Occupant protection design with FE human body models

Segura Novoa, Rommel David (2018): Occupant protection design with FE human body models = Insassenschutzauslegung mit Menschmodellen. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

The second leading cause of occupant fatalities in traffic accidents are thoracic injuries. Sternal fractures are the most typical moderate thoracic injury in frontal crash. Until now there is no clear understanding about the sternal injury mechanisms and how to minimize the risk of sternal fracture of the occupants. The design and assessment of advanced restraint systems capable to minimize such injuries is currently based on the Hybrid-III 50th percentile (H350) dummy in frontal crash. Despite the great benefits achieved with the H350 dummy, the inclusion of transducers and specific metrics for sternal loading were not part of its design purposes nor the representation of age-dependent factors. This suggests a gap of information in the design process of a restraint system. This gap could lead to an erroneous optimization of the system in terms of sternal injury risk minimization. It was hypothesized that the restraint design process needs to be complemented with more accurate and biofidelic tools, as human body models (HBMs), in terms of sternal loading minimization. A comparative analysis was needed. Three dimensions have been addressed in order to analyze the hypothesis: (i) Development of a novel elderly human model called Thums-elderly (based on the Thums-original) in order to address age-dependency factors and realistic geometrical properties of the thoracic cortical bone. This development included novel µCT data from PMHS and a multi-level validation process. (ii) Development of thoracic injury risk assessment methods for HBMs aiming for a direct comparison against dummy predictions. (iii) Comparison of the driver and passenger injury prediction of the dummy model and both HBMs (Thums-original and Thums-elderly) in a wide range of crash severities including a real-world accident reconstruction. A total of 168 occupant simulations were run and analyzed. The comparison addressed four different restraint systems including three adaptive restraint system variants. The assessment methods were grouped on rib fracture risk and sternal fracture risk. Sternal fracture risk was approached using HBM simulations by comparing two loadcases (non-injurious and injurious in terms of sternal fractures). Bending moments at the second inter-costal space (ICS_2) suggested to be a realistic criterion to quantify the risk of sternal fractures. An injury reference value of resultant moments at the second ICS “MXYZ ICS_2” of 20 Nm was proposed. Out of the benchmark crash cases, it was found that the H350 may underestimate the risk of thoracic injuries and sternal fractures particularly in frontal crash cases with considerably high lateral pulses. This is inherent to the H350 design purposes (frontal-crash dedicated dummy), nevertheless the dummy is currently still an injury prediction tool in assessment programs with crash cases precisely addressing lateral pulses as oblique barriers, offset deformable barriers, small-overlaps and accident reconstructions. For sternal fracture risk, the H350 is a not applicable tool, as this dummy was not designed to accurately measure sternal loading nor predict a risk of sternal fracture. An example of this fact was shown with the restraint system variant A (accident reconstruction case): A rather low AIS3 injury risk with the H350 indicated a safe design (at least for severe injuries) while no metrics of sternal loading or fracture risk were generated. The same variant tested with the HBMs showed an increased risk of sternal fracture. Restraint system variants (B, C and D) showed loading reduction with the HBMs up to non-injurious levels (under 20Nm). The same variants showed rather a marginal benefit with the H350. Lateral pulses are also believed to have an influence on the injury outcome of the front passengers, as the restraint system force transfer will be different due to the asymmetry of the belt paths. This effect is shown with the HBMs in terms of AIS2 (as sternal fracture). Regarding the effects of introducing age dependent factors (represented by the Thums-elderly), a reduced thorax stiffness was found in local- (component-) and body-region validation loadcases, specifically for cartilage, sternum and upper ribs. As the analysis was restricted to morphological dependency rather than material or failure limits, a “fragility” of the elderly model was not clearly represented. Nevertheless, the structural deformation is believed to be realistic due to the improvement achieved by introducing real cortical thicknesses from µCT data, especially on the sternal region. The Thums-elderly showed to be less sensitive, in terms of sternal loading, to successive shoulder belt force reduction than the Thums-original in high severity pulses. Sternal fractures and other moderate injuries will play an important role in the near future as optimization target in restraint system design. Sternal loading and sternal fracture risk need to be accurately predicted in order to assess the mitigation capabilities of a specific restraint system. While current dummies seem to be insufficient to reach the needed accuracy, HBMs show potential to assume this task. A simulation matrix with different crash severities and restraint system variants was built for benchmark purposes. The benchmark showed that current H350 dummies are not capable to discriminate noticeable improvements at sternal loading level, whereas HBMs do. Ageing and its effect on sternal fracture risk cannot be neither correctly represent with dummies. In order to represent ageing effects, HBMs need to be improved (e.g. realistic cortical thickness distribution and cartilage calcification). The injury prediction of an improved “elderly” HBM (Thums-elderly) showed to be strong dependent on the crash severity, although, it showed a less sensitive response to restraint loading reduction compared to the HBM without age-dependent factors (Thums-original).

