Черепно-мозговая травма:

биомеханика, патогенез и первичная диагностика

 

 

       Проблема спортивного травматизма возникла, наверное, вместе с самим спортом. Тогда же первые спортсмены и их первые тренеры начали искать способы предотвращения травм. Сначала поиск проходил двумя самыми простыми методами: методом заимствования и методом «проб и ошибок». Заимствование происходило из повседневной жизни и воинской практики, так как именно там люди чаще всего сталкивались с травматизмом и накопили достаточный опыт. Позже с появлением точных наук (физика, математика и др.) и естествознания (медицина, биология) стало возможным прогнозировать вероятность и тяжесть травмы, диагностировать и лечить её острые проявления и отдалённые осложнения. Физика рассматривает те события, которые происходят в момент самого столкновения и в самое ближайшее время после него. Медицина работает с последствиями столкновения — повреждениями и травмами. На стыке этих двух великих наук возникла третья наука — медицинская биофизика. Биофизики в своей работе используют и физические, и медицинские знания, так как по отдельности эти науки далеко не всегда могут объяснить сложные, многоступенчатые и в то же время интересные процессы, происходящие в человеческом организме под воздействием внешних сил.

 

      Согласно известной хронологии событий сначала происходит удар, а потом следуют изменения, повреждения и травмы, а после этого они могут быть диагностированы. Изучать лучше сначала физические параметры удара и влияние различных физических факторов на него. Потом пытаться раскрыть патогенетические этапы повреждения и всю цепочку следующих друг за другом патологических процессов. И уже после всего — научиться распознавать «в полевых условиях» симптомы (проявления) травмы, чтобы вовремя начать борьбу с её иногда очень тяжёлыми последствиями.

 

      Для любых взаимодействующих тел и предметов верен второй закон Ньютона, по которому F = m∙а, то есть сила F придаёт телу массой, а ускорение а. Другая и равносильная первой формулировка: если на тело не действует сила, то у него не может быть ускорения, а если тело в этот момент движется, то оно движется с постоянной скоростью.


       Ускорение — это изменение скорости за какой-либо промежуток времени (торможение или разгон), то есть: а = ΔV/Δt, где ΔV — это разница между конечной и начальной скоростью, — это промежуток времени, за который изменялась скорость. Чем больше ΔV , тем больше ускорение, чем больше Δt, тем меньше ускорение.

       Если в уравнение F = m∙а подставить а = ΔV/Δt, то получится

       F = m∙ΔV/Δt, или равносильно

        F∙Δt = m∙ΔV, но разрешается писать и проще

        FF∙t = m∙V, где F∙t принято называть «импульс силы», а m∙V принято называть «количество движения».


       Это уравнение помогает объяснить и предсказать поведение сталкивающихся предметов, потому что зная скорость движения тела и его массу, можно рассчитать то количество движения, которое оно могло бы передать другому телу при столкновении. Этот переход описывается законом сохранения количества движения, который гласит: сумма количеств движения до взаимодействия равна сумме количеств движения после него. Иными словами, общее количество движения не теряется и не приобретается, а происходит лишь перераспределение его между контактирующими телами. В виде формулы это записывается так:

          m1∙V’1+m2∙V’2=m1∙V”1 + m2∙V”2, где

          m1 и m2 - массы двух тел соответственно,

          V1 и V’2 - скорости этих тел до столкновения,

          V”1 и V”2 - скорости этих же тел после столкновения.


       Этот закон применим к столкновениям любого типа: от молекулярных до космических. Его можно применить и к спортивному бою, впрочем, как и к любой драке, потому что с точки зрения физики это выглядит как многократный взаимный обмен количествами движения при столкновении между кулаками и организмами бойцов. Бой кончается досрочно, если переданное одним из поединщиков количество движения достигло определённого «критического уровня», при котором качество повреждений несовместимо с возможностью продолжать бой.

 

       Величина повреждений и степень тяжести травмы зависит от многих факторов. К ним относятся, безусловно, вид и масса травмирующего агента (рука, нога, предмет), его скорость и направление движения во время контакта с головой, скорость и направление движения головы (если она двигалась до удара), положение головы в момент удара (свободное или фиксированное), общее время удара.

