Experimental simulation in the modern wound ballistics

Full Text

Механизм образования огнестрельного повреж- дения является сложным процессом взаимодействия факторов выстрела с тканями живого организма. Изучением особенностей этого взаимодействия занимается раневая баллистика (РБ), которая сформировалась как частный раздел терминальной баллистики. Раневая баллистика опирается в своих исследова- ниях на комплекс физико-технических и медицинских дисциплин и развивается под влиянием практических запросов военно-полевой хирургии, криминалистики и судебной медицины [9, 10, 15]. В настоящее время для моделирования процес- сов, происходящих при огнестрельном ранении, и изучения повреждений, возникающих от действия повреждающих факторов взрыва и выстрела, при- меняется принцип натурного моделирования с ис- пользованием в качестве имитаторов объектов как биологической, так и небиологической природы. К первой группе можно отнести различные имитаторы тканей организма человека - мыльные и желатиновые блоки, деревянные доски, листы железа, различные виды тканей одежды и прочее. Вторая группа включает в себя объекты биологического происхождения. Это прежде всего биоманекены - трупы людей и их отдельные части, а также биообъекты - различные виды млекопитающих животных [2, 4, 6, 7, 13]. По мнению большинства авторов, выбор опти- мального объекта для проведения баллистического эксперимента должен в первую очередь диктоваться принципом его максимальной близости по совокупно- сти физических свойств к организму живого человека [6, 10, 15]. Несомненно, что теоретически в данном аспекте преимущество имеют опыты со стрельбой по живот- ным или трупам. Однако в процессе развития РБ как науки выявился и ряд объективных оснований для отказа от использования объектов данной группы. Эта позиция диктуется не только этическими сооб- ражениями, но и требованием воспроизводимости результатов исследований при выполнении пред- писанных методических условий проведения экспе- риментов, что обусловлено сложностью строения и неоднородностью анатомических структур организма человека и подопытных животных. В данном отноше- нии имитаторы небиологической природы состоят из материалов, имеющих определенные качественные и количественные характеристики, тогда как любая биологическая модель индивидуальна и в той или иной степени всегда отличается по статусу питания, 144 2 (62) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Экспериментальные исследования массе, расположению и размерам внутренних орга- нов, толщине подкожно-жировой клетчатки, развитию мышечной ткани, прочности костей и т. д. Поэтому с применением таких моделей никакой речи о до- статочной степени воспроизводимости результатов испытаний, обеспечении принципа единства методов измерений и контроля быть не может [4, 8, 14, 16]. С точки зрения требований РБ, имитаторы - это материалы, которые при воздействии поражающих факторов различных видов оружия обладают такими же или близкими свойствами (эластичность, поглоще- ние энергии, сопротивляемость, плотность и т. д.), как живые ткани. В настоящее время для создания имита- торов используется целый ряд различных материалов (пищевой желатин, глицериновое мыло, продукты перегонки нефти - петролатум и баллистический гель), каждый из которых имеет индивидуальную цен- ность при проведении разных типов экспериментов. Желатиновые блоки (ЖБ), содержащие, как пра- вило, 20% желатина и 80% воды, являются средой с выраженными эластическими свойствами, поэтому после прохождения ранящего снаряда (РС) в них об- разуется временная пульсирующая полость (ВПП), которая, как в живых тканях, после нескольких за- тухающих пульсаций исчезает, оставляя после себя постоянный раневой (пулевой) канал. В ЖБ ВПП регистрируется с помощью импульсной рентгеногра- фии или скоростной киносъемки. Для изготовления ЖБ используют фотожелатин или пищевой желатин. Отечественная методика изготовления ЖБ является многоэтапным процессом, включающим проверку исходного сырья, подбор концентрации желатина для обеспечения требуемой плотности (1,04-1,06 г/см3), проведение пробной варки с определением вязкости и плотности, рабочую варку и разлив в матрицы тре- буемых размеров. Желатин застывает и затвердевает при комнатной температуре в течение не менее 12 ч и после извлечения из матрицы блоки маркируются и заворачиваются в мягкую фольгу, чтобы избежать