Раневая баллистика и морфофункциональные изменения в тканях при огнестрельных ранениях

Раневая баллистика- область науки, занимающаяся определением поражающей эффективности огнестрельных ранящих снарядов на основе изучения их движения в биологических тканях и веществе мишеней-имитаторов. Термин «раневая баллистика» принадлежит Каллендеру и Френчу (1935). И.П. Давыдовский понимает под ним физическое явление, возникающее в тканях в момент прохождения через них ранящего снаряда. В «Наставлении НАТО по неотложной военной хирургии» (1975) раневая баллистика определяется как изучение движения внутри тела ранящих снарядов и их повреждающей способности. Цель изучения раневой баллистики - разработка единой методологии определения поражающих свойств современного огнестрельного оружия, защитных свойств индивидуальной бронезащиты и механизмов формирования огнестрельных ранений, а также создание унифицированного лечебно-диагностического алгоритма боевой огнестрельной травмы.

Для объяснения тяжелого течения огнестрельных ран создавались различные теории.

Теория отравления ран порохом. Предполагали, что при огнестрельных ранениях вместе с ранящим снарядом в рану заносятся частицы пороха, которые «отравляют» ткани в зоне раневого канала. Учение об огнестрельной ране, изложенное в книге И. Брауншвейга (1497), пронизано убеждением о том, что все огнестрельные раны «отравлены» порохом, и в соответствии с этим автор рекомендовал своеобразные способы лечения: «Если кто ранен из ружья, и порохом рана отравлена, то возьми веревку волосяную и протолкни ее через простреленное отверстие, и протягивай ее туда и обратно на все лады, и тогда ты добьешься выхода пороха из раны; тогда рана не будет гноиться». Страх перед загрязнением ран порохом заставлял хирургов бороться с этим загрязнением, для чего выжигали раны каленым железом или заливали их кипящим маслом.

Ошибочность этой теории была доказана французским хирургом А. Паре в XVI столетии, который сформулировал требование о том, «чтобы хирург незамедлительно расширил рану, если только область ее распространения это позволяет». Он доказал, что особенности огнестрельного ранения зависят не от отравления порохом, а от размозжения тканей.

Теория ожога, объясняющая особенности течения огнестрельной раны тем, что пуля при прохождении через ткани в результате превращения механической энергии в тепловую нагревается и вызывает ожог тканей. В последующем многие авторы в эксперименте доказали, что температура пули при прохождении через ткани повышается крайне незначительно и не может вызвать ожога тканей, окружающих раневой канал.

Теория гидравлического действия. Родоначальником ее был Буш, но в законченном виде она сформулирована Кохером, Регером и Брунсом. Согласно этой теории при проникновении ранящего снаряда в ткани в них возникают условия как в гидравлическом прессе, где движущийся поршень создает в жидкости давление, и это давление передается стенкам цилиндра по закону Паскаля во все стороны с одинаковой силой. Гидравлическим эффектом сторонники этой теории объясняли чрезвычайно обширные разрушения внутренних органов при полостных ранениях. На убедительных опытах Е.В. Павлов, В.А. Тиле показали несостоятельность этой теории и доказали, что разрушение тканей по мере продвижения ранящего снаряда становится все более обширным, в то время как по законам гидравлической теории оно должно распространяться равномерно.

В настоящее время общепризнана теория прямого и бокового удара, основанная на сформулированных в конце XIX века теории ударного действия Тиле и гидродинамической теории Шьернинга и Колера механизма образования огнестрельной раны. Действие прямого удара осуществляется на ткани на том участке, где ранящий снаряд непосредственно с ними соприкасается. Сила бокового удара действует на ткани за пределами раневого канала. Используя современную регистрационную аппаратуру (импульсную фотографию, высокоскоростную киносъемку, тензометрию и др.), удалось расшифровать механизм прямого и бокового удара. Было установлено, что вокруг пули формируется поток воздуха в виде клина. Направление движения этого потока параллельно и радиально траектории полета пули. Сжатый воздух, идущий впереди пули, - головная ударная волна - один из факторов, повреждающих ткани. За ним следует сама пуля, которая преимущественно оказывает механическое действие и в зависимости от энергии, которой она обладает, вызывает различные повреждения. Пуля, обладающая большой кинетической энергией, при поражении кожи оказывает пробивное действие, т.е. образует отверстие, лишенное кожи. Впервые на наличие в огнестрельной ране такого дефекта кожи обратил внимание Н.И. Пирогов в своей книге «О путешествии по Кавказу», вышедшей в свет в 1849 г.