       

       Чтобы не вдаваться в лишние подробности и не усложнять, картину, рассмотрим для начала типичный для спортивного поединка случай. Атакующий боец бьёт кулаком («не вкладывая в удар всю массу тела», «не помогая себе корпусом») по голове другого бойца, который стоит. Такая голова в судебной медицине называется «свободно расположенная», то есть «нефиксированная» — это имеет большое значение для вероятности возникновения того или иного повреждения головы.


         Тогда закон сохранения количества движения для столкновения кулака и головы можно записать следующим образом:


mголова ∙V'голова + mкулак ∙V'кулак = mголова ∙V"голова + mкулак∙V"кулак где,

mголова и mкулак - массы головы и кулака соответственно,
V"голова и V'кулак - скорости головы и кулака до удара,
V"голова и V"кулак - скорости головы и кулака после удара.


       Это длинное выражение можно упростить, если считать, что голова до удара не двигалась (то есть V'голова = 0), а кулак за время удара полностью остановился (то есть V"кулак = 0). Эти слагаемые редко оказывают принципиальное влияние на исход столкновения и сейчас для лучшего понимания теории удара можно ими пренебречь. Таким образом, мы не будем принимать во внимание те реальные удары и столкновения, когда голова начинает инстинктивно перемещаться в защиту до самого столкновения, когда кулак после контакта с головой «рикошетит» и продолжает движение в другую сторону, когда голова до момента удара двигалась навстречу кулаку и т.п.


       Тогда формула, отражающая закон сохранения количества движения для системы «голова — кулак», будет выглядеть так:

        mкулак ∙'кулак = mголова ∙V"голова

        или ещё проще:

        mкулак ∙ Vкулак = mголова ∙Vголова


       При прямом ударе, например, «туке», когда кулак посылается вперёд простым разгибом локтя, масса бьющего элемента близка к массе этого кулака, так как остальные части руки (предплечье и плечо) выполняют только движущую функцию. Масса головы гораздо больше массы кулака, но равенство количеств движения должно быть соблюдено, поэтому скорость головы после удара должна быть меньше скорости кулака до удара. Обычно так и получается.

       

       При боковом ударе необходимо учитывать некоторые дополнительные параметры. Через какой сустав проходит ось вращения руки: плечевой, локтевой, лучезапястный? В какую область головы попадает кулак: скуловую, височную, ушную, теменную, сосцевидный отросток, затылочную? Дело в том, что вращение руки создаёт рычаг между суставом и кулаком, а направление вращения головы задаётся из точки контакта головы и кулака, которая образует свой рычаг вместе с шеей (в основном суставами первого шейного позвонка, называемого at(ant, и второго шейного позвонка, называемого axis — осевой). В результате появляется большая разница между траекториями движения головы после ударов в скуловую кость или в ухо, или в теменную кость.


       Большое значение имеет также ориентирование удара относительно центра тяжести головы, который находится чуть –чуть ниже анатомического центра головы. Если вектор удара направлен в центр тяжести головы (боковой удар в ушную и заушную области, прямой удар в верхние зубы и нос), то вращательный компонент в траектории движения головы относительно мал. Напротив, если вектор проходит мимо центра тяжести, то появляющиеся рычаги между точкой удара и шее й придают голове дополнительное вращение.


       Вообще, существует два вида движения предмета: поступательное и вращательное. При поступательном движении все точки и части предмета движутся с одинаковой скоростью (сани, катящиеся с горы, рама велосипеда), а при вращательном — есть различия в скоростях (точка на ободе колеса проходит большее расстояние за единицу времени, чем точка на спице колеса).


       Траектория движения головы после удара, как и любой другой части тела человека после удара малой и средней силы, всегда будет с большим преобладанием вращательного компонента, так как в организме человека нет суставов, в которых возможно было бы поступательное движение, а ведь именно суставы являются теми органами, которые отвечают за перемещение частей тела относительно друг друга. Изначально у сустава есть ось или несколько осей, вокруг которых с помощью мышц вращаются кости. Поступательный компонент появляется при увеличении радиуса вращения, когда разница между скоростями двух соседних точек становится меньше и соответственно уменьшается разница в перемещении.