испарения воды. Блоки хранятся при температуре 18оС не более 2-3 суток. Допускается однократная переварка блоков. Рекомендуется добавление в желатиновый гель бактерицидных препаратов для предотвращения гниения. Несмотря на короткий срок хранения и необходимость применения сложного технического оборудования, желатиновые блоки эф- фективно используются не только для изучения осо- бенностей огнестрельных ранений, но и для оценки тяжести заброневой тупой травмы при непробитии бронежилета [9, 16]. Мыльные блоки (МБ) изготавливаются из гли- церинового мыла, обладающего преимущественно свойствами пластического материала, поэтому в нем при прохождении РС происходит практически только первоначальное расширение временной полости без её последующего сокращения, а возникающий в нём пулевой канал только незначительно подвергается обратному развитию. Тем самым получается прямое изображение остаточной полости (ОП), объём которой может быть измерен различными способами. Оценочным критерием повреждающего действия РС, как и в опытах с другими имитаторами, является объём ОП пулевого канала. Физические свойства мыла изменя- ются очень медленно в процессе хранения, поэтому в период от нескольких месяцев - до одного года можно его применять для опытов без ущерба для достовер- ности результатов. Поведение пули (ход движения, деформации, фрагментации) при этом не претер- певает существенных изменений. Преимуществами глицеринового мыла считаются длительность сроков хранения и простота регистрации ОП после ранения. Вышеуказанные свойства баллистического мыла (прозрачность, пластичность) позволили изучить не только результат (повреждение), но и процесс взаи- модействия огнестрельного снаряда с поражаемым объектом методами высокоскоростной киносъёмки и импульсной рентгенографии [4, 7, 9, 15]. Мишени на основе петролатума («мишень П.В. Панкратова») состоят из смеси петролатума (75%) и парафина (25%). Петролатум (от ср.-век. лат. petroleum - нефть) - смесь парафина, церезина и масла (7-38%), получаемая при депарафинизации остаточных нефтяных масел сернокислотной или селективной очистки. Особым свойством материала данного имитатора является возможность сопоста- вить не только размеры пулевых каналов, входных и выходных отверстий, но и сравнивать зоны бокового действия пуль. На основе данного имитатора была разработана методика оценки повреждающего дей- ствия пуль без использования биологических объ- ектов. Основным недостатком данного имитатора является его высокая чувствительность к инсоляции и температуре окружающей среды и невозможность воспроизведения основных физических параметров, присущих живым тканям, - плотности, вязкости, проч- ности и др. [7, 10]. Пластилин (скульптурная глина) также нашел до- статочно широкое применение в качестве имитатора в методиках, посвященных как изучению поврежда- ющего действия боеприпасов, так и оценке заброне- вого ударного воздействия. Основным недостатком данного материала является то, что он обладает более высокой плотностью и не обладает упруго- эластическими свойствами, свойственными мягким тканям человека. По имеющимся данным, плотность пластилина составляет 1,4-1,6 г/см3, в то время как плотность мягких тканей человека находится в преде- лах от 1,02 до 1,04 г/см3 [9, 10, 15]. В зарубежных методиках в качестве имитаторов широко применяются также блоки из баллистического геля, изготавливаемого из особого синтетического материала (Ballistic Gel). По мнению B. Kneubuehl et al. [15], к положительным сторонам данного матери- ала можно отнести его прозрачность, эластичность и устойчивость к влиянию факторов внешней среды. Однако блоки-мишени из синтетического геля явля- ются достаточно дорогими, что тормозит их распро- странение в отечественных исследованиях. Хотя вышеупомянутые свойства «небиологиче- ских» имитаторов обеспечивают возможность (при ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 2 (62) - 2018 145 Экспериментальные исследования проведении испытаний стрельбой) получения доста- точно полной характеристики повреждающего дей- ствия боеприпасов, именно их гомогенность не позво- ляет изучить механизм и последствия огнестрельного ранения для живого организма. Для решения данного вопроса в опытах используются экспериментальные животные с последующей экстраполяцией полученных данных на человека [1, 3, 5, 11]. Вопрос о возможности проведения экспери- ментальных