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Muggenthaler, Holger (2006): Einfluss der Muskelaktivität auf die Kinematik des menschlichen Körpers und die Deformationseigenschaften des Muskels: Versuch und Simulation. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, die Validität eines numerischen Finite-Elemente Menschmodells anhand von Freiwilligenversuchen zu überprüfen und Materialmodelle für relaxierte und aktivierte Muskeln zu optimieren bzw. zu parametrisieren. Das verwendete Modell wurde im Rahmen des EU-Forschungsprojekts HUMOS für den Einsatz in der Fahrzeug-Crash-Simulation entwickelt. Aufgrund fehlender bzw. nicht geeigneter Studien in der Literatur wurden zwei Versuchsanordnungen entwickelt, um Daten für die Validierung aktiver Menschmodelle zur Verfügung stellen zu können. Für die Validierung der Kinematik wurde eine Pendelanordnung entworfen. Dabei wird ein Freiwilliger mit relaxierter und voraktivierter Muskulatur mit einem 5kg/10kg schweren Pendel frontal, dorsal und lateral angestoßen. Für die Aufnahme der Probandenbewegung kam ein Bewegungsanalysesystem (Motion Analysis) mit acht Hochgeschwindigkeitskameras zum Einsatz. Die Muskelaktivität von Nacken-, Abdomen- und Rückenmuskeln wurde mittels Oberflächenelektroden erfasst. Muskelantwortzeiten dienten dazu, Muskelelemente in der Simulation anzusteuern. Anhand gemittelter Bewegungsamplituden sollte ein Vergleich der Gesamtkinematik zwischen Versuch und Simulation die Validität des Modells im Niedrigenergiebereich zeigen. Der zweite Versuchsaufbau ist ein Fallprüfstand, bestehend aus einem vertikalen Fallrohr und einem Fallkörper, dem sog. Impaktor. Dieser trifft aus unterschiedlichen Fallhöhen auf den relaxierten bzw. angespannten Muskelbauch (M. biceps brachii, M. rectus femoris, M. biceps femoris). Ein im Impaktor installierter Beschleunigungsaufnehmer registriert die Akzelerationen beim Auftreffen auf den Muskel. Die Beschleunigungsverläufe repräsentieren muskelaktivierungsabhängige Deformationscharakteristiken, anhand derer eine Parameteridentifikation des entsprechenden Materialmodells durchzuführen ist. Die Versuchsergebnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: - Es zeigen sich höhere Bewegungsamplituden in Versuchen mit relaxierter Muskulatur, eine charakteristische Kopfkinematik sowie Muskelantwortzeiten zw. 15ms und 90ms. - Der Impaktor zeigt mehrere Rebounds bei aktivierter Muskulatur (mehrere Beschleunigungsspitzen) und nur eine Beschleungigungsspitze bei relaxierte Muskulatur. Die Simulationen der dargestellten Versuche mit dem aktuellen HUMOS-Modell zeigen: - Das aktuelle Modell ist auch ohne Muskelansteuerung zu steif. Ursache dafür ist in der unzureichenden Abbildung der Abdomen-, Thorax- und Nackenweichteile zu sehen. - Die Abbildung aktivier Kinematik unter Verwendung von Hill-Muskelelementen ist grundsätzlich möglich. - Das aktivierungsabhängige Deformationsverhalten von Muskelweichteil ist mit einem linear-viskoelastischen Material zu reproduzieren. Eine Ableitung konsistenter und interpretierbarer mechanischer Kenngrößen (E-Modul) aus den Modellparametern ist allerdings nicht möglich. Die Abbildung einer aktiven Kinematik ist derzeit mit dem verwendeten Modell nicht möglich. Eine detaillierte Modellierung der Weichteile sowie eine umfangreiche Validierung des Modells ist Voraussetzung für eine sinnvolle Applikation des Menschmodells.