Период прецессии в воздухе составляет 4-5 м, угол нутации при устойчивом движении пули не превышает 10-15?, что считается вполне допустимым для ее гироскопической устойчивости. Сумма нутационного и прецессионного движений определяет общую картину регулярных нутационно-прецессионных колебаний пули с ограниченной амплитудой итогового угла отклонения продольной оси пули от вектора скорости (угла нутации). За счет гироскопического эффекта полет пули стабилизируется, обеспечивая при этом необходимую дальность и точность поражения (рис. 3.13).
Согласно закону сопротивления Ньютона, сила лобового сопротивления воздуха при поступательном движении твердого тела, в частности РС, пропорциональна квадрату скорости РС, площади проекции РС на плоскость, перпендикулярную его движению, плотности воздуха и выражается зависимостью:
R - сила сопротивления воздуха; Cх - коэффициент лобового сопротивления; ρ - плотность воздуха; V - скорость движения РС; S0 - площадь поперечного сечения РС.
Рис. 3.13. Нутационно-прецессионые колебания пули
Знак - (минус) означает, что R действует в направлении, противоположном движению РС. Величина
Сх зависит от формы головной части РС и его скорости. Связь внешнебаллистических параметров РС с силой сопротивления обтекающей среды при переходе из воздуха в биологические ткани существенно меняется, т.к. сила сопротивления среды значимо увеличивается (плотность тканей в 800-1000 раз больше, чем плотность воздуха). При этом резко возрастает опрокидывающий момент пули, что приводит к увеличению угла нутации.
3.4.2. Раневая баллистика и биофизика формирования огнестрельной раны
Пулевые и осколочные ранения до идентификации РС обозначаются как огнестрельные ранения. Морфологическим субстратом огнестрельного ранения является огнестрельная рана. Она образуется в результате взаимодействия тканей, органов и систем человека с РС, поэтому характеристика огнестрельной раны определяется, с одной стороны, баллистическими свойствами РС, а с другой - структурой повреждаемых тканей.
71
Раневая баллистика опирается в своих исследованиях на понимание физических законов, определяющих трансформацию полетных параметров пули (скорости, кинетической энергии и пр.) при движении в живых тканях.
Повреждающие свойства РС характеризуются скоростью его полета, массой, площадью поперечного сечения, степенью устойчивости при попадании в ткани, склонностью к деформации и фрагментации, величиной кинетической энергии в момент ранения.
Результирующим при этом является количество кинетической энергии РС, передаваемой тканям (потеря энергии).
Потеря кинетической энергии (ΔЕ, Дж) РС определяется экспериментально как разница кинетической энергии РС в момент ранения - контактной энергии (Ес, Дж) и остаточной кинетической энергии на выходе из объекта (Еr, Дж) по формуле:
Е - потеря или затрата кинетической энергии РС на образование огнестрельной раны, Дж; Vc - контактная скорость, м/с; Vr - остаточная скорость на выходе из объекта, м/с; m - масса РС, кг.
На основании квадратичного закона сопротивления Ньютона потеря энергии (ΔЕ) может быть выражена в зависимости от кинетической энергии РС в момент ранения (Ес) формулой:
С1 - безразмерный коэффициент лобового сопротивления; ρ - плотность среды г/см3; S0 - площадь поперечного сечения РС, см2; m - масса, г; х - длина раневого канала, см.
Из приведенной зависимости следует, что потеря кинетической энергии РС в среде пропорциональна кинетической энергии в момент попадания в цель, плотности среды, длине раневого канала, коэффициенту торможения С1, площади поперечного сечения РС и обратно пропорциональна массе РС.
3.5. УЧЕНИЕ ОБ ОГНЕСТРЕЛЬНОЙ РАНЕ
3.5.1. Механизм образования огнестрельной раны
В образовании огнестрельной раны основное значение принадлежит 4 факторам:
1-й фактор - воздействие ударноволновых процессов. В момент соприкосновения пули с поверхностью поражаемых тканей в месте контакта - из-за инерционности тканевой массы - мгновенно возникает сдавление среды. Уплотнение среды, как и всякое нарушение ее равновесия, порождает образование волны деформации. Волна деформации или так называемая «ударная волна» распространяется впереди движущейся пули со скоростью звука. Скорость распространения звука в тканях (как и во всех жидких и пластических средах) составляет около 1500 м/с, поэтому «ударная волна» все время обгоняет пулю, в то время как движение пули в тканях постепенно замедляется. Условность термина
72
«ударная волна» заключается в том, что, в отличие от компрессионной волны в тканях, реальная ударная волна при детонации ВВ распространяется в воздухе со скоростью около 3000 м/с, т.е. со скоростью, значительно превышающей скорость распространения звука в воздухе.