исследований на животных и переносе полученных данных на человека волновал учёных с древних времён. Так, автор обстоятельного сочинения «Demedicinе», состоящего из 8 книг, древнеримский патриций и врач-любитель Карнелий Цельс пришел к отрицательному ответу на этот вопрос, полагая, что насильственное принуждение и болезненность экспериментальных процедур при вивисекции не дают основания для правильной оценки функций нормального живого организма. Иной точки зрения придерживался крупнейший античный врач и ученый - Клавдий Гален (130-200 гг. н. э.), который наряду с практической врачебной деятельностью много за- нимался анатомией и физиологией человека, широ- ко используя для своих заключений вивисекцию на животных. Много позднее это дало основание для иронического замечания Андрея Везалия (1514-1564) о том, что «анатомия человека Галена - это анатомия обезьяны и собаки». Выдающийся вклад Фрэнсиса Бэкона (1561-1626), по выражению Ф. Энгельса, «истинного родоначальника опытных наук новейшего времени», а также А. Везалия, В. Гарвея (1518-1657) и других замечательных ученых-естествоиспытателей способствовал ускоренному накоплению опытных знаний и развитию наук о жизни. Среди многих ученых, открытия которых были связаны с экспериментами на животных, специального упоминания заслуживает Клод Бернар (1813-1878), который с 1860 г. являлся иностранным членом Петербургской Академии наук и которого И.П. Павлов ценил как «гениального физио- лога, объединившего в гармоничное целое физиоло- гию, патологию и терапию» [10, 12]. В настоящее время в исследованиях по боевой травме и раневой баллистике уделяется значительное внимание оценке различных подходов к эксперимен- тальному воспроизведению в лабораторных условиях реальных (или близких по характеру к боевым) огне- стрельных ранений. В истории раневой баллистики в качестве биологических объектов находили примене- ние трупы людей (биоманекены) и животных, живые лошади, телята, быки, козы, овцы, собаки и такие мелкие подопытные животные, как кошки и кролики. Однако успешное решение задач эксперимента во многом зависит от правильного выбора подопытного животного, оружия и ранящего снаряда, а также от адекватной методики постановки эксперимента. По- этому для проведения данного рода экспериментов предпочтительно использование животных, которые без излишней агрессии могут переносить все не- обходимые манипуляции, удобны для последующего наблюдения, достаточно неприхотливы в содержании и относительно недороги, таких как крупные собаки, овцы и свиньи [7, 10, 12, 18]. Для переноса экспериментальных данных с модели (имитатора) на человека необходимо соблюдение главного условия моделирования, а именно прин- ципа подобия экспериментальной модели процессу, который она должна воспроизвести. Принцип подо- бия должен реализоваться через критерии подобия: сходство морфофизиологических характеристик у человека и выбранной модели, общность метаболиз- ма веществ, единство критических органов и систем, реагирующих на то или иное воздействие, и, как следствие, воспроизводимость симптомов процесса. Поэтому в зависимости от характера и задач иссле- дования в каждом конкретном случае необходимо выбирать такую модель, которая наиболее адекватно позволит воссоздать соответствующий процесс у человека. Предпочтительным является выбор жи- вотных, наиболее близких по строению к человеку. Любое животное имеет отличительные от человека черты в анатомии, физиологии, в поведении, и чем больше этих различий, тем менее точной является попытка экстраполяции экспериментальных данных [2, 3, 6, 11, 18]. В изучении повреждающего (преимуществен- но останавливающего) действия пуль и осколков в качестве биообъектов изначально стали широко использовать лошадей и крупный рогатый скот. Оба вида имеют массивную мышечную массу, что является необходимым при моделировании длинного раневого канала. Однако опыты с использованием взрослых жи- вотных из-за их крупного размера очень трудоёмки и для их проведения необходимы специально оборудо- ванные лаборатории и обученный персонал. Лошади являются сложным объектом для проведения общей анестезии, так как из-за низкого стояния купола диа- фрагмы и тяжести внутренних органов у животных в лежачем положении происходит сдавление нижних долей легких с развитием гипоксии. Поэтому общая анестезия длительностью более 30 мин потребует применения дорогостоящей