Rafa Perz
Politechnika Warszawska, Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej
METODYKA BADANIA PODATNO$CI KLATKI
PIERSIOWEJ NA OBRA'ENIA PODCZAS
ZDERZENIA CZO(OWEGO
R8kopis dostarczono, marzec 2013
Streszczenie: W trakcie zderzenia czo;owego pojazdów, klatka piersiowa cz;owieka jest jedn>
z najbardziej nara@onych na obra@enia cz8Bci cia;a. W pracy przedstawiono obecnie stosowane metody badania podatnoBci klatki piersiowej na obra@enia. Opisane sposoby s> wykorzystywane przez najbardziej zaawansowane oBrodki badwacze na Bwiecie, zajmuj>ce si8 tematyk> biomechaniki obra@eD, potwierdzaj>c ich skutecznoBF. W treBci artyku;u zawarto zwi8z;y opis testów na torze (katapulcie), testów „sto;owych”, testów komponentów oraz przedstawiono proces rozwoju i walidacji manekinów do zderzeD i modeli komputerowych cz;owieka.
S owa kluczowe: bezpieczeDstwo, klatka piersiowa, biomechanika
1. WST-P
Urazy klatki piersiowej cz;owieka s> jednym z g;ównych typów obra@eD pasa@erów pojazdów podczas zderzenia czo;owego. Badania pokazauj>, @e jest to druga po urazach g;owy przyczyna Bmierci lub powa@nych obra@eD w wypadkach drogowych [2, 4]. Problem jest szczególnie zauwa@alny u osób starszych, w wieku powy@ej 64 lat, gdzie a@ 47% ofiar Bmiertelnych wypadków zmar;o w wyniku obra@eD klatki piersiowej. Co wi8cej, a@ u 40% ofiar Bmiertelnych w wieku powy@ej 60 lat, najpowa@niejszymi obra@eniami by;y z;amane @ebra [4].
Je@eli potraktowaF cia;o ludzkie jako system, klatka piersiowa wraz z narz>dami jest drugim po g;owie elementem, którego nadmierne obci>@enie i uszkodzenie powoduje zaprzestanie poprawnego dzia;ania tego systemu. Zbadanie niezawodnoBci oraz podatnoBci klatki piersiowej na obra@enia jest jednym z kluczowych elementów potrzebnych do rozwoju bezpieczeDstwa pasa@erów pojazdów i pozosta;ych u@ytkowników dróg.
W celu zbadnia podatnoBci klatki piersiowej na obra@enia oraz wyznaczenia limituj>cych obci>@eD przeprowadza si8 ró@norodne testy z udzia;em ochotników, zw;ok ludzkich, zwierz>t oraz manekinów, a tak@e korzysta si8 z metod obliczeniowych, modeluj>c zachowanie cia;a ludzkiego przy u@yciu oprogramowania komputerowego.
Zbadanie podatnoBci klatki piersiowej na obra@enia jest bardzo z;o@onym procesem z racji ró@norodnoBci i mnogoBci mo@liwych zdarzeD podczas wypadku. Pierwszym czynnikiem jest miejsce zajmowane w samochodzie. Przeci8tny samochód ma 4-5 miejsc siedz>cych. Ka@dy pasa@er pojazdu ma przed sob> inne elementy: kierownic8, desk8 rozdzielcz>, fotel innego pasa@era. Nast8pnym czynnikiem jest fakt zapi8cia pasów bezpieczeDstwa. W zale@noBci od strony pojazdu pas mo@e znajdowaF si8 na lewym lub prawym ramieniu, co ma du@e znaczenie w przypadku narz>dów wewn8trznych. ObecnoBF poduszek powietrznych, pozycja fotela, struktura wewn8trzna pojazdu, rodzaj podnó@ka – wszystkie te elementy wprowadzaj> nieograniczon> liczb8 kombinacji zdarzeD. Aby umo@liwiF producentom samochodów zaprojektowanie bezpiecznego pojazdu, niezb8dne jest przeprowadzenie badaD na cz;owieku i wyznaczenie obci>@eD granicznych. Co wi8cej, producenci samochodów potrzebuj> odpowiednich „biofidelicznych” manekinów, które b8d> naBladowaF zachowanie cia;a ludzkiego poddanego obci>@eniom i zbieraF odpowiednie dane z próbnych testów zderzeniowych [1].