Ударная волна в тканях характеризуется крутым фронтом с высоким положительным пиком давления (>1000 кПа), при этом время нарастания давления от нуля до максимальной амплитуды составляет менее одной микросекунды. Фаза положительного давления характеризуется малой продолжительностью порядка 0,05-0,5 мс, соизмеримой со временем прохождения РС через объект, и переходит в короткую, незначительную по величине, фазу отрицательного давления.
Вслед за ударной регистрируются значительно меньшие по величине (десятки кПа) низкочастотные волны давлений с длительностью существования до 30-40 мс, которые принято именовать волнами сжатия или сдвига. Волна сжатия отражается от плотных структур тканей, и ее максимальная амплитуда может быть рассмотрена как следствие суперпозиций приходящих и отраженных волн (рис. 3.14).
По времени, стадия низкочастотного волнового процесса совпадает с образованием в тканях так называемого феномена временной пульсирующей полости (ВПП) и является результатом пульсирующих дислокаций тканей за пределами временной полости.
Рис. 3.14. Импульсная рентгенограмма: а - блока из 20% желатина в фазе максимального развития ВПП; б - осцилограмма записи ударно-волнового процесса в 20% желатине при выстреле в блок 7,62 мм пулей из автомата АКМ со скоростью 715 м/с: вслед за «ударной» волной (Pm > 1000 кПа) следуют значительно меньшие по величине (Р = 15-20 кПа) низкочастотные волны давлений, длительностью существования до
30-40 мс
Повреждающее действие РС на удалении от раневого канала связано, в основном, с длительно существующими волнами сжатия (сдвига), тогда как роль в этом ударной волны, из-за кратковременности ее воздействия, значительно меньше.
2-й фактор - воздействие РС. Основной баллистической характеристикой РС является их начальная скорость. В соответствии с этим различаются низкоскоростные (Vo<400 м/с), среднескоростные и высокоскоростные (Vo>700 м/с) РС. Поражающий эффект возрастает по мере увеличения угла нутации пули в тканях и достигает максимума при ее опрокидывании или деформации. Это объясняется увеличением площади поперечного сечения входящего в ткани РС, возрастанием коэффициента лобового
73
сопротивления и в результате - увеличением кинетической энергии, передаваемой тканям. При прохождении через ткани обычной пули калибра 7,62 мм в устойчивом положении, поражаемым тканям передается 20% кинетической энергии, при прохождении малокалиберной кувыркающейся пули с начальной скоростью полета 900 м/с - 60%. Таким образом, в результате воздействия
Рис. 3.15. Импульсные рентгенограммы движения пуль в блоках из 20% желатина: а - выстрел 7,62 мм пулей автомата АКМ; б - выстрел5,45 мм пулей из автомата АК-74
Рис. 3.16. Импульсная рентгенограмма: выстрел 5,56 мм пулей из автоматической винтовки М-16 А1 (США) в 20% желатиновый блок: видны расплющивание и фрагментация сердечника и оболочки пули; деформированная пуля оставляет за собой значительный по размерам раневой канал.
высокоскоростных РС возникает качественно новый тип огнестрельных ран (рис. 3.15, 3.16).
3-й фактор (основной и специфический для огнестрельной раны) - воздействие энергии бокового удара. Кинетическая энергия, переданная покоящейся массе среды РС, приводит к смещению лежащих на его пути частичек среды в прямом и радиальных направлениях от раневого канала. Пришедшие в движение частички среды передают свою энергию периферическим слоям до тех пор, пока сопротивление не остановит их движение. В результате этого вслед за РС в среде образуется временная полость.