и сложной анестезио- логической аппаратуры. С другой стороны, крупный рогатый скот является жвачным животным со сложной пищеварительной системой. В бессознательном со- стоянии они склонны к регургитации и аспирации по- лужидкого содержимого рубца. У лошадей и особенно у крупного рогатого скота очень толстая и упругая кожа. К тому же они достаточно дорогостоящие и не могут быть широко использованы в качестве имита- торов человеческого тела [11, 12]. Некоторые виды мелкого рогатого скота, а имен- но крупные породы коз и овец, ввиду сопоставимо- сти с человеком по размерам и близости строения кожи, также активно используются в опытах по РБ. Для выполнения анестезии у этих животных вполне применимы аппаратура и медикаменты, используе- мые в медицине. Однако помехой для их успешного применения в экспериментах может стать развитый шерстный покров, а также выраженное отличие в то- пографии внутренних органов [4, 18]. 146 2 (62) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Экспериментальные исследования Собаки на протяжении многих лет являлись жи- вотными выбора для экспериментальной хирургии. Они демонстрируют чрезвычайно широкие различия по размеру и телосложению. Масса тела различных пород может варьировать в пределах от 1 до 90 кг. Со- баки хорошо подходят для проведения экспериментов в стандартных лабораторных условиях: в основном они достаточно послушны и легко дрессируются для послеоперационного лечения, контроля и на- блюдения. Периферические артерии и вены у собак хорошо доступны через кожу для пункций и инъекций. Можно успешно применять обычные методы общей анестезии, используемые у человека, и стандартное оборудование, такое как эндотрахеальные трубки и аппараты искусственной вентиляции лёгких. Однако существуют определенные недостатки, связанные с использованием собак для моделирования огне- стрельной раны. Если требуется большая мышечная масса, то должны использоваться очень крупные со- баки весом более 40 кг. Кожа собаки обычно покрыта густым шерстяным покровом и, хотя она эластичная и довольно тонкая, очень слабо связана с подлежа- щими тканями. Она всегда разрывается на большой площади, даже при незначительных травматических повреждениях с образованием глубоких карманов [10, 11, 18]. Мировая практика изучения проблем РБ доказала, что из всех известных животных наиболее близкими к органам и тканям человека по целому ряду мор- фофункциональных (в том числе и биохимических) свойств являются органы и ткани свиньи. Некоторые работы иностранных авторов выполнены именно с использованием этой биологической модели [26, 27]. Сходство в строении органов животных с человеком может в некоторых отношениях быть довольно порази- тельным, что используется в экспериментальной хи- рургии, особенно для изучения сердечно-сосудистых заболеваний и в исследованиях по трансплантации органов. Многие специалисты по РБ также применяли в своих исследованиях именно свиней в качестве био- объектов. Свиньи достаточно легко привыкают к жизни в лабораторных условиях, но в отличие от собак с ними всегда будут возникать некоторые сложности даже при выполнении самых простых процедур, таких как забор крови или внутривенное введение препаратов. Периферические вены у свиней легко доступны только на наружной поверхности ушной раковины. Свиньи являются хорошими объектами для всех видов общей анестезии. Однако из-за воронкообразной полости рта, расположения гортани и трахеи под углом и того факта, что свиньи склонны к развитию спазма гортани, интубация трахеи может быть довольно сложной и тре- бует специальной подготовки. Как уже упоминалось ранее, довольно легко получить достаточно длинные раневые каналы даже у свиней средних размеров. Кожа у наиболее распространенных пород непигмен- тирована и имеет относительно тонкий волосяной покров. Это значительно облегчает демонстрацию типичных кожных изменений огнестрельных ран и дает детальную оценку наружных отверстий раневого канала (входного и выходного). Таким образом, несмотря на некоторые недостатки, такие как большие размеры взрослых животных и отсутствие легко катетеризируе- мых кровеносных сосудов, свиньи, по мнению многих ученых, являются наиболее подходящим эксперимен- тальным животным для изучения РБ. Они имеют много преимуществ перед собаками и во всех отношениях превосходят мелких жвачных животных, лошадей и крупный рогатый скот [1, 5, 10, 15, 