W badaniach wypadków drogowych wyró@nia si8 trzy typy doros;ych pasa@erów pojazdów: 50 i 95 centylowy m8@czyzna oraz 5 centylowa kobieta, gdzie liczby symbolizuj> procent populacji który jest mniejszy od danego osobnika. Ten podzia; zosta; opracowany z myBl> o produkcji manakinów do testów zderzeniowych. Za „przeci8tn>”, 50 centylow> osob8 przyjmuje si8 m8@czyzn8 o wadze 77 kg i wzroBcie 178 cm. Na rynku dost8pne s> równie@ dwa typy manekinów dzieci – trzylatka i szeBciolatka [6].
PodatnoBF klatki piersiowej na odkszta;cenie podczas zderzenia czo;owego, przy zapi8tych pasach, mo@na opisaF jako funkcj8 si;y od ugi8cia klatki piersiowej podan> w procentach. Dla tej zale@noBci wyznaczane s> korytarze (przedzia;y) zachowaD cia;a z uwzgl8dnieniem poszczególnych typów zdarzeD i rodzajów osobników. Dalej na podstawie danych z testów wylicza si8 ryzyko powa@nych obra@eD oraz Bmierci pasa@era, jako funkcj8 zale@n> od ugi8cia klatki piersiowej, si;y lub przeci>@enia.
Niniejsza praca ma charakter przegl>dowy i przedstawia dotychczasowe metody, które wykorzystuje si8 przy badaniu obra@eD klatki piersiowej cz;owieka podczas wypadku. Poruszona w artykule tematyka jest nawi>zaniem do badaD prowadzonych przez autora w ramach pracy doktorskiej.
Celem pracy doktorskiej autora jest budowa i walidacja modelu numerycznego @ebra ludzkiego, w oparciu o obrazowanie koBci metod> tomografii komputerowej (CT). Uzykane wyniki badaD b8d> wk;adem w rozwój modeli numerycznych klatki piersiowej cz;owieka, przedstawiaj>c nowatorski sposób odwzorowania geometrii @eber.
Ogólny plan pracy doktorskiej zak;ada przeprowadzenie serii eksperymentów z u@yciem @eber ludzkich, analizy porównawczej kilku metod obrazowania promieniami rentgenowskimi (RTG), budow8 modelu numerycznego na podstawie uzyskanych obrazów i jego walidacj8 na drodze eksperymentu. Teza postawiona w pracy zak;ada mo@liwoBF odwzorowania struktury i w;aBciwoBci geometrycznych @eber opieraj>c si8 na obrazie uzyskanym z klinicznego CT oraz lokalnych (fragmenty @ebra) obrazów uzyskanych za pomoc> mikrotomografii komputerowej. Kliniczne CT cechuje du@a przestrzeD robocza (200 cm x Ø50 cm), pozwalaj>ca na skan ca;ego cia;a, jednak rozdzielczoBF obrazu (0,3 – 1,0 mm/pixel) jest niewystarczaj>ca dla dok;adnego odwzorowania geometrii @ebra. Z kolei mikro CT odznacza si8 bardzo wysok> rozdzielczoBci> (0,02 – 0,04 mm/pixel) i dok;adnoBci> obrazu, ale przestrzeD robocza umo@liwia jedynie skanowanie fragmentów @eber. Porównuj>c obrazy uzyskane za pomoc> dwóch metod, autor opracowa; algorytm
!
pozwalaj>cy odzyskaF dane utracone podczas skanowania i zbudowaF model numeryczny @ebra korzystaj>c tylko z klinicznego CT.
2. METODY
Podstawowym mród;em wiedzy na temat podatnoBci klatki piersiowej na obra@enia podczas wypadków s> badania przeprowadzane na zw;okach ludzkich. Wszelkiego rodzaju badania na @ywych osobnikach, z koniecznoBci ochrony zdrowia i @ycia, ograniczaj> si8 tylko do badaD przy ma;ym obci>@eniu, nie powoduj>cym obra@eD. Poni@ej przedstawiono najpopularniejsze, a zarazem sprawdzone metody, daj>ce wiarygodne wyniki, wykorzystywane pomniej do analizy skutków wypadków.
