Николаев Г.А., Лощилов В.И. - Ультразвуковая технология в хирургии, страница 6

В 80 лет прочность составляет около 20 кгс/смз. Наибольшей прочностью обладает Х11 грудной позвонок и 1 поясничный, наименьшей прочностью 11 и И1 поясничные, однако существенной разницы между пределами прочности позвонков у лиц одного возраста и пола нет. Исследования прочности межпозвоночных дисков шейного отдела проводились Казанским медицинским институтом им. С. В. Курашева. Испытания позвонков проводились под статическими нагрузками гидравлическим прессом. Определялась несущая способнострч т.

е. величина разрушающей силы и разрушающие напряжения 1231 (разрушающая сила, отнесенная к единице площади). Определялся также минеральный состав испытуемых позвонков. Следует подчеркнуть, что горизонтальное поперечное сечение позвонка увеличивается с возрастом, особенно до 20 лет. Несущая способность всех межпозвонковых дисков шейного отдела позвоночника сушественно ниже несущей способности поясничных позвонков.

Таблица 4 Прочность иежпозвоночных дисков дпюра Макаимальная несущая способность дисков шейного отдела имеет место у мужчин в возрасте 24 — 35 лет, у женщин 14 — 23 лет. После 60 лет несущая способность падает очень интенсивно. В табл. 4 приведены характеристики пределов прочности межпозвонковых дисков шейного отдела позвоночника при испытании на сжатие. Как видно из табл. 4„ средние значения экспериментальных данных хорошо характеризуют прочность. Несущая способность и пределы прочности различных межпозвонковых дисков шейного отдела существенно меняются у лиц одного и того же возраста. В то же время следует отметить, что механические свойства дисков с возрастом изменяются в результате минерализации тканей и содержания в них воды.

6Р Глава 3 СОБСТВЕННЫЕ НАНРЯЖЕНИЯ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЯХ Напряжения назывнотся собственными, если присутствуют в теле при отсутствии действия внешних нагрузок. Собственные напряжения имеют место в отливках в прокате, сварных металлических конструкциях, в железобетоне и других видах инженерных объектов [62). Причин образования собственных напряжений может быть несколько. Собственные напряжения возникают в заклепке при ее остыванни, в балтах в результате их затяжки и т. д.

Собственные напряжения в отливках и в прокате возникают в результате неравномерного остывания. В балках вследствие неодинаковых талщин полок и стенок после проката сначала остывают тонкие стенки, а позднее более толстые полки. Стенки остывают и сокращаются в свободном состоянии. Полки при сокращении в процессе астывания встречают сопротивление деформировацию со стороны остывших и затвердевших стенок. Поэтому в полках образуются усилия растягивающие, а в стенках — сжимающие. Распределение собственных усилий в остывшем после проката двутавре показано на рис. 6. Рнс. б. Собственные напряженнн в пРокатном тавре после остывання Аналогичным образом вследствие наравномерного остывания возникают собственные напряжения в отливках, различных сварных изделиях, железобетонных элементах.

Как оказалось, собственные напряжения имеют место и в костных тканях человека и животных. Особенностью собственных усилий (напряженпй) является то, что они представляют системы сил взаимно уравновешенных. В самом деле, разрежем мысленно какое-либо упругое тело. Допустим, что в разрезе (сечении) име.пи место собственные усилия, .изображенные зпюрой напрягкений и. Так как упругое тело находится в состоянии покоя и никаких других усилий, определяемых зпюрай и, иа тела не действует, та, следовательно, до.пжны быть для системы сил, лежащих в плоскости, выполнены условия о„=О; от=О; ХМ=О.

Это свойство взаимной уравновешенности является замечательным, отличающим ее в отношении условий работы от усилий, вызванных приложением внешних нагрузок. Если собственные напряжения направлены по одной аси, они называются линейными, если они направлены в разных направлениях, в плоскости, — то плоскостны- 31 Рис. 7, Плзстииа с собственными напряжениями. После разрезания возиииают деформации. а — оякооское поле; б — кзтоспое поле. ми, если они имеют различные направления в пространстве, — то пространственными.

Казалось бы, нет причин для возникновения собственных напряжений в костных тканях, однако такая точка зрения является ошибочной. Существование собственных напряжений в теле нз любого материала может быть обнаружено различными методами. Наиболее универсальным является механический. Допустим, что в металлической пластине (рис. 7, а) существуют линейные собственные напряжения, направленные вдоль ее оси, какими бы факторами они не были вызваны. Замерим базы на пластине, намеченные керном, при помощи деформометра.

Измерения деформаций произ- 32 водятся на базе 10 мм — величины показаний читаются на циферблате деформометра. Линейное увеличение размеров около 1000. Таким образом чувствительность измерения при чтении 0,2 мм составляет приблизительно 0,0002 мм. Произведем разрезание пластины, например, фрезой на отдельные тонкие полоски. Вторично замеряем базы после разрезания пластины.