При поражении пулей с неустойчивой траекторией полета происходит ее кувыркание в тканях. Это порождает две основные особенности. Во-первых, движение пули не бывает прямолинейным, во-вторых, происходит более массивное повреждение тканей. Прямое действие снаряда вызывает разрывы, расщепление, размозжение тканей. Степень разрушения тканей зависит от их строения, а также скорости, калибра и формы снаряда.

Поток воздуха, идущий радиально траектории полета пули, формирует временную пульсирующую полость, которая может превышать диаметр ранящего снаряда в 30-50 раз. Достигнув максимальных размеров, она начинает спадаться, происходит ее «схлопывание». Время существования временной пульсирующей полости значительно превышает время прохождения пули в тканях. Перепады положительного и отрицательного давления в ней достигают 50 атм. Это способствует обширному повреждению тканей, попаданию микробов и инородных тел на значительное расстояние от раневого канала.

При высокой скорости полета снарядов могут возникать сильные ударные волны. Эти волны не вызывают тяжелых механических повреждений, а влияют на внутриклеточные процессы, приводящие к разрушению клеточных структур. Под воздействием ударных волн происходят изменение свертываемости крови, коагуляция белка.

Пуля, обладающая большой кинетической энергией, попав в полый орган с жидким содержимым или кровенаполненный паренхиматозный орган, вызовет гидродинамическое действие, а поразив кость, разрушит ее, проявляя дробящее действие. Пуля, имеющая к моменту контакта с телом малую энергию, сможет оказать лишь клиновидное действие, которое проявится раздвиганием тканей или их ушибом, последствиями которого могут быть ограниченные кровоизлияния, гематомы или поверхностные ушибленные раны.

Осколки разорвавшегося огнестрельного снаряда также оказывают преимущественно механическое воздействие, последствия которого будут прямо связаны с их кинетической энергией.

Свойствами пули, влияющими на характер ранения, являются ее масса, калибр, форма, конструктивные особенности. Эти характеристики пули взаимосвязаны. Поэтому и принято рассматривать поражающие свойства пули применительно к ее отдельным конструктивным типам. Наибольшей устойчивостью в полете и при поражении биологической цели обладают пули с большей массой, длиной и калибром. Тупоконечные пули быстро передают энергию поражаемым тканям и приводят к так называемому останавливающему эффекту. Остроконечные удлиненные оболочечные пули нередко отдают поражаемым тканям лишь 1/10 своей кинетической энергии. Наиболее существенные повреждения возникают при формировании сверхзвукового потока в тканях при передаче энергии. Остроконечные пули образуют такой поток при скорости взаимодействия с мишенью около 1300 м/с, пули с закругленной головной частью - при 800 м/с.

Мягкие безоболочечные пули обладают высокой пластичностью и при контакте с мягкими биологическими тканями тратят часть энергии на собственную деформацию, тем самым увеличивают время воздействия и мощность удара. Это обстоятельство послужило одной из причин того, что Гаагская декларация (1899) запретила использование для поражения человека пуль, сплющивающихся в теле.

