Aktualne Problemy Biomechaniki, nr 1/2007 29
Marek GZIK, Dagmara TEJSZERSKA, Wojciech WOLAŃSKI, Paweł POTKOWA
Katedra Mechaniki Stosowanej, Politechnika Śląska w Gliwicach
MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ KRĘGOSŁUPA SZYJNEGO
CZŁOWIEKA W SYTUACJI UDERZENIA PIŁKĄ W GŁOWĘ
Streszczenie: W artykule przedstawiono badania, których celem była analiza obciążeń wewnętrznych struktur kręgosłupa szyjnego w sytuacji uderzenia piłką o różnej masie w głowę. Do celów analizy sformułowano model człowieka uwzględniając: głowę, kręgosłup szyjny, tułów oraz mięśnie. Model sformułowano w systemie WorkingModel2D, ocenę zagrożeń urazami przeprowadzono w oparciu o jakościową analizę otrzymanych wyników.
1. WSTĘP
Urazy kręgosłupa szyjnego o poważnych konsekwencjach dla zdrowia osób poszkodowanych najczęściej są spowodowane wypadkami komunikacyjnymi. Drugą równic liczną grupę stanowią upadki z wysokości, do których również zaliczyć można skoki do płytkiej wody. Wypadki sportowe, choć konsekwencje mniej dotkliwe stanowią również liczną reprezentację. Kręgosłup szyjny jest odcinkiem ze względu na swoje usytuowanie najmniej chronionym i najbardziej narażonym na urazy. Uszkodzenia na wysokości kręgów szyjnych, jeżeli łączą się z urazem rdzenia kręgowego często skutkują tetraplegią (porażeniem funkcji kończyn górnych i dolnych), a w wielu przypadkach śmiercią [2].
W pracy podjęto się próby identyfikacji obciążeń wewnętrznych kręgosłupa w sytuacji uderzenia głowy piłką. Ruch głowy, jej obciążenie za sprawą stawu szczytowo potylicznego jest transmitowany na kręgosłup szyjny. Analizie poddano przypadek uderzenia z boku wymuszającego ruch w płaszczyźnie czołowej.
2. ZAŁOŻENIA PRZYJĘTE W PROCESIE M O D E L O W A N I A
W celu wykonania analizy numerycznej oddziaływań pomiędzy kręgami, powstał dwuwymiarowy model człowieka. Model uwzględnia istotne dla biomechaniki elementy układu szkieletowo mięśniowego, pomija natomiast wpływ układu krwionośnego, pokarmowego, oddechowego oraz skóry. Model (rys.l) sformułowano w oparciu o następujące założenia [1]:
- głowa, kręgi, tułów traktowane są jako bryły sztywne, połączone przegubowo oraz elementami sprężysto - tłumiącymi (równoległe połączenie liniowej sprężyny oraz liniowego elementu tłumiącego), odzwierciedlającymi naturalne połączenia.
- model uwzględnia sąsiadujące tkanki miękkie,
- oddziaływanie tkanek miękkich odwzorowane jest przez elementy sprężysto - tłumiące, - analizie poddano ruch górnych części ciała człowieka w płaszczyźnie czołowej, - tułów traktowano, jako nieruchomą podstawę.
30 M. Gzik, D. Tejszerska, W. Wolański, P. Potkowa
Przyjęte masy elementów modelu oraz momenty bezwładności zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Parametry poszczególnych brył sztywnych [1]
Masa [kg] I2 [g*mm2| G ł o w a 5 25 *106 Cl 0 , 0 1 3 8093,4 C2 0,021 3 4 3 6 , 8 C3 0,025 3222,45 C4 0 , 0 2 7 3990 C5 0 , 0 3 5 4 9 4 0 , 2 5 C6 0,041 5626,95 Cl 0 , 0 4 9 8143,8 3. SYMULACJE NUMERYCZNE
Symulacje numeryczne przeprowadzono w celu określenia wewnętrznych oddziaływań w kręgosłupie szyjnym, jakie pojawiają się na skutek uderzenia w głowę piłkami różnych dyscyplin przy różnych prędkościach. Przyjęto następujące masy piłek: 0,27kg siatkowa, 0,43kg nożna oraz 3kg piłka lekarska. Model umożliwia analizę oddziaływań wewnętrznych sił dynamicznych, jakie się pojawiają w elementach połączenia kręgów szyjnych przy uderzeniu piłkami różną prędkością.