18]. Наиболее спорным и резонансным является во- прос о необходимости использования в эксперимен- тах по РБ трупов людей и их частей. Несмотря на то, что теоретически трупный материал морфологически является наиболее близким к живому человеку, ис- пользование его как модели для изучения процессов, происходящих в человеческом теле, должно происхо- дить с соблюдением некоторых правил. Прежде всего, у трупов в зависимости от сроков после смерти до- статочно сильно изменяются механические свойства тканей, поэтому необходимо использовать только све- жие трупы. Возможно применение отдельных частей трупов, в частности - конечностей, для экспериментов на мягких тканях (мышцах, жире, печени и т. д.). При этом важна температура, при которой проводятся ис- следования - температура должна быть не ниже точки замерзания. Если на трупах проводятся какие-либо измерения, например, глубины проникновения круп- ных пуль, то следует учитывать, что эти результаты могут несколько отличаться от таковых повреждений у живых лиц. Также очевидно, что с помощью трупного материала невозможно изучение физиологических реакций, возникающих при ранениях [2, 10, 17]. Общепризнано, что исследования с использова- нием экспериментальных животных должны прово- диться с соблюдением определенных нравственных норм. Требование этичности эксперимента стало обязательным условием проведения экспериментов на животных во всех странах мира. В 1985 г. Советом международных медицинских научных организаций (СММНО) был опубликован «Этический кодекс», который содержит «междуна- родные рекомендации по проведению медико-биоло- гических исследований с использованием животных». В этическом кодексе сформулированы приемлемые для научных работников и для общественных групп защитников животных теоретические принципы и этические правила, которые могут быть приняты за основу при разработке регламентирующих мер и нормативных документов в разных странах мира в отношении использования животных для биомеди- цинских исследований. Рекомендации составлены на основе следующих положений. Каждый исследователь должен помнить, что на нем лежит ответственность за общее состояние экс- периментальных животных. Они должны содержаться в хороших условиях, получать достаточное количество нужного корма и обслуживаться квалифицированны- ми специалистами. При планировании экспериментов вначале нужно четко определить, действительно ли необходимы эти опыты на животных. Требуется тща- ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 2 (62) - 2018 147 Экспериментальные исследования тельное изучение литературы, чтобы определить, не сделано ли это другими исследователями [3, 11, 12, 16, 17]. Существуют методы сравнительной оценки важно- сти проекта и тех страданий, которые при выполнении его будут испытывать животные, позволяющие ска- зать, насколько оправдан проект (полностью, частично или вовсе не оправдан). В 1959 г. английские иссле- дователи Рассел и Берч предложили концепцию «трех R» («The three Rs»), которой следует придерживаться при проведении экспериментов на животных. Она включает три составляющие: гер1асеment - замена, reduction - уменьшение и refinement - повышение качества [17]. Принцип замены подразумевает, что по возмож- ности необходимо заменять животных другими мо- делями и приемами, например культурами клеток тканей или математическими моделями; вместо млекопитающих использовать животных с менее раз- витой нервной системой, а вместо живых животных - изолированные органы. Принцип уменьшения требует, чтобы при отсут- ствии возможности заменить животных в болезненных экспериментах иными моделями эксперимент был по- строен с использованием минимального количества животных. Этого можно достигнуть путем правильного планирования эксперимента и использования здоро- вых животных нужного стандарта по экологическому и генетическому статусам. Третий принцип - повышения качества - пред- полагает, что страдания животных будут меньше, если в работе применяется высококачественная хи- рургическая техника и если операции выполняются опытными специалистами с использованием нужной анестезии, анальгезии и обеспечением хорошего ухо- да за животными в период до и после хирургических вмешательств. Выводить из эксперимента животных следует специальными безболезненными методами, чтобы минимизировать их страдания. Следует отметить, что часто все три правила «R» связывают