Obecnie jednym ze standardów przy badaniu podatnoBci klatki piersiowej jest „test sto;owy” (z angielskiego: table-top test), w którym klatk8 utwiedzon> do specjalnego sto;u obci>@a si8 w jeden z trzech sposobów (rys. 1): za pomoc> a) pasa przebiegaj>cego ukoBnie, b) za pomoc> szerokiego pasa poprzecznego lub c) za pomoc> uderzaj>cego penetratora o okr>g;ym przekroju [9, 10].
a) b) c)
Rys. 1. Sposoby obci>@ania klatki piersiowej podczas testów, a) i b) za pomoc> pasów, c) przy pomocy impaktora
W przypadku a) i b) pasyokalaj>ce ca;> klatk8 piersiow>, napinane s> poprzez ci8gna po;>czone z umieszczonymi pod sto;empneumatycznymi si;ownikami. Blat sto;u jest dwuwarstwowy, a pod pierwsz> warstw> – oparciem pleców – zamontowany jest si;omierz. Ugi8cie klatki piersiowej mierzone jest poprzez skrócenie ci8gien [7, 8]. W przypadku c) cia;o uderzane jest obiektem o przekroju ko;owym, a si;omierze zamontowane s> zarówno pod blatem jak i na elemencie uderzaj>cym [7, 8, 9, 10]. Do uderzeD stosuje si8 wahad;o, suwnic8 (drop tower) lub t;ok pneumatyczny.
Testy przeprowadzane s> dla ró@nych pr8dkoBci, obci>@eD, przy przeci>@eniach nie wi8kszych ni@ 10g. W zale@noBci od za;o@eD badaD, klatk8 piersiow> testuje si8 bez powodowania obra@eDlub a@ do p8kni8cia @eber. Pekni8cie któregokolwiek @ebra (lub
@eber) w trakcie testu skutkuje momentalnym i znacznym obni@eniem sztywnoBci ca;ej klatki piersiowej, wyznaczaj>c jednoczeBnie obci>@enia graniczne [7, 8, 9, 10].
Wszystkie testy s> rejestrowane za pomoc> szybkoklatkowych kamer
(600-4000 klatek/s), cz8sto równie@ za pomoc> systemów kamer 3D, do obrazowania kinematyki. Inn> alternatyw> rejestracji wizualnej eksperymentów, a zw;aszcza z;amaD i p8kni8F koBci, jest system dynamicznego obrazowania promieniami RTG, który w czasie rzeczywistym pokazuje i zapisuje obraz rentgena. Dzi8ki takiemu rozwi>zaniu mo@na wskazaF dok;adny moment i obci>@enie, przy którym nast>pi;o p8kni8cie koBci [8].
Poza si;omierzami zewn8trznymi w ciele montuje si8 dodatkowe czujniki, takie jak akcelerometry, tensometry, czy czujniki akustyczne (do detekcji p8kni8F). Zebrane dane wykorzystywane s> pómniej m.in. przy walidacji modeli numerycznych cz;owieka oraz przy projektowaniu manekinów.
Z myBl> o modelach komputerowych przeprowadza si8 równie@ testy tkanek: koBci i narz>dów, badaj>c ich odpowiedm na obci>@enia. W celu rozwoju modelu numerycznego klatki piersiowej testuje si8 m.in. pojedyncze @ebra na zginanie.
Innym wa@nym stanowiskiem do badaD, nie tylko klatki piersiowej, ale przede wszystkim ca;ego cia;a jest tor do zderzeD (z angielskiego: sled, w j8zyku polskim równie@ nazwany katapult>). Manekin lub zw;oki ludzkie umieszczane s> w autentycznym pojemdzie lub na specjalnie przygotowanej platformie z siedzeniem, pasami, podnó@kiem, a w razie potrzeby równie@ kierownic>, poduszk> powietrzn> (rys. 2). Nast8pnie ca;y obiektpoddawany jest przeci>@eniu wyst8puj>cemu podczas zderzenia z przeszkod> przy danej pr8dkoBci. W tym celu jest stopniowo rozp8dzany i gwa;townie hamowany (typowy tor nap8dzany silnikiem, gumami lub pneumatycznie) lub od razu wystrzeliwany z za;o@onym impulsem – przyspieszeniem (tor odwrotny, nap8dzany pneumatycznym t;okiem).
!