В раневой баллистике рассматривается когерентная (т.е. подчиняющаяся определенным закономерностям) временная полость, которая отделяется от движущегося РС вдоль его поверхности, замыкая его хвостовую часть. Полость, где чисто теоретически возникает кратковременный вакуум, быстро заполняется поступающим через входное отверстие воздухом и отчасти парами воды, содержащейся в составе той среды, через которую проходит пуля. Образование этих паров является результатом перехода части кинетической энергии РС в тепловую вследствие трения его оболочки о ткани. Из-за быстротечности возникновения тепла, оно не передается на глубжележащие ткани.
Первоначально полость имеет коническую форму, затем размеры ее увеличиваются и только через несколько миллисекунд (уже после выхода пули из тканей), преодолевая состояние инерционности, полость достигает максимальной величины. Величина растяжения полости зависит от эластичности среды.
74
Когда же происходит спадение полости, то, если отданная тканям энергия не исчерпывается, образуется новая полость меньшего объема, чем первая. Совершая несколько убывающих по амплитуде пульсаций, полость постепенно угасает, оставляя после себя постоянный раневой канал, или так называемую «постоянную полость».
Временная пульсирующая полость - важнейшее понятие в раневой баллистике высокоскоростных РС. Из возникновения и существования полости вытекают практически все биологические феномены огнестрельной раны. Для регистрации ВПП в органах и живых тканях, а также в таких имитаторах, как желатин, используются импульсная (микросекундная) рентгенография (рис. 3.17.) или скоростная киносъемка, которая позволяет регистрировать в прозрачных желатиновых блоках динамику образования ВПП (рис. 3.18).
На скоростных кинограммах видно, что при стрельбе устойчивыми пулями (калибра 7,62 и 11,43 мм) ВПП имеет цилиндрическую, а при стрельбе неустойчивыми 5,45 мм и 5,56 мм пулями - воронкообразную форму, широким основанием обращенную к выходному отверстию. При ранениях стальными шариками, кубиками, осколками произвольной формы наибольшая величина ВПП наблюдается в области входного отверстия. Эти различия формирования ВПП связаны с особенностями распределения кинетической энергии по ходу
Рис. 3.17. Импульсные рентгенограммы: а - формирование ВПП в блоке из 20% желатина при выстреле 5,45мм пули из автомата АК-74 со скоростью 900 м/с; б -стадия максимального развития ВПП (t ≈1,5-1,8 мс) ; в - конусообразный канал - постоянная полость, в стенках которой имеются глубокие трещины и мелкие надрывы желатина
75
2 Рис. 3.18. Особенности конфигурации ВПП, образующейся в желатиновых блоках (ЖБ) на скоростных кинограммах: 1 - при стрельбе различными пулями; 2 - при стрельбе стальным шариком диаметром 6,0 мм
раневого канала: при ранении устойчивыми пулями - равномерно по ходу канала; при ранении неустойчивыми пулями максимум затраченной энергии приходится на вторую половину раневого канала; при ранении стальными шариками максимальный расход энергии совершается в первой половине раневого канала.
Между баллистическими параметрами (потерей кинетической энергии РС, объемом ВПП) и размерами деструктивных изменений тканей в огнестрельной ране существует прямая связь. Решающей величиной в раневой баллистике является не кинетическая энергия РС при встрече с целью, а та ее часть, которая затрачивается при ранении на преодоление силы сопротивления живых тканей. Объем ВПП пропорционален потере энергии РС и выражается зависимостью:
Wвпп = αΔЕ , где:
Wвпп - объем ВПП, Е - потеря кинетической энергии, α - коэффициент пропорциональности.
76
Пульсации ВПП, проявляющиеся в периодическом сжатии и растяжении тканей, продуцируют волны давления, которые и формируют так называемый «боковой удар» пули. Они способны вызвать морфофункциональные изменения не только в стенках раневого канала, но - при тяжелых ранениях - и на значительном удалении за пределами раны, формируя контузионные (дистантные) повреждения органов и тканей.
4-й фактор - воздействие вихревого следа (турбулентного потока частиц тканей), возникающего позади РС. Субатмосферное давление в ВПП, а также ее пульсация при открытом сообщении через входное отверстие раневого канала с внешней средой, приводят к аспирации инородного материала в раневой канал и его загрязению. Вследствие воздействия этого фактора, а также воздействия вихревого следа, в рану всасываются частицы одежды, почвы, микроорганизмы с окружающей кожи и пр.
3.5.2. Морфология и особенности огнестрельной раны
В результате действия перечисленных факторов образуется огнестрельная рана, имеющая входное, выходное (при сквозном характере ранения) отверстия и раневой канал.
