Modellierung von Körperteilen zur Analyse von Insassenbelastung im Verkehrsunfall

Im gegenständlichen Projekt erfolgt die Modellierung von menschlichen Körperstrukturen, insbesondere der Kopf- und Nackenregion, auf welchen bei Fahrzeugkollisionen Bewegungen und Kräfte einwirken. Die wichtigsten Projektziele betreffen die Messungen von biomechanischen Eigenschaften von Weichteilen (Bänder, Sehnen, etc.) im Halsbereich; Entwicklung und Umsetzung eines Finiten Elementen (FE) Modells der Hals-Kopfregion; Durchführung von Schlittentests zur Validierung des FE-Hals-Modells; Integration des FE-Hals-Modells in ein bestehendes Starr-Körper-Dynamik-Modell des menschlichen Körpers. In einem ersten Schritt werden Zugversuche mit Weichteilen des Halses durchgeführt. Das Hauptziel dieser Tests ist die Bestimmung von biomechanischen Materialeigenschaften auf Grund von Spannungs-Dehnungs-Kurven wie beispielsweise nichtlineare Kennlinien, Elastizitätsmodul, Streckgrenze und viskoelastischen Eigenschaften von Weichteilen, etc. Außerdem wird die Auswirkung von Belastungsgeschwindigkeiten und das Alter der Spender auf das biomechanische Verhalten der Weichteile analysiert. Die Tests werden auf einem eigens dafür gebauten Prüfstand und unter physiologischen Bedingungen durchgeführt. Durch eine Probenmatrix unterschiedlicher Parameter (Alter, Größe, Gewicht, etc.) soll eine statistische Auswertung der Ergebnisse ermöglicht werden. Die ermittelten biomechanischen Eigenschaften der Proben werden in ein FE-Modell des Halses implementiert. Das Hals-Modell, welches den oberen Brustkorb und Kopf umfasst wird so aufgebaut, dass eine Skalierung der biomechanischen Materialeigenschaften an spezifische Parameter wie der Körper-Konstitution, Alter und Geschlecht möglich ist. Für die weitere Validierung des FE-Hals-Modells werden Schlittentests zur kinematischen Analyse des Halses durchgeführt. Dabei werden auf Grund von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen Bewegungsabläufe des Halses und Kopfes analysiert. Es werden unterschiedliche Belastungssituationen getestet, welche Frontal- bzw. Heckkollisionen entsprechen. Nachdem das FE-Hals-Modell validiert wurde, wird dieses mit einem bestehenden Starr-Körper-Dynamik-Modell gekoppelt, um die Qualität zu Aussagen hinsichtlich des dynamischen Verhaltens eines Fahrzeuginsassen unter Kollisionsbedingungen zu verbessern.

Etwa 90 Millionen Menschen weltweit erleiden jährlich eine Verletzung der Halswirbelsäule. Zu etwa zwei Drittel der Fälle sind Personen in Fahrzeugen betroffen. Weitere 10% betreffen Sportverletzungen. Die Halswirbelsäule ist ein komplexer anatomischer Bereich. Die Hauptfunktion ist hierbei den Kopf zu stützen und den Wirbelkanal zu schützen. Bei Verkehrsunfällen im niedrigen Geschwindigkeitsbereich ist die Halswirbelsäule besonders betroffen. Hierbei treten sogenannte Whiplash-Verletzungen auf. Von der Verletzungsschwere her wären diese unter AIS1-2 zu klassifizieren. Unabhängig von der geringen Verletzungsschwere können derartige Verletzungen Langzeitfolgen verursachen. Im gegenständlichen Projekt erfolgte die Modellierung der menschlichen Nackenregion, auf welchen bei Fahrzeugkollisionen Bewegungen und Kräfte einwirken. Die wichtigsten Projektziele betrafen die Messungen von biomechanischen Eigenschaften von Weichteilen (Bänder, Sehnen, etc.) im Halsbereich; Entwicklung und Umsetzung eines Finiten Elementen (FE) Modells der Hals-Kopfregion; Durchführung von Schlittentests zur Validierung des FE-Hals-Modells; Integration des FE-Hals-Modells in ein bestehendes Starr-Körper-Dynamik-Modell des menschlichen Körpers.In einem ersten Schritt wurden Zugversuche mit Weichteilen des Halses durchgeführt. Das Hauptziel dieser Tests war die Bestimmung von biomechanischen Materialeigenschaften auf Grund von Spannungs-Dehnungs-Kurven wie beispielsweise nichtlineare Kennlinien, Elastizitätsmodul, Streckgrenze und viskoelastischen Eigenschaften von Weichteilen, etc. Außerdem wurden die Auswirkung von Belastungsgeschwindigkeiten und das Alter der Spender auf das biomechanische Verhalten der Weichteile analysiert. Die Tests wurden auf einem eigens dafür gebauten Prüfstand und unter physiologischen Bedingungen durchgeführt. Durch eine Probenmatrix unterschiedlicher Parameter (Alter, Größe, Gewicht, etc.) erfolgte eine statistische Auswertung der Ergebnisse.Die ermittelten biomechanischen Eigenschaften der Proben wurden in ein FE-Modell des Halses implementiert. Das Hals-Modell, welches den oberen Brustkorb und Kopf umfasst wurde so aufgebaut, dass eine Skalierung der biomechanischen Materialeigenschaften an spezifische Parameter wie der Körper-Konstitution, Alter und Geschlecht möglich ist.Für die weitere Validierung des FE-Hals-Modells wurden Schlittentests zur kinematischen Analyse der Halsbewegung durchgeführt. Dabei wurden auf Grund von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen Bewegungsabläufe des Halses und Kopfes analysiert. Es wurden unterschiedliche Belastungssituationen getestet, welche Heckkollisionen entsprachen. Nachdem das FE-Hals-Modell validiert wurde, wurde dieses mit einem bestehenden Starr-Körper-Dynamik-Modell gekoppelt, um die Qualität zu Aussagen hinsichtlich des dynamischen Verhaltens eines Fahrzeuginsassen unter Kollisionsbedingungen zu verbessern.