G;ówn> zalet> badaD na torze jest odtworzeniekinematyki cia;a ludzkiego, b8d>ce wiarygodnym odwzorowaniem wypadku. Na platformie zamontowane s> liczne czujniki, a podczas jednego testu mo@liwy jest odczyt i rejestracja sygna;u nawet ze 100 ró@nych kana;ów m.in. si;y, przyspieszenia, odkszta;cenia, czy pr8dkoBci poszczególnych elementów.
Podczas testów na zw;okach cz8BF czujników montowana jest bezpoBrednio na koBciach. Przy badaniu klatki piersiowej na torze, w ciele montowane s> m.in. przyspieszeniomierze na mostku oraz kr8gos;upie, a tak@e tensometry na @ebrach. Dodatkowo cia;o mo@e byF pokryte markerami dla kamer 3D, które rejestruj> jego kinematyk8. System ten jest na tyle dok;adny, @e mo@na sprawdziF np.: ugi8cie klatki piersiowej z milimetrow> dok;adnoBci>.
3. REZULTATY I CEL BADA0
Badania na zw;okach, pomimo i@ mog> wzbudzaF oburzenie spo;eczne i dezaprobat8, s> konieczne, aby wyznaczyF podatnoBF i odpornoBF cz;owieka na ró@nego rodzaju obra@enia. Nadrz8dnym celem wszystkich badaD jest poprawa bezpieczeDstwa pasa@erów pojazdów mechanicznych. PoBrednim celem jest rozwój wiedzy nad zachowaniem cia;a ludzkiego poddanego nienaturalnym obci>@eniom. Ca;y czas pracuje si8 nad metodami badania zachowania cia;a ludzkiego, bez koniecznoBci przeprowadzania testów na zw;okach. W tym celu rozwija si8 manekiny zderzeniowe oraz modele komputerowe cz;owieka.
Rys. 3. Klatka piersiowa manekina zderzeniowego THOR. Widoczne siedem par @eber [8]
Manekiny do badaD zderzeniowych s> projektowane w oparciu o dane z testów na zw;okach. Zachowanie si8 klatki piersiowej manekina, jej ugi8cie oraz si;y dzia;aj>ce na poszczególne @ebra i narz>dy musz> odpowiadaF tym, które pojawiaj> si8 u cz;owieka podczas zderzenia. Korzystaj>c z rezultatów testów na zw;okach tworzy si8 matematyczny model sztywnoBci klatki piersiowej opisanyrównaniami, a nast8pnie na jego podstawie projektuje i buduje si8 model fizyczny, czyli manekin (rys. 3.), którego kinematyka i odpowiedm maj> byF jak najbardziej zbli@onedo cz;owieka.
Obecnie najcz8Bciej stosowanym manekinem do badania skutków zderzeD czo;owych w przemyBle motoryzacyjnym na ca;ym Bwiecie jest manekin Hybrid III, którego klatka piersiowa ma szeBF par @eber naBladuj>cych anatomiczne @ebra [6]. Koncerny samochodowe projektuj>c samochody korzystaj> z manekinów w procesie badania bezpieczeDstwa swoich produktów. Podobnie organizacja Euro NCAP wkorzystuje manekin Hybrid III podczas tworzenia baz danych nad bezpieczeDstwem pojazdów, przyznaj>c gwiazdki (maksimum pi8F) symbolizuj>ce poziom ochrony pasa@erów. Jednym z testów jest zderzenie czo;owe z odkszta;caln> przeszkod> przy pr8dkoBci 64 km/h [3].
Od kilku lat w przygotowaniu jest nowy manekin – THOR [11] (rys. 3), którego klatka piersiowa posiada siedem par eliptycznych @eber. THOR jest du@o bardziej zaawansowany ni@ Hybrid III. Poprawiona zosta;a kinematyka ugi8cia klatki oraz zwi8kszono liczb8 czujników rejestruj>cych zachowanie klatki piersiowej. Manekin THOR jest nadal w fazie rozwoju i prawdopodobnie nied;ugo zast>pi Hybrid III.