с термином «альтернативы», а не только первое правило, рекомендующее заменять болезнен- ные эксперименты на животных другими методами. В Российской Федерации (РФ) для регулирования и контроля отношений «человек - эксперимент», «жи- вотное - эксперимент» созданы специализированные этические комитеты, на которые возложена функция рассмотрения проблем этики и морали, касающихся исследований с привлечением людей и животных, главным образом в тех ситуациях, которые не описаны или нечетко описаны в законе. При этом ни прямое нарушение закона, ни общечеловеческие вопросы и проблемы морали не являются предметом для об- суждения этическим комитетом, так как он является рекомендательным и консультативным органом. Современные международные стандарты про- ведения и представления результатов исследова- тельских проектов с участием людей и животных в качестве обязательного требования включают экс- пертизу исследования в этическом комитете, имеющем международную аккредитацию. Например, в Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова (Санкт-Петербург) существует независимый комитет по этике. Он является общественным объединением, которое своей основной целью провозглашает защиту прав, психического и физического здоровья людей, порядок использования лабораторных животных при проведении биомедицинских исследований с участи- ем человека и (или) лабораторных животных. В настоящее время в российском законодатель- стве использование лабораторных (эксперимен- тальных) животных регламентировано достаточно большим перечнем правовых актов и норм, таких как статья 245 Уголовного кодекса РФ «Жестокое обра- щение с животными»; «Правила проведения работ с использованием экспериментальных животных», утв. приказом Министерства здравоохранения Союза Со- ветских Социалистических Республик (СССР) № 755 от 12.08.1977 г.; «Правила по обращению, содержанию, обезболиванию и умерщвлению экспериментальных животных», утв. Министром здравоохранения Россий- ской Социалистической Федеративной Советской Ре- спублики в 1977 году; «Правила проведения научных исследований с использованием экспериментальных животных» (Распоряжение Президиума Академии наук СССР № 120002496 от 02.04.1980 г.); Приказ № 742 от 13.11.1984. «Об утверждении Правил проведения ра- бот с использованием экспериментальных животных»; закон Российской Федерации «О ветеринарии» № 4979-1 от 14.05.1993 г.; «Правила проведения научных качественных клинических испытаний в Российской Федерации», утвержденные Министерством здраво- охранения РФ 29.12.1998 г.; «Рекомендации комитета по этике, проводящего экспертизу биомедицинских исследований» (Всемирной организации здравоох- ранения, 2000 г.) и др. Но, несмотря на это, приходится с сожалением констатировать, что многие исследователи только слышали о том, что те или иные этические нормы существуют, но никогда их не читали. Россия до сих пор не имеет закона о защите животных, в нашей стране отсутствует лицензирование работ с экспе- риментальными животными, и государство не может эффективно влиять на учреждения, в которых на- рушаются этические и правовые нормы проведения работ с экспериментальными животными. В допол- нение к этому в нашей стране в учебных заведениях биомедицинского и ветеринарного профиля крайне мало внимания уделяется преподаванию биоэтики и этики эксперимента на животных, что делает уровень этической подготовки выпускников не вполне соот- ветствующим общемировым стандартам [10, 11, 12]. Таким образом, в настоящее время в исследова- ниях, посвященных изучению РБ боеприпасов огне- стрельного оружия, широко применяется метод экс- периментального моделирования с использованием имитаторов различного происхождения. Несмотря на довольно обширный перечень имеющихся в арсенале исследователей материалов небиологического про- исхождения, полностью отказаться от использования 148 2 (62) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Экспериментальные исследования лабораторных животных и трупного материала на дан- ном этапе развития науки по целому ряду причин не представляется возможным. Однако использование биообъектов в экспериментальных исследованиях должно проводиться с обязательным соблюдением определенных норм этического и правого характера.

About the authors

A V Denisov

Email: denav80@mail.ru

A V Anisin

S M Logatkin

K N Demchenko

L B Ozeretskovsky

References

Supplementary files