       Для удара с большой долей поступательного движения головы более характерны переломы костей черепа, ушибы мозга и кровоизлияния различной локализации. Для удара с преобладанием вращательного движения — сотрясение мозга, диффузное аксональное повреждение.


       Человек может искусственно увеличивать или уменьшать поступательный компонент движения головы после удара. Это достигается, в первую очередь, напряжением мышечного каркаса шеи и верхнего плечевого пояса, так как эти мышцы препятствуют движению в суставах шейного отдела позвоночника и искусственно увеличивают радиус вращения головы.


       В том случае, если мышцы шеи расслаблены, ось вращения черепа после удара проходит через верхние межпозвоночные суставы шейного отдела позвоночника. А это значит, что вся сила кулака, созданная на длинном рычаге руки, расходуется на перемещение головы с коротким радиусом вращения, то есть ускорение у черепа очень большое и траектория движения головы практически полностью вращательная. В этом случае возникновение травмы наиболее вероятно.


       Напротив, чем больше мышц участвует в создании стабильности положения головы и всего тела в момент удара и сразу после него, тем, естественно, меньше голова перемещается. Например, при напряжённом плечевом поясе (трапециевидная, грудино-ключично-сосцевидная, лестничные мышцы, верхние части разгибателя спины и шеи) ось вращения проходит через нижние шейные или даже верхние грудные межпозвоночные суставы. Здесь природа приходит на помощь бойцу: грудной отдел позвоночника малоподвижен изначально, поэтому автоматически включаются поясничные межпозвоночные суставы и даже тазобедренные суставы, с которыми связаны мощнейшие мышечные блоки спины, передней брюшной стенки и, конечно, ног. Иными словами, если хорошо упереться, то есть сопротивляться удару всем телом, включая ноги, то можно искусственно ось вращения провести через пятки, и тогда голову сдвинуть с места будет крайне сложно. Нужно много времени, чтобы напрячь такое количество мышц, чтобы направить их сопротивление точно против вектора удара. Это требует не только времени, но и сил, энергии, калорий. Их запас быстро истощается, защита становится хуже и слабее. В результате боец получает травму.


       Что же происходит с человеком? Какие патологические процессы протекают в головном мозге после сильного удара?


       Ответ на эти вопросы нужно начинать с анатомии. Головной мозг закреплён в черепе не жёстко. Недаром существует термин «черепная коробка»: мозг лежит в ней как предмет в ящике, но только поверхности мозга и костей черепа плотно прилегают друг к другу, и пространство между ними очень тонкое и похоже, скорее, на щель. Мозг как бы «подвешен» между выростами твёрдой мозговой оболочки и «плавает» в мягкой мозговой оболочке, которая содержит очень много жидкости (кровь в сосудах и ликвор).  Эта система — в основном жидкость — играет роль амортизатора. Благодаря ей, при обычных движениях головы не происходит механического раздражения головного мозга (он не бьётся о внутреннюю поверхность костей черепа).


       Однако, при ударах большой силы защитные амортизирующие свойства жидкости превращаются в повреждающие и травмоопасные. Это объясняется медицинской биофизикой с помощью эффекта «удар - противоудар», который является важнейшим звеном в механизме повреждения мозга при ударах большой силы.


       Из-за наличия жидкости между наружной поверхностью мозга и внутренней поверхностью черепа возникают различия в движении черепной коробки и головного мозга во время удара. Это позволяет разделить всё. движение головы после удара на несколько стадий.


       В первой стадии (в момент контакта кулака и головы) начинает смещаться черепная коробка, но сам головной мозг остаётся на месте из-за амортизации мягкой мозговой оболочкой. Вокруг ткани мозга появляются области с градиентом (разницей) по гидростатическому давлению: со стороны удара, где щель между мозгом и костью уменьшается, давление высокое, а на прямо противоположной стороне давление низкое. В этот момент появляются первые повреждения: на стороне удара в виде ушиба мозга, на стороне противоудара в виде кровоизлияний из сосудов оболочек мозга.