Раневой канал огнестрельной раны часто имеет сложную, неправильную форму и контуры, что объясняется двумя механизмами: изменением траектории движения РС в тканях вследствие соприкосновения
его с плотными образованиями, например, костями, сухожилиями (первичные девиации); различной сократимостью разнородных и даже однородных тканей (вторичные девиации).
В соответствии с морфологическими и функциональными изменениями, а главное, в интересах лечебной тактики в пределах раневого канала выделяются 3 зоны огнестрельной раны, впервые описанные М.
Борстом в 1925 г. (рис. 3.19, 3.20).
77
Рис. 3.19. Схема зон раневого канала огнестрельной раны при сквозном пулевом ранении бедра с переломом кости; виден раневой канал, стенками которого является зона первичного некроза, вокруг - зона формирования вторичного некроза
Рис. 3.20. Ранение кишки (а) и легкого (б) в эксперименте 5,45 мм пулей из автомата АК-74 (гистологический препарат): 1 - зона раневого дефекта, 2 - зона первичного некроза, 3 - зона молекулярного сотрясения тканей с очагами вторичного некроза, 4 - контузия пристеночного участка легкого
1-я - зона раневого дефекта - образуется в результате прямого действия РС. Она представляет собой неправильной формы извилистую щель, заполненную раневым детритом, кровяными сгустками, инородными телами, костными осколками при повреждении костей. Эта зона является ориентиром при определении направления выполнения ПХО, а ее содержимое подлежит тщательному удалению.
2-я - зона первичного некроза - возникает в результате действия всех факторов образования огнестрельной раны. Это ткани, прилежащие к зоне раневого дефекта и полностью утратившие жизнеспособность. Мертвые ткани должны быть полностью иссечены и удалены во время ПХО.
3-я - зона вторичного некроза (зона «молекулярного сотрясения» по Н.И. Пирогову 14) - формируется в результате действия энергии бокового удара и образования ВПП. Она имеет мозаичный характер по выраженности морфологических проявлений, их размерам, протяженности и глубине расположения от зоны раневого дефекта. Макроскопически эти изменения характеризуются очаговыми кровоизлияниями, пониженной кровоточивостью и яркостью тканей; микроскопически - нарушением микроциркуляции в виде спазма или паретической дилятации мелких сосудов, стазом форменных элементов, деструкцией клеток и внутриклеточных структур. Вторичный некроз - процесс, развивающийся в динамике (до нескольких суток) и зависящий от условий жизнедеятельности тканей в ране. Следовательно, основной задачей лечения применительно к этой зоне является недопущение прогрессирования вторичного некроза путем создания благоприятных условий для заживления раны.
78
Механизмы образования вторичного некроза сложны и до конца не изучены. Имеют значение ишемия изза выраженных нарушений микроциркуляции, избыточный протеолиз вследствие прямого повреждения структур клеток и ишемического повышения проницаемости клеточных мембран, ударно-волновое повреждение субклеточных структур.
Огнестрельная рана отличается от ран другого происхождения (колотых, резаных, рубленых)
следующими особенностями:
•обширностью зоны некротических тканей вокруг раневого канала (первичный некроз);
•образованием новых очагов некроза в ближайшие часы и дни после ранения (вторичный некроз);
14 «Что особливо отличает в моих глазах действие огнестрельного снаряда на ткани, это молекулярное сотрясение, которое он им сообщает; его границы и степень мы никогда не в состоянии определить точно». Н.И. Пирогов (1865 г.)
•неравномерной протяженностью поврежденных и омертвевших тканей за пределами раневого канала вследствие сложности его архитектоники (первичные и вторичные девиации);
•частым наличием в раневом канале и окружающих тканях инородных тел - деформированных пуль, осколков, обрывков тканей, одежды и др.
3.5.3. Общие и местные реакции организма на огнестрельную травму
В ответ на ранение организм мобилизует общие и местные защитные реакции, направленные на заживление раны, что составляет сутьраневого процесса.
Общие защитные реакции протекают в 2 фазы.