Смещение центра тяжести пули к ее хвостовой части значительно снижает устойчивость ее движения в воздушной среде и по ходу раневого канала. В сходных условиях контакт остроконечной пули с поверхностью повреждаемой части тела приводит к возникновению сверхзвукового ударного потока в тканях при угле встречи 90° на скорости 130 м/с, а при угле 45° - 600 м/с. При этом нередки разрушения пули и ее внутренние рикошеты. Следует заметить, что пули среднего калибра теряют стабильность только на расстоянии 1800-2000 м, в то время как малокалиберные пули неустойчивы уже на начальных участках траектории. Высокоскоростные пули в имитаторах биологических тканей существенно теряют устойчивость, разворачиваясь продольной осью на 90° и более по отношению к направлению баллистической траектории. При этом возникают временные полости, размеры которых в десятки раз превышают калибр ранящего снаряда. Энергия малокалиберных и высокоскоростных пуль, как правило, ниже энергии пуль калибра 7,62 мм на всех дистанциях выстрела, однако объем переданной ими энергии выше.

Малокалиберная пуля обладает большим поражающим действием, так как способна отдавать поражаемому объекту большую долю кинетической энергии по сравнению c пулей среднего калибра. Данный тип пуль позволяет говорить о новой, качественно отличающейся совокупности конструктивных и баллистических свойств, обеспечивающих интегрирующее поражающее действие: высокая начальная скорость, малая устойчивость в полете и в тканях, малая масса, смещенный к хвостовой части центр тяжести, мягкий сердечник.

Советская пуля к боеприпасу 5,45x39мм. Пуля применяется в боеприпасе к автомату АК-74, который принадлежит к новому поколению оружия уменьшенного калибра. Она имеет сплошную металлическую оболочку из стали с медным покрытием. Внутри расположен большой стальной сердечник. Характерной особенностью является свободное пространство длиной около 5 мм в головной части. Его назначение - в смещении центра тяжести в сторону донной части, что заставляет пулю менять положение в начальной стадии пути в тканях человека. Кроме того, в момент удара имеющийся внутри пули свинец перемещается вперед в свободное пространство. Перемещение свинца происходит не симметрично, и это служит одной из причин резкого изменения траектории пули при прохождении через ткани. Однако такое поведение пули не слишком увеличивает ее поражающее действие. Хотя пуля изменяет положение уже через 7 см после проникновения в тело, значительный разрыв возникает лишь на конечном участке (рис. 16).

Головная часть пули составляет около 60% ее первоначального веса. Тыльная часть распадается на множество осколков, которые разлетаются в стороны и проникают в ткани на глубину до 7 см. При попадании в мягкие ткани возникает такой же эффект временной полости, как и при поражении пулей югославского производства для АК-47.

Рис. 16.Поражающее действие пули АК-74 (Мураховский В.И., Федосеев С.Л., 1992)

Кроме этого, наблюдается значительный разрыв тканей. Это объясняется тем, что сначала они пробиваются осколками, а затем подвергаются воздействию временной полости. Поэтому диаметр отверстия в полых органах, например в кишке, может достигать 7 см.

Американская пуля к боеприпасу 5,56x45 мм М193 (рис. 17). Эта пуля со сплошной металлической оболочкой проходит в тканях расстояние около 12 см головной частью вперед. Затем она разворачивается на 90°, сплющивается и разламывается в районе кольцевой канавки, предназначенной для соединения пули с гильзой.

Пули НАТО к боеприпасам 5,56x45 мм М855 и SS109. Американская пуля М855 имеет несколько большие вес и длину, чем пуля М193. В Европе известен такой же боеприпас SS109. Хотя пули не являются идентичными, их поведение в тканях практически не отличается. Фирма БМ, разработчик боеприпаса SS109, утверждает, что высокая скорость вращения снижает тяжесть ранения пулей. Однако это не соответствует действительности. Практика показывает, что характер ранений по существу такой же, как и от пули М193 (рис. 18).

Рис. 17.Поражающее действие американского боеприпаса М193 (Мураховский В.И., Федосеев С.Л., 1992)

Рис. 18.Поражающее действие боеприпаса М855 (SS109) (Мураховский В.И., Федосеев С.Л., 1992)

Ведущим моментом, определяющим ранящую способность снаряда, является количество переданной телу энергии. Она зависит от массы снаряда и его скорости и, согласно закону Ньютона, выражается формулой:

где Ek - кинетическая энергия снаряда, передаваемая телу; m - масса снаряда; Uj- скорость снаряда в момент попадания в тело; υ₂- скорость снаряда в момент выхода из тела; g - гравитационное ускорение.

