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Altersabhängige Anpassung von Menschmodellen für die passive Fahrzeugsicherheit
BASt-Bericht F 101
Anja Wagner, Rommel Segura, Julia Mühlbauer, Therese Fuchs, Steffen Peldschus, Ludwig-Maximilians-Universität, Arbeitsgruppe Biomechanik des Instituts für Rechtsmedizin
Dirk Freßmann, DYNAmore Gesellschaft für FEM Ingenieurdienstleistungen mbH
113 Seiten
Erscheinungsjahr: 2015
Preis: 19,00 €
Bestellung eines gedruckten Exemplars beim Carl Schünemann Verlag GmbH
Dieser Bericht steht auch kostenfrei im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines numerischen Modells des menschlichen knöchernen Thorax, das insbesondere altersabhängige geometrische Faktoren berücksichtigt. Dieses Modell soll sowohl die männliche als auch die weibliche Population der über 64-Jährigen repräsentieren und eine an diese Altersgruppe angepasste Verletzungssimulation ermöglichen. Die vorliegende Studie identifiziert zunächst anhand eines Kollektivs aus 126 postmortem und 40 klinischen computertomografischen Schnittbildaufnahmen eine ganze Reihe geometrischer Parameter, die sich mit dem Alter verändern. Zu den untersuchten Parametern gehören Winkel der Rippen im Raum und innerhalb des Rippenbogens, eine detaillierte Erfassung von Parametern der einzelnen Rippe (Querschnittsfläche, Krümmung, Longitudinale Verdrillung), Parameter der Wirbelsäule als Ganzes (Skoliose, Kyphose, Rotation) und einzelner Wirbel des Brustbeins. Weiterhin wurden die Grundmaße des ganzen Thorax (Thoraxtiefe, Thoraxbreite) untersucht. Die hier gefundenen Altersabhängigkeiten dienten als Eingabeparameter zur Erstellung von insgesamt neun aus dem Menschmodell THUMS 3 gemorphter alter und junger Finite-Elemente-Thoraxmodelle. Implementiert wurden hierbei sowohl Durchschnittsmaße als auch extreme Maße.
Die Ergebnisse zeigen mehrere sich im Alter signifikant verändernde Parameter. Als wichtigste unter ihnen sind eine Zunahme der Thoraxtiefe und Thoraxbreite im Alter, die signifikante Veränderung einiger Rippenwinkel im Raum sowie der Krümmung der sechsten und siebten Rippe zu nennen. Zudem wird die Wirbelsäulenform kyphotischer und das Sternum am Übergang zwischen Manubrium und Corpus sternii gewinkelter. Die Menschmodelle THUMS 3, THUMS 4 und HUMOS 2 sind weder als typisch alt noch typisch jung einzuordnen, dies unterscheidet sich teils von Parameter zu Parameter. Die auf Basis der Geometrie-Inputdaten durchgeführten Finite-Elemente-Simulationen zeigen einen deutlichen Einfluss der zunehmenden Thoraxtiefe im Alter auf die posteriore Kraft an der Auflagefläche der Rippen sowie die Spannungsverteilung entlang der Rippen. Sie wirkt sich jedoch entgegen den Erwartungen protektiv aus und dominiert andere Faktoren wie die unterschiedlichen Rippenwinkel. Abschließend wird ein Menschmodell betrachtet, welches das 75. Perzentil der alten Bevölkerung repräsentiert, als ausreichend aussagekräftig hinsichtlich der im Alter veränderten Geometrie klassifiziert und gleichzeitig als mit angemessenem Aufwand realisierbar angesehen wird. Es wird daher für die Bewertung von Sicherheitssystemen empfohlen.
Age-related adaptation of human body models for passive vehicle safety
The objective of this study was the development of a numeric model of the human bony thorax, considering especially age related geometric factors. This model should represent both the male and female population aged 64 years and beyond. It should also enable the simulation of injury mechanisms adjusted for this age group. Initially, the present study identifies a whole series of geometric parameters that change with advancing age, based on 146 post mortem and 40 clinical computed tomography image series. It evaluates rib angles in relation to the surrounding space and within the rib cage, presents a detailed caption of parameters of a single rib (cross sectional area, curvature, longitudinal twist), parameters of the spine as a whole (scoliosis, kyphosis, rotation) as well as single vertebrae and the sternum. Furthermore, this study investigates the basic measures of the whole thorax (thoraxdepth and width). The age dependent differences found served as input parameters in order to morph nine young and old Finite- Element thorax models, based on the human model THUMS 3. Here, average and extreme measurements were implemented.
The results show several parameters that change significantly with advancing age. The most important are an increasing thorax depth and width and curvature of the sixth and seventh rib and a significant change of rib angles. Moreover, the spine becomes more kyphotic and the sternum more flexed in the sagittal plane. The human models THUMS 3, THUMS 4 and HUMOS 2 can neither be classified typically old nor young. The Finite- Element simulations, run on basis of the geometric input parameters, present a significant influence of the increasing thorax depth with advancing age on the posterior force on the contact face of the ribs as well as on the stress distribution along the ribs. Against expectations, an increased thorax depth seems to have a protective effect and dominates other factors like differing rib angles. A human model which represents the 75th percentile of the old population was classified to be significant regarding changing geometry with advancing age. The geometry of a 75th percentile thorax of the old population was implemented into a THUMS 3 human model and validated. The study proposes the use of this model for future assessments of safety systems.