Первая фаза - катаболическая. Она характеризуется повышенным выбросом в кровь адреналина, норадреналина и глюкокортикоидов, повышением агрегационных свойств тромбоцитов и процессов внутрисосудистого свертывания крови. В результате происходит спазм периферических мышечных и висцеральных сосудов, усиливается распад белков, жиров и углеводов, снижается проницаемость сосудистой стенки и клеточных мембран. Таким образом, в первой фазе реализуется комплекс защитноприспособительных (адаптивных) реакций, направленных на выживание организма в экстремальной ситуации: спазм периферических сосудов обеспечивает централизацию кровообращения; спазм легочных посткапиллярных сосудов, замедляя легочный кровоток, повышает насыщаемость эритроцитов кислородом; повышенная свертываемость крови, наряду с генерализованным вазоспазмом, способствует остановке кровотечения; распад белков, жиров и углеводов обеспечивает организм энергией; понижение проницаемости сосудистой стенки и клеточных мембран снижает интенсивность воспалительной реакции. В неосложненных случаях катаболическая фаза продолжается 1-4 сут.
Вторая фаза - анаболическая. Она характеризуется снижением концентрации адаптивных гормонов, нормализацией системы свертывания крови, активизацией факторов иммунной защиты организма, повышением уровня гормонов, обеспечивающих пластические процессы: соматотропного гормона, инсулина, тестостерона и минералокортикоидов. В результате этого нормализуются периферическое
79
кровообращение и микроциркуляция, обмен веществ; стимулируются процессы, обеспечивающие регенерацию и заживление
раны. В неосложненных случаях анаболическая фаза начинается с 4-5 сут. и продолжается в течение 10-14 дней.
При тяжелом течении раневого процесса, в случаях развития ранних осложнений, катаболическая фаза затягивается, что в наиболее тяжелых случаях приводит к истощению защитных сил организма и смерти. При развитии поздних осложнений возникает второй пик катаболической фазы, который в зависимости от эффективности лечения переходит либо в анаболическую фазу и выздоровление, либо в состояние, именуемое раневым истощением.
Местные защитные реакции в огнестрельной ране реализуются в тканях, сохранивших жизнеспособность, то есть в зоне развивающегося вторичного некроза. При этом зона раневого дефекта, вследствие первичного микробного загрязнения, становится местом формирования раневой микрофлоры, а зона первичного некроза - тем морфологическим субстратом, на который направлено, с одной стороны, действие микроорганизмов, а с другой - действие защитных факторов макроорганизма.
Отсюда становится понятным, чтохарактер и эффективность местных реакций определяются как степенью жизнеспособности тканей третьей зоны, так и масштабами некроза второй зоны огнестрельной раны.
В динамике местных реакций выделяются 4 фазы.
1-я фаза - сосудистых реакций. Первонача л ьно она проявл яется спазмом артериол, капилляров и венул, тромбообразованием в результате активации системы свертывания крови. В последующем спазм сменяется паретическим расширением мелких сосудов, стазом форменных элементов. Возникает гипоксия тканей и ацидоз. При благоприятных условиях микроциркуляция восстанавливается и наступает вторая фаза; при неблагоприятных - формируются очаги некрозов.
2-я фаза - очищения раны. Умеренный ацидоз, высвобождение и активизация внутриклеточных ферментов поврежденных тканей, повышенное выделение тучными клетками гистамина и серотонина на поверхности эндотелия сосудистой стенки, образование малых пептидов в тканях в результате активации протеолиза и калликреин-кининовой системы приводят к вазодилятации, повышению осмотического давления в тканях, повышению проницаемости стенок сосудов - происходит выход жидкой части крови из сосудов в ткани, развивается травматический отек. Биологическое и клиническое значение его заключается в спонтанной остановке кровотечения из мелких сосудов и очищении раны за счет вытеснения из раневого канала раневого детрита, кровяных сгустков и инородных тел. Эти процессы
называются первичным очищением раны. При ранениях, наносимых РС с небольшой кинетической энергией, травматический отек обеспечивает самостоятельную санацию раны, способствует сближению ее краев и заживлению. Подобное течение раневого процесса наблюдается и при более тяжёлых ранениях при условии своевременной и правильно выполненной хирургической обработки раны.
При ранениях, сопровождающихся обширным повреждением тканей, в ране развивается целый ряд явлений, направленных на расплавление и отторжение нежизнеспособного тканевого субстрата первичного некроза. В целом они укладываются в два биологических процесса. Во-первых,
80