Równolegle do testów prowadzi si8 badania nad modelem komputerowym cz;owieka. Do tej pory na Bwiecie zbudowano kilka kompletnych (z uwzgl8dnieniem tkanek i narz>dów) modeli komputerowych cz;owieka,przy wykorzystaniu metody elementów skoDczonych (rys. 4.). Dla sprawdzenia poprawnoBci tych modeli oraz skompletowania bazy materia;owej koBci, narz>dów i mi8Bni ludzkich niezb8dne jest przepowadzenie testów na tkankach. Cia;o ludzkie, a zw;aszcza klatka piersiowa, jest jednak bardzo z;o@onym systemem, sk;adaj>cych si8 z wielu elementów o ró@nych w;aBciwoBciach materia;owych. Pomimo zaawansowania badaD, nadal nie uda;o si8 zbudowaF modelu, który dok;adnie odwzoruje rzeczywiste zachowanie opisywanego systemu.
a) b)
Rys. 4. a) HUMOS [12] oraz b) GHBMC [5] - przyk;ady dost8pnych modeli numerycznych klatki piersiowej cz;owieka
!
4. PODSUMOWANIE
Klatka piersiowa cz;owieka jest jednym z najbardziej z;o@onych mechanicznie komponentów cia;a. Szereg koBci oraz narz>dów o ró@nych strukturach i w;aBciwoBciach mechanicznych tworzy system, którego zachowanie podczas wypadku jest trudne do przewidzenia i wymaga przeprowadzenia serii eksperymentów uwzgl8dniaj>c ró@ne dane wejBciowe. Do tej pory opracowano metody badania podatnoBci klatki piersiowej na obci>@enia, jakie obserwuje si8 podczas zderzeD. Na podstawie tych badaD wyznaczono korytarze si; i ugi8cia dla pewnych pr8dkoBci, którymi opisuje si8 zachowanie klatki piersiowej podczas wypadku. Jednak pomimo zaawansowania badaD dlasze prace w tym temacie s> konieczne, aby zapewniF wszechstronnoBF u@ycia tych danych dla ró@nych wariantów zdarzeD, jakie mog> zaistnieF. Szczególnie istotny jest rozwój modeli numerycznych klatki piersiowej cz;owieka. Powa@nym problemem jest dok;adne odwzorowanie geometrii i sztywnoBci poszczególnych @eber, która to tematyka jest tematem dalszych badaD autora.
Bibliografia
1. APROSYS: Review of the thorax criteria. Raport, 2004.
2. Carroll J., Adolph T., Chauvel C., Labrousse M., Trosseille X., Pastor C., Eggers A., Smith S., Hynd D.: Overview of serious thorax injuries in European frontal car crash accidents and implications for crash test dummy development. IRCOBI conference proceedings, 2010.
3. Euro NCAP, strona internetowa: www.euroncap.com, 2012.
4. Forman J. Lessley D. Shaw G., Evans J., Kent R.: Thoracic Response of Belted PMHS, the Hybrid III, and the THOR-NT Mid-Sized Male Surrogates in Low Speed, Frontal Crashes. Stapp Car Crash Journal, 2006.
5. Global Human Body Model Consortium (GHBMC), stronainternetowa:www.ghbmc.com, 2012. 6. Humanetics, strona internetowa: www.humaneticsatd.com, 2012.
7. Kent R.: Dynamic response of the thorax: restraint-specific injury prediction and constitutive description. Ph.D. thesis, 2001.
8. Kent R.W., Crandall J. R.: A restraint-specific, viscoelastic structural model of the human thorax. Biomechanics Research, proceedings of the XXIX International Workshop, 2001.
9. Kroell, C., Schneider, D., Nahum, A.: Impact Tolerance and Response of the Human Thorax. Proceedings of the 15th Stapp Car Crash Conference, SAE Paper, 1971.
10. Kroell, C., Schneider, D., Nahum, A.: Impact Tolerance and Response of the Human Thorax II Proceedings of the 18th Stapp Car Crash Conference, SAE Paper, 1974.
11. National Highway Traffic Safety Administration, strona internetowa:www.nhtsa.gov, 2012.
12. Song E., Trosseille X.: Evaluation of Thoracic Deflection as an Injury Criterion for Side Impact Using a Finite Elements Thorax Model. Stapp Car Crash Journal, 2009.
METHODOLOGY OF INVESTIGATING THORAX VULNERABILITY DURING FRONTAL CAR CRASH ACCIDENT
Abstract: Human thorax trauma is one of the main types of injuries during the frontal car crash. This study
presents methods and the best practice of human thorax vulnerability testing. Described approaches are used by the most advanced biomechanics facilities around the world and were proven to give reliable results. Article contains brief description of the sled track, table-top and component tests as well as process of crash test dummies and numerical human body models development and validation.