Modelowanie obciążeń kręgosłupa szyjnego człowieka. 31 Siły w kręgosłupie s z y j n y m H-C1 C1 - C 2 C 2 - C 3 C 3 - C 4 C 4 - C 5 C 5 - C 6 C6-C7 C7-Th1 H-C1 C1 - C 2 C 2 - C 3 C 3 - C 4 C 4 - C 5 C 5 - C 6 C6-C7 C7-Th1 H-C1 C1 - C 2 C 2 - C 3 C 3 - C 4 C 4 - C 5 C 5 - C 6 C6-C7 C7-Th1 » H-C1 C1 - C 2 C 2 - C 3 C 3 - C 4 C 4 - C 5 C 5 - C 6 C6-C7 C7-Th1 H-C1 C1 - C 2 C 2 - C 3 C 3 - C 4 C 4 - C 5 C 5 - C 6 C6-C7 C7-Th1 V H-C1 C1 - C 2 C 2 - C 3 C 3 - C 4 C 4 - C 5 C 5 - C 6 C6-C7 C7-Th1 H-C1 C1 - C 2 C 2 - C 3 C 3 - C 4 C 4 - C 5 C 5 - C 6 C6-C7 C7-Th1 H-C1 C1 - C 2 C 2 - C 3 C 3 - C 4 C 4 - C 5 C 5 - C 6 C6-C7 C7-Th1 H-C1 C1 - C 2 C 2 - C 3 C 3 - C 4 C 4 - C 5 C 5 - C 6 C6-C7 C7-Th1 '"""'.'l 0 1000 2000 3000 4000 5000 Siła [N] o 5m/s o 10m/s • 15m/s • 20m/s • 25m/s
Rys. 2. Maksymalne wartości sił działające na kręgosłup podczas uderzenia głowy piłką siatkową (przy różnych prędkościach piłki w chwili uderzenia)
Siły w kręgosłupie s z y j n y m H-C1 C1 - C2 | C 2 - C 3 "Si o D) S' C 3 - C 4 £ o S C4 - C5 o. C 5 - C 6 C6-C7 C7-Th1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Siła [N] 0 5m/s o 10m/s • 15m/s • 20m/s B ^ i m / s ]
Rys. 3. Maksymalne wartości sił działające na kręgosłup podczas uderzenia głowy piłką nożną (przy różnych prędkościach piłki w chwili uderzenia)
32 M. Gzik, D. Tejszerska, W, Wolański, P. Potkowa Siły w k r ę g o s ł u p i e s z y j n y m C7-Th1 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Siła [N] • 5m/s o 10m/s • 15m/s
Rys. 4. Maksymalne wartości sił działające na kręgosłup podczas uderzenia głowy piłką lekarską (przy różnych prędkościach piłki w chwili uderzenia)
Na kolejnych wykresach przedstawiono analizę porównawczą oddziaływań w kręgosłupie podczas uderzenia różnymi piłkami.
Siły w k r ę g o s ł u p i e szyjnym powstałe na s k u t e k udzerzenia p i ł k ą z p r ę d k o ś c i ą 5 m / s
1000 1500 Siła [N]
2000 2500
• lekarska o siatkow a • nożna
Rys. 5. Maksymalne wartości sił działające na kręgosłup podczas uderzenia różnymi piłkami przy prędkości 5 m/s
Modelowanie obciążeń kręgosłupa szyjnego człowieka...
Sity w kręgosłupie szyjnym powstałe na s k u t e k udzerzenia piłką z prędkością 10m/s H-C1 C1 - C2 o S ' C 2 - C 3 U) o o> S* C3 - C4 s | C 4 - C 5 o CL C5 - C6 C6-C7 C7-Th1 0 1000 2000 3000 4000 5000 Siła [N]
• lekarska • siatkowa • nożna
Rys. 5. Maksymalne wartości sił działające na kręgosłup podczas uderzenia różnymi piłkami przy prędkości 10 m/s
H-C1 >, C1 - C 2 i o J " C2 - C3 i/i 0 01 V C3-C4 j*: | C4-C5 o CL C5 - C6 C6-C7 C7-Th1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Sita [N]
0 lekarska E3 siatkowa • nożna
Rys. 6. Maksymalne wartości sił działające na kręgosłup podczas uderzenia różnymi piłkami przy prędkości 15 m/s
Na wykresach przedstawiono maksymalne wartości sił z przebiegów dynamicznych, występujące w chwili ekstremalnego wychylenia głowy.
Siły w kręgosłupie szyjnym powstałe na s k u t e k udzerzenia p i ł k ą z prędkością 15m/s I " f " • 1 -) r - u -)
^
-)34 M. Gzik, D. Tejszerska, W. Wolański, P. Potkowa
siły w kręgosłupie szyjnym powstałe na skutek udzerzenia piłką z prędkością 25m/S
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Site [NI
Rys. 7. Maksymalne wartości sił działające na kręgosłup podczas uderzenia piłką siatkową oraz nożną przy prędkości 25 m/s
4. P O D S U M O W A N I E
W pracy przedstawiono płaski dynamiczny model człowieka, który został wykorzystany do analizy zachowania elementów budowy anatomicznej, jak również do analizy sił dynamicznych w elementach łączących kręgi w sytuacji uderzenia piłką w głowę. Otrzymane wyniki należy traktować jako wartości jakościowe. Weryfikację modelu przeprowadzono w oparciu o ruch głowy, który w modelu odpowiadał rzeczywistemu ruchowi głowy w płaszczyźnie czołowej. Otrzymane wyniki wskazują środkową cześć odcinka szyjnego za najbardziej narażoną na urazy. Istotne dla możliwości wystąpienia urazów są prędkości piłki w chwili uderzenia. Przy małych prędkościach jedynie piłka lekarska (masa 3kg) wywołuje niebezpieczne siły w kręgosłupie. Po przekroczeniu 15m/s siły wywołane uderzeniem piłek siatkowej oraz nożnej również mogą spowodować poważne w skutkach urazy.
Badania są realizowane w ramach projektu nr. 4 T07B 01730 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego
LITERATURA
[1] Gzik M.: Modelowanie i symulacja odcinka szyjnego kręgosłupa człowieka, Rozprawa doktorska, Gliwice 2000.
[2] Kiwerski J.: Urazy kręgosłupa odcinka szyjnego i ich następstwa, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 1993.
HUMAN CERVICAL SPINE LOAD MODELLING
DURING HEAD IMPACT BY BALL
Summary: Modeling researches concerning analysis of human cervical spine loading during head impact by different types of ball are presented in this paper. In order to obtain human cervical spine response two dimensional dynamical model of upper human parts was created using Working Model 2D.