Abstract

Nach Kopfverletzungen sind Thoraxverletzungen die zweithäufigste Todesursache bei Verkehrsunfällen. Darunter sind Brustbeinfrakturen die häufigsten mittelschweren Thorax-verletzungen in Frontalaufprall-Unfällen. Gegenwärtig gibt es weder eine eindeutige Erklärung bzgl. des Verletzungsmechanismus von Brustbeinfrakturen noch klare Strategien, um deren Risiko in der Insassenschutzauslegung zu minimieren. Die aktuelle Auslegung im Frontalaufprall basiert auf Messwerten des Hybrid-III 50th Prozent (H350) Dummys. Dessen Verletzungs-prognose anhand der gemessenen Werte lassen eine eingeschränkte Bewertung der Effektivität des Rückhaltesystems erstellen. Der Dummy und dessen Messtechnik mangelt an Sensoren spezifisch für die Bewertung von Brustbein-verletzungen. Darüber hinaus wurde eine altersabhängige Prognose nicht dazu mitentwickelt. Diese Fakten weisen auf eine inkomplette Analyse in der Insassenschutzauslegung für die Minimierung der Brustbeinverletzungen hin. Die Hypothese lautet deshalb, dass diese „Lücke“ des Hardware- und virtuellen Entwicklungsprozesses durch genauere und biofidelere Modelle (es entspricht Menschmodellen) gelöst werden kann. Eine vergleichende Analyse von Dummy vs. Menschmodell ist dazu erforderlich. Die Analyse der Hypothese erfolgte anhand drei Schritten: (i) Entwicklung eines neuen Menschmodells „Thums-elderly“ (basiert auf Thums-original), um altersabhängige Faktoren und realistischerer Kortikalis (Kortikalschicht) der Rippen nachzubilden. Diese Entwicklung enthält neuartige µCT Daten von PMHS und die Ergebnisse eines Mehrebenen-Validierungsprozesses. (ii) Entwicklung der Auswertungsmethoden spezifisch für Menschmodelle gezielt um die Vergleichbarkeit zur Dummy-Prognose zu gewährleisten. (iii) Vergleichende Analyse Dummy vs. Menschmodell auf Fahrer- und Beifahrerpositionen in einem breiteren Spektrum von Unfallschweren. Ein Realunfall wurde ebenfalls rekonstruiert und analysiert. Insgesamt wurden 168 Insassensimulationen durchgeführt und ausgewertet. Der Vergleich adressiert ebenso vier Rückhaltesystemvarianten, drei davon adaptiv. Die Auswertungsmethode der Simulationen mit Menschmodellen wurde in Rippenfrakturen und Brustbeinfrakturen unterteilt. Biegeversuche und Gurtstraffung wurden mit dem Menschmodell nachsimuliert, um Verletzungskriterien für Brustbeinfrakturen zu definieren und zu quantifizieren. Binäre Versuchsergebnisse (Verletzung oder Nicht-Verletzung) dienten als Referenz. Die Biegemomente auf ICS_2 (zweiter interkostalraum) zeigten sich als realistisches Kriterium). Als Verletzungsreferenzwert (IRV) ist ein resultierendes Biegemoment auf ICS_2 (MXYZ ICS_2) von 20 Nm vorgeschlagen. Anhand der simulierten Lastfälle wurde festgestellt, dass der H350 zu einer Unterprognose des Risikos der Thoraxverletzungen tendiert, insbesondere in Frontallastfällen mit erheblichen Lateralpulsen. Diese Unterprognose erklärt sich teilweise dadurch, dass der Dummy spezifisch für Frontalcrashanwendung ausgelegt wurde. Jedoch wird der Dummy aktuell noch als Auswertungstool in Gesetz- und Verbraucherschutzlastfälle eingesetzt, obwohl die oben genannten Lateralpulse präsent sind (z.B. Oblique- und Offset-deformable Barrieren, Small-overlaps und Unfallrekonstruktionen). Für eine Prognose der Brustbeinverletzungen ist der H350 weder dazu ausgelegt noch wurden Verletzungsrisikokurven spezifisch dafür entwickelt. Ein Beispiel dafür