       

    На второй стадии мозг набирает скорость и движется вместе с черепной коробкой. Градиент давления на поверхности мозга исчезает. За тот короткий промежуток времени, пока длится вторая стадия, новые повреждения на периферии мозга и на костях черепа не возникают, но они могут появляться в глубинных структурах головного мозга.


      В третьей стадии черепная коробка теряет скорость и останавливается, а головной мозг по инерции продолжает движение, и теперь уже щель между мозгом и костью на стороне удара увеличивается, а на стороне противоудара уменьшается. Из -за чего опять появляется градиент давления на поверхности мозга — обратный по отношению к первой стадии. Соответственно становится обратной картина повреждений: на стороне удара появляются кровоизлияния из сосудов, а на стороне противоудара появляется ушиб ткани мозга.


      Эффект «удар - противоудар» возникает не только при ударах с большой долей поступательного движения, но и при ударах почти полностью вращательных. К таким ударам можно отнести: боковые, когда голова вращается в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси (подбородок вправо -влево), и нижние, когда голова вращается в сагиттальной плоскости вокруг фронтальной оси (подбородок вверх -вниз). Причём повреждения тоже могут быть очень опасными.


       При боковом вращении периферические отделы головы (кости черепа, сосуды мозговых оболочек, кора головного мозга) движутся быстрее, чем центральные отделы (белое вещество больших полушарий мозга, ствол мозга, основание черепа), из –за разницы в скоростях и ускорениях, а также вышеописанных амортизационных свойств крови и ликвора мозговых оболочек. Это приводит к тому, что центральные части мозга не успевают сместиться так же быстро как периферические, и в результате этого нервные волокна, соединяющие различные отделы мозга, могут скрутиться и надорваться. В тяжёлом случае возникает диффузное аксональное повреждение — разрыв отростков нервных клеток (аксонов) — приводящее человека к инвалидности. Полный поперечный разрыв ствола мозга — это травма, несовместимая с жизнью.


       При вращении головы назад или вперёд вокруг фронтальной оси, проходящей, примерно, через уши, возможны соответственно два варианта последовательности возникновения повреждений. В первом варианте, при вращении назад после удара спереди за полушариями головного мозга не успевают перемещаться отделы промежуточного мозга, а также жёстким препятствием для головы становится шея, которая переразгибается назад и механически тормозит череп. В результате происходит противоудар между нижними поверхностями затылочных полушарий, отделами промежуточного мозга и выростом твёрдой мозговой оболочки, который называется намёт мозжечка. Возникающее при этом центральное транстенториальное вклинение в случае неоказания скорой медицинской помощи может привести к смерти пострадавшего.


       При втором варианте, с ударом в затылок и вращением головы вперёд, ударной областью становится затылочная, а противоударной — лобная. Также важно, что удар нанесён сзади и является обычно неожиданным. Это обусловливает низкий тонус шейных мышц во время удара и соответственно практически полное отсутствие мышечной защиты головы. Вследствие этого повреждения мозга (кровоизлияния и ушибы ткани мозга) сильнее, чем при ударе той же силы в другие области головы.


       Чтобы избежать всего этого, в правилах многих спортивных единоборств предусмотрена защита головы шлемом. Задолго до появления физики как науки люди заметили, что шлем помогает избежать тяжёлых травм головы. Физика может объяснить это научно.


       Шлем исполняет несколько защитных функций. Во -первых, он защищает поверхностные структуры головы (кожа, подкожная клетчатка, особенно в лицевой части черепа) от ударов противника. Во -вторых, он искусственно увеличивает массу головы, что уменьшает её скорость после столкновения:

        mкулак ∙ Vкулак = (mголова+ mшлем)∙Vголова + шлем


       Отдельно взятая скорость головы меньше — меньше перемещение за то же время и, следовательно, меньше повреждений мозга и его оболочек. 

