Dimitrios Kallieris
Docente all’Istituto di Medicina Legale dell’Università di Heidelberg
REAZIONI DELLA COLONNA CERVICALE E CARATTERISTICHE DEL DANNO NEGLI INCIDENTI STRADALI
I risultati dei crash test sui cadaveri, effettuati ad Heidelberg per individuare una correlazione fra incidente automobilistico e lesioni dell'insieme testa collo.
E' stata effettuata un'analisi cinematica dell'insieme testa collo in 37 incidenti stradali simulati, allo scopo di studiare le correlazioni tra risposta del collo ed entità del trauma.
Sono stati impiegati per questo cadaveri umani, di età compresa tra i 18 ed i 74 anni, sistemati sul sedile anteriore e posteriore.
I dati analizzati si riferiscono a 23 collisioni frontali, con una velocità di impatto di 30, 50, 60 Km/h e 14 collisioni fronto-laterali a 90° con passeggeri sistemati sul sedile anteriore o sul sedile posteriore sul lato opposto all'urto; il torace dei passeggeri era vincolato da cintura trasversale con punto di ancoraggio superiore. L'angolo di inclinazione della testa dipende dal tipo di collisione. Nelle collisioni frontali la media delle inclinazioni massime della testa ammontava a 79 gradi; la media delle velocità angolari massime e delle accelerazioni angolari massime corrispondeva a 41 rad/sec e 2208 rad/sec 2 ; la media delle velocità massime nella traiettoria della testa di 10 m/s; la media delle massime accelerazioni lungo il percorso era 23 g.
Con la stessa velocità di collisione di 50 Km/h nello scontro laterale a 90° sono stati osservati valori medi dell'angolo di massima inclinazione della testa più alti nei passeggeri seduti anteriormente sul lato vicino all'urto (62°) rispetto a quelli seduti sul lato opposto all'urto del sedile posteriore (57°).
La velocità angolare massima e la accelerazione angolare massima ammontavano in media rispettivamente per i passeggeri più vicini a 43 rad/s e 2287 rad/sec/2; la media delle velocità massime nella traiettoria della testa era di 8 m/s; la media delle accelerazioni massime lungo il percorso era 33g. Per i passeggeri sistemati sul lato opposto all'urto la media della velocità massima angolare era di 1345 rad/s, con una velocità della testa in traiettoria di 10 m/s e un'accelerazione lungo il percorso di 18 g.
Le lesioni definite come AIS 5 (AIS = Abbreviated Injury Scale) corrispondono alle emorragie; esse si verificavano già con un'accelerazione angolare di 560 rad/s2 o con un'accelerazione della testa di 13 g lungo la traiettoria, mentre la colonna cervicale rimaneva integra fino ad un'accelerazione angolare di 2470 rad/sec2 o un'accelerazione della testa di 23g. D'altro canto lesioni AIS 3 venivano osservate in seguito ad un'accelerazione angolare di 1320 rad/sec2 o un'accelerazione della testa di 22g; infine una lesione AIS 4 si verificava con accelerazione angolare di 4910 rad/sec2 o un'accelerazione di 39g.
Introduzione
Il colpo di frusta o lesione della colonna cervicale è associato alla trasmissione di forze dinamiche dirette od indirette sul sistema testa collo.
Tali danni sono provocati da una notevole escursione di tale sistema in qualsiasi direzione. Essi venivano osservati inizialmente nei tamponamenti specialmente quando i sedili non erano equipaggiati con i poggia testa. In questo tipo di scontro si verifica una iperestensione dell'insieme testa collo, con conseguente lesione cervicale.
Con la diffusione delle cinture di sicurezza a tre punti si notò che l'effetto frenante sul torace portava ad iperflessione dell'unità collo testa e secondariamente al colpo di frusta.
Nel colpo di frusta da scontro laterale, le lesioni della colonna cervicale sono il risultato di una iperflessione laterale.
Per più di venti anni furono condotte ricerche di cinematica e sulla reazione della cervice in volontari, cadaveri, modelli isolati testa collo e simulazioni matematiche (2-8, 10-17). In genere erano tests su volontari.
A seconda dell'età degli occupanti, i colpi di frusta AIS1 AIS2 possono tra gli altri portare a problemi cronici (dolore, immobilità); questo è importante dal punto di vista medico legale, per esempio per il risarcimento assicurativo.
