформации ВГД, напротив, резко снижается до уровня, который на 20–30% ниже исходного.

Фазы компрессионной деформации глазного яблока при ударе пластмассовой  пульки в область лимба (а) и по касательной в зону склеры (б).В случаях, когда взаимодействие травмирующего тела с глазным яблоком имеет не «лобовой» а иной характер, вид и степень его деформации закономерно меняются. Как показали исследования, наиболее грубые изменения, как формы глаза, так и ВГД, возникают в случаях, когда удар наносится в область лимба или по склере в касательном направлении/ Характер деформаций с резким смещением и перекосом иридохрусталиковой диафрагмы может легко провоцировать подвывихи и вывихи хрусталика.

 

Резюмируя изложенное выше, можно утверждать, что при взаимодействии травмирующего предмета с глазом самые значительные и наиболее критичные деформации фиброзной оболочки глаза возникают преимущественно в зонах лимба и вблизи экватора глазного яблока, причем практически при любом механизме травмы. Наиболее грубым деформациям подвергается фиброзная оболочка глазного яблока в случае воздействия, имеющего точку приложения у лимба или рядом с ним, особенно при касательном направлении удара. Большие деформации в зоне лимба и экватора при приложении сил в других зонах напрямую не связаны с известными особенностями прочностных свойств склеры и роговицы в данных зонах.

Также установлено, что изменения прочностных характеристик оболочек принципиально не меняют характер деформации, изменяется лишь пороговая нагрузка, приводящая к разрыву. Это свидетельствует о том, что решающим фактором в возникновении контузионных разрывов фиброзной оболочки глазного яблока и повреждения иных его структур является именно характер деформаций, возникающих в ходе взаимодействия органа зрения с травмирующим телом, тогда как прочностные характеристики играют хотя и важную, но не ведущую роль.