Таким образом, в механизме огнестрельного ранения играют ведущую роль следующие элементы.

• Головная ударная волна (баллистическая), волна сильно уплотненного воздуха, формирующаяся впереди пули.

• Сам ранящий снаряд.

• Временная пульсирующая полость (энергия бокового удара).

• Вторичные ранящие снаряды (костные отломки, летящие со скоростью до 70 м/с).

• Воздействие вихревого следа.

Сила прямого удара определяется характеристиками ранящего снаряда и вторичных снарядов: скоростью, массой, величиной, площадью ударного соприкосновения, устойчивостью в полете. Сила бокового удара зависит от воздействия головной ударной волны и временной пульсирующей полости.

Взаимодействие огнестрельного снаряда с поражаемой частью тела рождает качественно новые динамические характеристики: поглощенную энергию, ударные волны, время контакта, форму и протяженность раневой траектории, временную пульсирующую полость, устойчивость или неустойчивость движения снаряда, образование вторичных снарядов биологической природы, положение снаряда в момент удара, мощность ударного воздействия и др.

Для определения связи между вышеперечисленными динамическими характеристиками в научно-исследовательской лаборатории боевой патологии Государственного института усовершенствования врачей МО РФ была разработана физико-математическая модель механизма формирования огнестрельного ранения, основанная на фундаментальных положениях механики (рис. 19).

Рис. 19.Физико-математическая модель формирования огнестрельного ранения

Рассчитанное в процессе физико-математического моделирования основное уравнение раневой баллистики доказало, что возникающие в момент соприкосновения ранящего снаряда с тканями ударные волны представляют собой вынужденные затухающие механические колебания:

где b - коэффициент затухания волн упругой деформации; Ao - начальная амплитуда волн упругой деформации, м; ω - частота волн упругой деформации, Гц; υ - скорость распространения волн упругой деформации, м/с; t - время существования волн упругой деформации, с.

Волны упругой деформации (ВУД), регистрируемые при баллистических исследованиях, являются по своей природе аудиоколебаниями, собственная частота и скорость распространения которых в мишени-имитаторе определяются свойствами распространения звука в веществе (или композиции), из которого сделана мишень, а характер распространения зависит от выраженности торможения ранящего снаряда в веществе. ВУД нельзя путать с волнами упругого напряжения (или сжатия), которые напрямую связаны с давлением, возникающим во временной пульсирующей полости. Тем не менее по величине и динамике изменения ВУД расчетным путем можно судить о количестве кинетической энергии, переданной на единицу площади раневого канала. Поэтому в описании механизма повреждающего действия ранящего снаряда используются абсолютные величины и физические характеристики ВУД, регистрируемые баллистическими установками. Их амплитуда уменьшается с течением времени тем быстрее, чем больше коэффициент затухания среды, в которой они распространяются.

Для описания поражающего действия огнестрельного ранящего снаряда в настоящее время используется понятие «сфера поражения» (рис. 20).

Рис. 20.Структура сферы поражения, создаваемая огнестрельным снарядом в объекте. R1 - радиус сферы поражения; R2 - радиус временной пульсирующей полости; R3 - радиус зоны первичного некроза; R4 - радиус зоны молекулярного сотрясения

Сфера поражения - это временное патологическое образование, создаваемое высокоскоростным огнестрельным ранящим снарядом в объекте, включающее в себя временную пульсирующую полость, зону первичного некроза и зону молекулярного сотрясения. Наружная граница сферы поражения - это воображаемая линия, отделяющая здоровые ткани от тканей, поврежденных огнестрельным ранящим снарядом.