Quindi bisogna fissare dei criteri di correlazione tra entità del trauma alla colonna e gravità dell'incidente. Un modo per esprimere la risposta della colonna è determinare l'angolo di inclinazione dell'insieme testa-collo, la velocità angolare e l'accelerazione angolare, nonchè la velocità nella traiettoria e l'accelerazione lungo la stessa della base cranica.
Gli scopi di questo studio sono:
1) cercare le correlazioni tra risposta del collo e danno conseguente alla colonna, in un gran numero di tests su cadaveri;
2) capire quali sono i limiti di tolleranza.
Complessivamente abbiamo controllato 23 scontri simulati frontali e 14 collisioni laterali, usando soggetti umani post mortem, la cui età variava dai 18 ai 74 anni. La modificazione di velocità durante l'urto era tra i 25 ed i 60 km/h, venivano impiegate cinture di sicurezza standard 3 punti, con o senza pretensionatore e cinture a sei punti. Il comportamento cinematico del collo fu studiato in dettaglio con i film ad alta velocità (1000 fotogrammi al minuto). Per i tests frontali la telecamera era installata sul lato del carrello; per le collisioni laterali era invece montata sulla parte anteriore del veicolo investitore. La fig. 1 mostra una sintesi dei vari sistemi di aggancio e le diverse condizioni dei tests. Queste ultime sono mostrate più chiaramente nelle immagini seguenti (Fig. 2 a 5).
I punti della testa e del collo, usati come riferimenti per l'analisi cinematica, sono descritti nella figura 6.
La colonna spinale, con la base cranica, fu separata dal corpo, congelata e sezionata.
Ulteriori sezioni furono condotte sul piano sagittale mediano e due su piani sagittali mediali (x -z) passanti lungo le articolazioni laterali.
La gravità delle lesioni osservate era graduata secondo la Abbreviated Injury Scale (AIS '90).
Il tipo di danno non previsto dalla AIS fu graduato in base alla nostra esperienza biomeccanica.
Risultati
La figura n. 7 mostra la frequenza assoluta e relativa delle lesioni per ciascun segmento vertebrale, in seguito a collisioni frontali e laterali.
Nelle prime la zona prevalente di lesione è la giunzione cervico-toracica; nelle seconde il segmento C2-C6.
Nei due gruppi sono stati osservati 16 tipi diversi di danno (Fig. 8). La più diffusa in entrambe le forme di collisione era l'emorragia del disco intervertebrale, seguita dalla lacerazione.
La figura 9 mostra un esempio di alterazione della colonna in seguito a scontro frontale: lacerazione del ligamento giallo tra T2 e T3; frattura del bordo inferiore anteriore di T2; piccola emorragia nel disco intervertebrale tra T2 e T3; emorragia nella parte articolare sinistra tra C1 e C2; emorragia tra la zona anteriore dell'epistrofeo e l'area posteriore dell'atlante.
La fig. 10 mostra un ulteriore esempio relativo agli scontri laterali, con un'emorragia nel disco intervertebrale dorsale C6 e C7.
Tutti i risultati, rivalutati con filmati ad alta velocità furono messi in relazione al tempo.
La figura 11 è un esempio di questo procedimento. In quel test il soggetto maschile fu legato con una cintura di sicurezza a tre punti, la velocità di collisione fu di 50 Km/h e la decelerazione media del carrello fu 5 g. Al lato sinistro della diapositiva l'angolo di inclinazione dell'insieme testa collo fu di 84° e si verificò 204 ms dopo l'impatto; il massimo valore della velocità angolare e dell'accelerazione angolare ammontava rispettivamente a 55 rad/s e 3320 rad/sec2. Il lato destro della figura illustra inoltre la conseguente dislocazione della base cranica in direzione indicata come x e z, la velocità sulla traiettoria e l'accelerazione lungo il percorso dello stesso punto della testa.
Il massimo spostamento della base cranica in direzione x e z di 63,8 cm è raggiunto circa 170 ms dopo il momento della collisione, con una velocità di traiettoria pari a 111,3 m/s e un'accelerazione dello stesso punto della testa di 29 g.
Su tali dati è stata applicata la Spearman Rank Correlation e un'analisi di regressione lineare.
La massima correlazione (r = 0,58) si è ottenuta tra AIS spinale ed accelerazione della testa.
Il rapporto tra gravità della lesione ed accelerazione della testa negli scontri frontali, con la linea di regressione e il 90% dell'intervallo di tolleranza sono illustrati nella figura 12. Il 45% dei danni alla colonna con l'accelerazione della testa seguono la regressione lineare.