 

       В - третьих, шлем обычно имеет мягкую прослойку — подшлемник, благодаря которому удар амортизируется, то есть увеличивается время контакта кулака и головы, что делает удар больше похожим на толкание, а значит, плотность передачи силы уменьшается — повреждения уменьшаются. В - четвёртых, благодаря шлему происходит распределение удара по поверхности черепа, и площадь этой поверхности больше, чем площадь того небольшого участка, где могли бы контактировать кулак и голова, незащищённая шлемом. Это означает, что та же сила удара распределяется на большей площади, то есть давление от этого удара меньше. Этого бывает вполне достаточно, чтобы избежать, например, перелома костей черепа.

 

       Рука в защите головы действует по тому же принципу, что и шлем, и выполняет те же функции. Однако, возможно несколько вариантов.

 

      1. Рассмотрим случай, когда рука при ударе немного отстоит от головы и расслаблена. Тогда кулак, ударяя по руке и не встречая особого сопротивления, разгоняет защищающуюся руку практически до своей скорости. В следующий момент движения в голову влетают два предмета, соединённых на короткое время общей траекторией движения: кулак атаки и рука из защиты, — и голове передаётся количество движения (mкулак+mрука)∙Vкулак. Так как мышцы руки по прежнему расслаблены (человек не успел бы их напрячь), амортизации удара почти не происходит. В результате энергия несущегося кулака, увеличенная с помощью массы «защищающейся» руки, через кости предплечья передаётся голове.

 

      2. Рассмотрим случай, когда рука при ударе немного отстоит от головы, но напряжена («захлоп»). Тогда некоторая часть энергии удара затрачивается на смещение руки, то есть на растяжение напряжённых мышц плечевого пояса. В случае греко-римской защиты кулаку приходится растягивать трёхглавую (трицепс), дельтовидную (в большей степени её задний пучок) и трапециевидную (в большей степени её нижние и средние пучки). Эти мышцы достаточно сильны, особенно у спортсменов, поэтому удар средней силы вполне возможно остановить такой защитой, и часто кулак и смещаемая им защищающая рука вообще не долетают до головы. Однако следует учесть, что ситуация, когда кулак полностью остановлен рукой защиты, означает, что всё количество движения и вся кинетическая энергия кулака перешли в ткани руки. При этом вполне возможны повреждения руки: ушибы мягких тканей (кожа, мышцы, связки суставов), переломы тонких костей предплечья (характерны больше для атак с использованием предметов: палка, арматура, меч и др.).

       

      3. Рассмотрим случай, когда напряжённая защищающаяся рука крепко прижата к голове и находится в положении «захлопа». При этом в формировании защиты участвуют практически все мышцы плечевого пояса, включая даже мышцы -антагонисты основного движения (двуглавая мышца плеча (бицепс) „верхние пучки трапециевидной, вся дельтовидная мышца и др.), в связи с чем общее напряжение гораздо сильнее, и энергии на растяжение всего мышечного комплекса с целью его перемещения нужно тратить гораздо больше. Плюс к этому прижатая к черепу рука искусственно увеличивает массу головы, выполняя одну из функций шлема — уменьшает скорость и соответственно перемещение головы после удара:

        mкулак ∙ Vкулак = (mголова+mрука)∙(Vголова+Vрука)

 

     Однако необходимо заметить, что данный способ защиты является энергоёмким, так как одновременное и сильное напряжение (в данном случае статическое) большого количества мышц требует больших затрат энергии.

       

       4. Рассмотрим случай защиты фигурой из Славяно-Горицкой борьбы «Руянский шлем», когда плотно прижатая к голове напряжённая защищающая рука движется по поверхности головы ото лба и виска к темени и затылку. В принципе, очень похоже на случай 3), но есть несколько важных отличий. Благодаря движению руки по голове происходит разделение и распределение энергии удара и количества движения кулака по всей боковой половине поверхности головы, и на каждую отдельно взятую точку энергии и количества движения приходится меньше.

 

        Второе отличие: напряжение мышц плечевого пояса в данном виде защиты является динамическим, то есть имеется изменение длины каждой мышцы во время всего движения, а это совсем другой тип нагрузки. Мышцы плечевого пояса к нему приспособлены лучше, особенно у спортсменов, так как подавляющее большинство спортивных телодвижений осуществляется именно с помощью «динамики в плечах».