В биологических тканях в момент выстрела объем временной пульсирующей полости (R2) равен 2/3 объема сферы поражения (R1), причем после выстрела величина радиуса зоны первичного некроза (R3) приблизительно будет равна величине радиуса зоны молекулярного сотрясения (R4), а в сумме они дадут радиус сферы поражения (R1).

Размеры зоны первичного некроза определяются характером торможения ранящего снаряда в тканях, зависящим от момента инерции, что приводит к изменению величины и характера его прецессионно-нутационных колебаний, которое проявляется в резком изменении траектории движения снаряда.

Размер сферы поражения зависит от размеров временной пульсирующей полости. В пластичном веществе мишени-имитатора (баллистический пластилин, петролатум) после выстрела размеры остаточной полости будут соответствовать размерам внутренней пульсирующей полосы. Поэтому для комплексной оценки тяжести механического повреждения, вызванного ранящим снарядом или пулей, важно знать объем сферы поражения или объем временной пульсирующей полости, которые не только определяют состояние пострадавшего в данный момент времени, но и позволяют прогнозировать течение и исход повреждения.

Кинетическая энергия снаряда, затрачиваемая на повреждение тканей, определяется уравнением:

где М - вес снаряда, кгхм/с²; υ_ι - скорость снаряда в момент контакта с объектом, м/с; υ₂ - скорость за пределами объекта, м/с; g - ускорение силы тяжести, м/с².

Объем сферы поражения (временная пульсирующая полость + зона молекулярного сотрясения + зона первичного некроза) рассчитывается по уравнению:

В табл. 2 приведены критические величины радиуса и объема сферы поражения (V).

Таблица 2.Критические величины радиуса и объема сферы поражения

Радиус сферы поражения, см V <, м³ Степень тяжести поражения

2 0,0001 Легкая

4 0,0005 Средняя

8 0,0022 Тяжелая

>8 >0,0022 Крайне тяжелая

Можно заключить, что повреждающее действие огнестрельного оружия определяется следующими факторами:

• непосредственным повреждающим действием ранящего снаряда (пули);

• повреждающим действием комбинации ВУД, возникающей при торможении ранящего снаряда в тканях.

При этом выделяют три этапа формирования огнестрельного ранения, которые соответствуют фазам движения ранящего снаряда (пули) в тканях (табл. 3).

Таблица 3.Этапы формирования огнестрельного ранения

Этап Содержание Фаза Название Повреждающие факторы

I Прямолинейное движение ранящего снаряда Первая Пробивания Пуля + ВУД I

II Изменение траектории движения ранящего снаряда Вторая Торможения Пуля + ВУД II

III Образование сферы поражения Третья Пульсирования ВУД III

Первая фаза начинает свое действие в момент соприкосновения пули с поверхностью тела. Вследствие торможения возникает резкое скачкообразное возрастание избыточного давления, достигающее до 1х10⁶ Па.

Травмирующий эффект в фазу пробивания зависит главным образом от скорости нарастания и максимума создаваемого пулей избыточного давления, в ходе которого в тканях со скоростью 1450 м/с начинают распространяться волны упругой деформации первого порядка (ВУД I).

На II этапе формирования огнестрельного ранения действует фаза торможения. Она возникает после прохождения пулей в объекте расстояния около 10-13 см. Скорость ее движения снижается. Вследствие этого до критической величины возрастает величина прецессионно-нутационных колебаний, что приводит к изменению траектории движения ранящего снаряда, резкому торможению и возникновению волн упругой деформации второго порядка (ВУД II).

После вылета пули из объекта наступает III этап формирования огнестрельного ранения, соответствующий фазе пульсирования. Он заключается в том, что ВУД I и ВУД II вступают в активное взаимодействие друг с другом (интерференция, рефракция и отражение) и вызывают явления резонанса в тканях, что приводит к образованию волн упругой деформации третьего порядка (ВУД III). ВУД III обычно имеют самую высокую амплитуду (до 3х10⁶ Па) и представляют собой вынужденные, гармонические, механические, затухающие колебания с длительностью существования до 1,3 мс (рис. 21, 22).