Se oltre all'accelerazione si considerano anche l'età ed il peso la concordanza con la regressione lineare è del 64% La figura 13 mostra le curve di probabilità predittiva dei danni AIS alla colonna versus l'indice di influenza variabile. Per un valore "z" pari a 0, la probabilità di AIS 2 è di circa il 75%, per un AIS 0 di circa il 3%.
Discussione
L'analisi cinematica della regione testa collo fu eseguita usando films ad alta velocità in 37 tests frontali e laterali con cadaveri vincolati con cinture di sicurezza.
Furono determinati gli angoli testa-collo, la velocità angolare, l'accelerazione angolare dell'insieme testa collo, l'entità della dislocazione della base cranica sui piani "z" e "x" nei test di collisione frontale, la velocità di traiettoria della testa, l'accelerazione della testa:
tutti questi parametri furono analizzati per i due tipi di collisione.
In particolare furono analizzati alcuni parametri cinematici in relazione alla gravità della lesione, a prescindere dalle caratteristiche della cintura di sicurezza. I danni alla colonna osservati differiscono in base alla sede al tipo e gravità tra le due varianti di collisione analizzata.
In quella frontale la zona principalmente interessata era la giunzione cervico-toracica;
in quella laterale la colonna cervicale.
Lesioni importanti si sono verificate negli scontri frontali, confermando la nostra precedente esperienza. Esse possono essere evitate usando un sistema combinato di cintura a tre punti ed air bag. La gravità del danno alla colonna negli scontri laterali era minore e questo è stato confermato dalla nostra esperienza e da Bendjellal et al.
Le risposte dell'unità testa collo ed i loro risultati sono stati spesso materia di interesse.
La maggior parte dei tests precedenti venivano condotti su volontari ed erano confrontati con tests su cadaveri. Il livello di dolore rappresentava il limite di tolleranza della colonna cervicale. Meltz e Patrick usarono la linea tra i condili occipitali com punto di applicazione della forza; successivamente Bendjellal et al e Wismans considerarono anche la rotazione e l'accelerazione angolare. I nostri risultati mostrano che la AIS1 (ossia il dolore) si verificano con un angolo del collo di 58° per le collisioni frontali e 27° per quelle laterali.
Considerando che i nostri soggetti comprendevano non solo persone giovani come nei tests su volontari, ma anche individui più anziani, le nostre osservazioni non contraddicono le conclusioni di Metz e Patrick e Bendjellal et al. Anche il range delle velocità angolari e delle accelerazioni angolari osservate negli scontri frontali è laterale si accorda con i dati di Ewing et al. e Bendjellal et al.
L'angolo, la velocità angolare e l'accelerazione angolare sono grossolanamente correlati con l'entità della lesione.
Ciò è comprensibilmente dovuto alla cinematica complessa ed alla disomogenea struttura della colonna cervicale e dorsale superiore, rendendo più difficile determinare il grado di tolleranza del danno al collo.
Migliore correlazione esiste, invece, tra AIS al collo, ed accelerazione della testa lungo la traiettoria (r=0,58), piuttosto che con l'accelerazione angolare (r=0,42).
Ciò significa che l'accelerazione lungo la traiettoria ha valore predittivo più efficace rispetto all'accelerazione angolare per l'intensità della lesione AIS sul collo.
Osservazioni finali e conclusioni.
Impiegando cadaveri è possibile determinare sperimentalmente le correlazioni tra dinamica dell'incidente e lesioni.
I microtraumi come la rottura di piccoli muscoli e nervi, lievi emorragie, sintomi neurologici, alterazioni funzionali non si possono evidenziare nel cadavere; di conseguenza queste lesioni e le loro conseguenze sono sottostimate.
I tests su giovani volontari o su manichini non sono trasferibili nella realtà.
Oltre all'età, colonna cerviale sana o artrosica, anche la posizione della testa del passeggero è rilevante nel momento della collisione.
Nei tamponamenti il posizionamento della testa risulta molto importante ai fini dell'entità del danno, ma i dati sperimentali non sono automaticamente trasferibili nella realtà.
Le osservazioni su volontari nei tamponamenti posteriori hanno dato risultati diversi a seconda dei vari studiosi.
Mentre secondo Danner non si avevano traumi alla colonna per variazioni di velocità inferiori a 15 Km/h, secondo Mc Cornell una modificazione di velocità tra i 6 e gli 8 Km/h è il limite di tolleranza per lievi lesioni muscolo-scheletriche cervicali.
Ulteriori lavori sperimentali e ricerche con persone incidentate sottoposte a TAC sono necessari per meglio comprendere il problema.