 

        Однако, даже самая сильная защита не всегда спасает. И тогда появляется необходимость в срочной медицинской помощи.  Как же распознать эту ситуацию?

 

        Существует несколько способов, которые далеко не всегда согласуются между собой. Например, боксёрский и современный медицинский.

 

        Судья в боксёрском ринге определяет степень тяжести ЧМТ по времени, пока боксёр лежит или сидит на ринге, а если тот всё-таки встал, требует поднять руки и «встать в стойку», то есть проверяет тонус мускулатуры, следит за взглядом спортсмена, требует словесного ответа на вопросы — всё это критерии для оценки уровня сознания. Нарушения сознания проявляются в первую очередь снижением внимания и соответственно защитных реакций пострадавшего. Поэтому во избежание более серьёзных травм от последующих атак иногда целесообразно прекратить поединок. Боксёрский способ проверен временем и очень редко даёт осечки, он позволяет в течение нескольких секунд оценить состояние спортсмена и принять решение о продолжении или окончании боя.

 

        В принципе, большинство нокдаунов — это сотрясение головного мозга (в последние годы его не делят по степени тяжести), а вот нокаут, особенно продолжительный, заставляет перейти к способу современному медицинскому, так как именно он, имея гораздо больше средств диагностики и помощи, работает с более тяжёлыми черепно -мозговыми травмами, чем просто нокдаун.

 

        Основные признаки имеющейся черепно-мозговой травмы — это факт потери сознания и потеря памяти (амнезия) на события, сопутствовавшие травме. Чем больше продолжительность потери сознания и амнезии, тем тяжелее ЧМТ, хотя чётких временных рамок нет.

 

        Лёгкая ЧМТ сопровождается потерей сознания от нескольких секунд до 10 минут, обычно наступающего немедленно после травмы. После восстановления сознания обнаруживается амнезия (обычно около одного часа), головная боль, тошнота, иногда рвота, бледность, слабость, головокружение, шаткость походки. Под это описание подходит подавляющее большинство нокдаунов и нокаутов. Человека с предполагаемой лёгкой ЧМТ следует госпитализировать для наблюдения на 2 -3 суток с единственной целью — не пропустить более серьёзные травмы, к которым относятся внутричерепные гематомы и переломы костей черепа. Внутричерепную гематому (кровоизлияние из сосудов мозговых оболочек) следует заподозрить при нарастании головной боли, рвоты, повышении артериального давления, появлении анизокории (один зрачок шире другого), угнетении сознания, особенно после «светлого промежутка». «Светлый промежуток» — это период мнимого благополучия, когда внешние проявления травмы совершенно не соответствуют внутренним опасным повреждениям. Продолжительность этого периода зависит от скорости нарастания гематомы, компенсаторных возможностей организма и иногда может достигать нескольких часов.

 

        Единственный способ лечения внутричерепной гематомы операция (трепанация черепа с удалением гематомы).

 

        Переломы костей черепа представляют большую опасность, так как при переломе повреждаются сосуды, проходящие внутри кости или на её поверхности, а это может стать ещё одним источником внутричерепной гематомы. Обычно переломы сопровождают тяжёлые ЧМТ и выявляются при рентгеновском исследовании в медицинском учреждении.

 

        Более тяжёлые черепно-мозговые травмы не вызывают затруднения при решении вопроса о госпитализации, потому что, например, при ЧМТ средней тяжести потеря сознания продолжается до одного часа, а амнезия — до суток. При тяжёлой ЧМТ — более часа и более суток соответственно. В спортивных единоборствах любого уровня (от детских до профессиональных) встречаются все виды черепно-мозговых травм, поэтому медработники на соревнованиях, судьи и тренеры должны быть очень внимательны при оценке тяжести травмы, особенно черепно-мозговой, так как ошибка может привести к самым печальным последствиям.

 

 

«КУЛАЧНЫЙ БОЕЦ» # 1/2003