Отсутствие изменений в длинах баз свидетельствовало бы об отсутствии собственных напряжений в пластине. Напротив, в случае существования собственных напряжений, что и было предложено, длины баз на разрезанных полосках изменяются, После разрезания пластины связи между папосками нарушаются, реакции между ними исчезнут, а следовательно, исчезнут и собственные напряжения.

Очевидно, что в тех полосках, в которых до разрезания имели место растягивающие напряжения (по краям), после разрезания образуется укорочение, а в полосках сжатых (в зоне осн пластины) после разделения †удлинен. 'Таким образом, измерение деформаций позволяет установить знак собственных напряжений, существовавших до расчленения. Если собственные напряжения являются функцией лишь ширины пластины, а по длине ' они постоя1шы, то, замерив абсолютную деформацию по длине 1, находим относительную: 31 1 где а — длина базы (пластины).

Собственное напряжение: 61 о= — Е. Если напряжения о по длине полосы распределены неравномерно, то за базы замеров следует принимать ряд участков на пластине с длинами 1ь 1„1з. Чем короче азы, тем точнее может быть построена зпюра собственных напряжений. Уменьшение длины б заме а со р оздает дополнительные трудности в осущестазы аленин измерений малых деформаций с высокой степенью точности. Разрезание на полоски является одной из многочисленных форм обнаружения собственных 3 Заказ зва 768 ЗЗ + ;ма $ /20 в уй~ 'с Урй Я и ло Рнс.

8. Собственные напряжения в трубчатой кости животного. Слева — паевые напряжения Х; справа — тангенциальные напряжения ВЕ Е а„=-,, (ер+1ае„), где 1а=0,3; Е», Ер — относительные деформации, замеренные на базах по осям х и у. Хорошим примером инженерной конструкции с собственными напряжениями может служить преднапряженный бетон. В процессе укладки стержни арматуры натягиваются и закрепляются по концам. Бетон, заполняя форму, обволакивает арматурные стержни, с которыми образует прочное сцепление. Далее концевые напряжений в теле кости, в частности в костной пластине.

При двуосном поле собственных напряжений оя и о„, действуюших в главных направлениях х и у, их определяют следующим образом: замеряют в пластине базы в двух взаимно перпендикулярных направлениях х и у (рис. 8, б). Высверливают отверстия как показано на рис. 8, б. Делают вторичный замер баз и определяют собственные напряжения, имевшие место в пластине до высверливания отверстий по формулам теории упругости. Существуют и другие методы определения собственных напряжений, например рентгеновские, применяемые более редко: (6) закрепления снимаются.

Арматура, стремясь укоротиться, встречает сопротивление жесткой массы бетона. Стержни сохраняют растягивающие усилия, бетон ими обжимается. В целом система представляет собой преднапряженную конструкцию, обладающую собственными напряжениями при отсутствии внешних нагрузок. Хорошо известна конструкция Останкинской высотной железобетонной телебашни в Москве. Заложенные во внутренней части цилиндрической башни металлические тяжи натянуты за счет обнсатия бетонной оболочки. Телебашня является преднапряженным сооружением, обладающим собственными напряжениями.

Как будет показано далее, существует аналогия в силовых схемах указанных конструкций телебашни и некоторых костных тканей, например большеберцовых и бедренных костей. Хирургами было замечено, что при резекции кости наблюдается ее деформация, главным образом искривление. Это явление есть следствие частичного удаления зоны собственых напряжений. Снятие усилия 51, вызванного собственными напряжениями, как было указано ранее, равноценно приложению к телу силы р1 обратного знака. Эксцентричное приложение силы 51 сопрождается изгибом костного элемента и его искривленностью. Искривление может иметь различную величину, иногда незначительную. Сам факт появления искривления свидетельствует о наличии в костном отделе внутренних сил, исчезновение которых при резекции служит источником возникновения изгибающих моментов.

Изучение собственных напряжений большеберцовой кости производилось на образцах длиной около 275 мм, наружным диаметром в крайних зонах 60 — 70 мм, в средней 40 — 50 мм. Через каждые 15 мм наносились базы длиной 1О мм. Базы измерялись во взаимно перп д уляриых направлениях соответственно расстояниям ик л между центрами отверстий, предварительно образованных сверлом диаметром 2,4 мм. Базы наносились с внешней и впутреннней стороны. С внутренней стороны осились после разделения кости на две половинки по они образующей 163]. После измерения баз кость подрезалась фрезой на вто ичн глубину 5 — 6 мм от поверхности, а затем произво одились ричные замеры баз. Измерения производились на 3* 38 костях, взятых у животных, не менее 4 ч после их смерти или через 4 ч после вывода их нз эксперимента (забоя).

Собственные напряжения определялись по формуле: (8) где 61 — приращение длины базы; 1 — длина. Положительное приращение свидетельствует о наличии в соответствующей базе напряжений сжатия, отрицательное — напряжений растяжения. Модуль упругости костной ткани Е был принят равным 0,24 10" кгс/см'. Собственные напряжения в поверхностных слоях берцовых костей, направленные вдоль оси, достигали величины 160--! 48 кгс/см'. Модуль упругости кости остается без существенных изменений иа указанном интервале деформаций.