Моделирование травмы селезенки методом конечно-элементного анализа

Установление механизма образования повреждений — одна из основных задач, решаемых при производстве судебно-медицинских экспертиз. Повреждения органов живота, в том числе селезенки, не являются исключением.

Согласно данным специальной литературы [1], встречаемость травмы селезенки составляет около 3% от общего количества проведенных судебно-медицинских экспертиз.

Следственные органы и суды при назначении судебно-медицинских экспертиз, как правило, интересуют вопросы не только механизма образования и давности повреждений, но и возможность возникновения их при тех или иных обстоятельствах.

Современные компьютерные технологии, в число которых входит метод конечно-элементного анализа (КЭА), позволяют моделировать процесс разрушения объектов исследования максимально приближенно к реальным условиям [2, 3]. С помощью КЭА при моделировании можно вводить бесконечное количество вариантов условий возникновения повреждений, предлагаемых следователем, и ограничение в этом процессе накладывает только временной фактор. В течение последнего десятилетия метод КЭА широко применяется в судебно-медицинской экспертной практике для моделирования процессов деформации и разрушения биологических материалов [4—8].

Цель исследования — проверка методом КЭА следственной версии обстоятельств причинения пострадавшему травмы селезенки.

Проанализировали материалы проверки (протокол следственного эксперимента с участием пострадавшего), медицинские документы и макропрепарат селезенки, удаленной при оперативном вмешательстве.

Моделирование взаимодействия тупого предмета с ограниченной контактирующей поверхностью с X ребром в проекции селезенки выполнили в среде Autodesk Inventor 2019 (преподавательская версия). В трехмерном виртуальном пространстве создали две модели — модель селезенки и модель реберно-грудинного сегмента, соответствующие по конфигурации и форме оригинальным органу и костным структурам человека [9].

Модель селезенки выполнили в виде сборки четырех твердых тел: ткань и связки селезенки, кровеносные сосуды органа, сосудистая ножка.

Реберно-грудинный сегмент выполнили в виде сборки также четырех твердых тел: модели двух ребер и фрагменты грудины, тело позвонка.

При сборке обеих моделей установлена жесткая зависимость, обеспечивающая контакт всех смежных поверхностей и исключающая какое-либо смещение между элементами сборки (рис. 1 на цв. вклейке).

Рис. 1. Собранная модель селезенки и реберно-грудинного сегмента.

Любые биологические ткани человека имеют достаточно стабильные параметры прочности. При создании моделей селезенки и ребра использовали ранее полученные нами и другими авторами [10—13] данные: модуль упругости ребра (0,814—1,418)×10⁵ кг/см², плотность кости 1336—2400 кг/м³, модуль Юнга для кости 10 ГПа, разрушающее напряжение 1148—2190 кг/см², предел прочности на излом 45,8—110 кг/см², модуль сдвига для сосудов 0,84 МПа, предел прочности сосудов на растяжение 1,32 МПа, модуль упругости сосудов 5,4 МПа, модуль Юнга селезенки 0,93 МПа, коэффициент Пуассона для селезенки 0,36, минимальное разрушающее действие 4,03 Н, плотность, соответствующая мягким тканям.

В моделях концевые участки ребер на уровне грудины и позвонка, связки на концах селезенки жестко фиксированы («защемлены»). При такой фиксации исключается смещение в любой из трех плоскостей, что соответствует фиксации ребра при локальном его нагружении. К сосудистой ножке селезенки применили скользящие контакты. Эта фиксация дает возможность скольжения между поверхностями контактов без их разделения. Между внутренней поверхностью ребра и диафрагмальной поверхностью селезенки установили жесткий контакт, моделирующий плотное прилегание органа к ребру.

Результат моделирования оценивали по эквивалентному напряжению (оценка по Мизесу) и эквивалентной деформации. Программная среда Autodesk Inventor и деформации, и напряжения представляет собой участки изменения цвета исследуемой физической системы, которые являются полями силовых напряжений. Цветовая шкала отображает величину напряжений: синий цвет указывает на отсутствие напряжений или деформаций, красный — на зону максимальных силовых напряжений и деформаций, при достижении которых будет происходить разрушение материала.

Данные материалов проверки и медицинских документов. Согласно обстоятельствам, указанным в постановлении о назначении судебно-медицинской экспертизы, около 19 ч 22 февраля г-н Б., управляя автомобилем «KAMA3-5350», допустил наезд транспортным средством на левую створку ворот. Створка, спружинив, сошла с места установки (с петель) и нанесла удар выступающей частью засова по левой заднебоковой поверхности туловища г-на М., который в этот момент, ожидая проезда транспортного средства, находился около открытой створки ворот.

Из протокола следственного эксперимента с участием потерпевшего М. известно, что травму последний получил в результате удара флажка засова слетевшей с петель створки ворот по левой заднебоковой поверхности туловища. При изучении фототаблиц следственного эксперимента установили, что М. получил удар в левую заднебоковую поверхность грудной клетки, в проекции селезенки по задней подмышечной линии.

По данным истории болезни, М. поступил в стационар 22 февраля в 22 ч 26 мин с жалобами на боли в области живота, больше слева. При осмотре: состояние тяжелое. Живот умеренно болезненный в левом подреберье. Каких-либо наружных повреждений и переломов ребер нет. Данные УЗИ: свободная жидкость в брюшной полости, а также сверток крови около селезенки. 22 февраля с 23 ч 25 мин до 0 ч 40 мин произведена спленэктомия. При ревизии в брюшной полости обнаружили около 1,2 л жидкой крови и свертков; разрыв ткани в области ворот селезенки размером 2×0,5 см. В 24 ч селезенку удалили. Диагноз: «Закрытая травма живота с разрывом селезенки, внутрибрюшное кровотечение, кровопотеря около 1200 мл». Послеоперационный период протекал без осложнений. Рана зажила первичным натяжением. Пациент выписан в удовлетворительном состоянии.

При исследовании макропрепарата селезенки установили следующее: на внутренней (висцеральной) поверхности в области прикрепления диафрагмально-селезеночной и селезеночно-ободочной связок — тонкие подкапсульные кровоизлияния; на этой же поверхности в области сосудистой ножки (ворота селезенки) поперек длинника органа имеется разрыв капсулы и ткани селезенки (рис. 2 на цв. вклейке).

Рис. 2. Макропрепарат селезенки с висцеральной поверхности с повреждениями.

Согласно данным гистологического исследования, с момента повреждения ткани селезенки до ее удаления (операция произведена 22 февраля в 24 ч) прошло 4—6 ч. На это указывают состояние фибрина в виде зернисто-нитчатых и уплотненных лентовидных масс, наличие эритроцитов различной степени контурированности, четкий демаркационный вал и отсутствие сидерофагов при окраске по Перлсу.

Моделирование. Произвели моделирование травмы селезенки г-на М. по методу КЭА. Действие тупого твердого предмета с ограниченной травмирующей поверхностью имитировали с помощью оператора «сила» — применили внешнюю силовую нагрузку к левой задней подмышечной линии грудной клетки под углом около 60° (соответствует данным протокола следственного эксперимента с участием потерпевшего М.). Величину силы 100 H выбрали эмпирически, исходя из положения, что удар был достаточной силы, чтобы вызвать повреждение внутреннего органа, но не сформировать переломов ребер [14]. Селезенка длинником ориентирована перпендикулярно к ребру от средней подмышечной линии до задней подмышечной линии. Такой вариант расположения органа наиболее часто встречается у лиц, находящихся в вертикальном положении [15] (рис. 3 на цв. вклейке).

Рис. 3. Моделирование ударного воздействия на грудную клетку по левой задней подмышечной линии.

При моделировании травмы установили, что при ударном воздействии по ребру произошла его деформация за счет увеличения кривизны грудинного и позвоночного участков ребер, что соответствует напряжению при развитии классического разгибательного перелома ребра. Отметили смещение селезенки в направлении снаружи внутрь и ее перегиб через прогнувшееся ребро. Определили, что максимальные критические напряжения концентрируются на самой сосудистой ножке. Их возникновение позволило прогнозировать разрыв на этом уровне. На связках селезенки зафиксировали образование «субкритических» напряжений, вызванных смещением органа, что обусловило в местах прикрепления связок подкапсульные кровоизлияния (рис. 4 на цв. вклейке).

Рис. 4. Распределение напряжений по Мизесу в модели при внешнем воздействии на грудную клетку по задней подмышечной линии и смещение селезенки.

Полученные при моделировании травмы селезенки у М. результаты полностью соответствовали данным исследования макропрепарата органа о месте приложения и направлении травмирующего воздействия, установленного в результате следственного эксперимента.

Таким образом, установили, что травма селезенки у М. образовалась в результате ударного воздействия тупым твердым предметом с ограниченной травмирующей поверхностью или при ударе о таковой предмет в области левого X ребра по задней подмышечной линии в направлении слева направо, сзади и кпереди. Селезенка при этом перегнулась через прогнувшееся ребро с возникновением деформации сжатия на реберной (наружная, диафрагмальная) поверхности и деформации растяжения ткани на внутренней (висцеральная) поверхности, что привело к подкапсульному разрыву ткани. Смещение селезенки вызвало деформацию сдвига капсулы по отношению к пульпе с образованием подкапсульных кровоизлияний в областях прикрепления связочного аппарата.

В ходе проведенного исследования установлена адекватность применения метода КЭА при исследовании травмы селезенки. Математическое моделирование обеспечило объективность, наглядность и достоверность результатов судебно-медицинской экспертизы.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.