ist die Verletzungsprognose in der Unfallrekonstruktion (siehe Rückhaltesystem Variante A, Kapitel 4.3): Bei der Betrachtung der Ergebnisse liefert die Prognose des Dummys ein niedriges AIS3+ Verletzungsrisiko. Diese Prognose entspricht prinzipiell einer robusten Performance des Rückhaltesystems. Dabei ist zu beachten, dass keine Informationen bzgl. der Brustbein-belastungen bzw. dem Verletzungsrisiko generiert sind. Auf der anderen Seite weist die Simulation mit dem Menschmodell (ebenso Rückhaltesystem Variante A) ein höheres Verletzungsrisiko des Brustbeins auf. Darüber hinaus zeigten die Rückhaltesystemvarianten B, C und D eine stetige Reduktion der Belastung bis zu einem optimalen Punkt unter dem Verletzungsreferenzwert (20 Nm). Die gleichen Varianten mit dem H350 zeigen eine minimale Verbesserung, allerdings immer auf ein AIS3+ Niveau bezogen. Die Prognosegüte des Menschmodells weist zusätzlich darauf hin, dass die Verletzungs-wahrscheinlichkeit auch in Abhängigkeit der Insassenposition (Fahrer oder Beifahrer) zu betrachten ist, insbesondere bei Lastfällen mit Lateralpulsen, bei welchen die asymmetrische Konstellation der Schulter-gurtverlauf einem anderen Deformationsmuster des Brustkorbes entsprechen muss. Dieser Effekt ist nur mit dem Menschmodell quantifizierbar, wenn auf dem Beifahrerbrustbein gemessene Biegemomente vom Fahrerbrustbein abweichen. Bzgl. altersabhängigen Effekten weist die Anwendung von einem altersabhängigen Menschmodell (Thums-Elderly) eine reduzierte Steifigkeit auf. Dies geht aus der Validierung der Körperregion des Brustkorbs und einzelnen Komponenten insbesondere Knorpel, Brustbein und obere Rippen hervor. Die vergleichende Analyse mit dem Thums-elderly war beschränkt auf eine morphologische Abhängigkeit. Altersabhängige Materialparameter wie Fließkurven und Versagenskriterien blieben unverändert. Eine typische „Zerbrechlichkeit“ wurde mit dem modifizierten Modell nicht komplett abgebildet. Nichtsdestotrotz erreicht das Thums-elderly ein realistisches Deformationsmuster anhand der Anwendung von µCT Daten für die Kortikalis (Kortikalschicht) der Rippen und des Brustbeins. Das Thums-elderly weist zusätzlich eine geringere Sensitivität bei sukzessiver Senkung des Niveaus des Gurtkraftbegrenzers im Vergleich mit Thums-original auf. Allerdings ist dieser Effekt nur bei Lastfällen mit „härteren“ Pulsen zu erkennen. Brustbeinfrakturen und andere mittelschwere Verletzungen werden eine wichtige Rolle als Optimierungsziel bei der Auslegung zukünftiger Rückhaltesysteme spielen. Dazu ist eine realistische Prognose dieser Verletzungen notwendig, um eine korrekte Auslegung und Optimierung des Rückhaltesystems durchzuführen. Aktuelle Dummys sind nicht in der Lage, eine realistische Prognose dieser Verletzungen zu generieren. HBMs zeigen ein deutliches Potential, um diese Aufgabe zu übernehmen. Eine Simulationsmatrix mit einem breiten Spektrum von Crashschweren und Rückhaltsystemen wurde als Benchmarkbasis aufgebaut. Die Ergebnisse aus dem H350 zeigen bei einer stetigen Reduktion der Rückhaltbelastung keine Reduktion des Brustbeinverletzungsrisikos. Mit HBMs zeigt diese Reduktion jedoch eine deutliche Minimierung dieses Risikos. Eine Altersabhängigkeit des Brustbeinverletzungsrisikos ist nicht von aktuellen Dummys prognostizierbar. Nur optimierte HBMs werden altersabhängige Effekte korrekt nachbilden. Faktoren wie eine realistischere Kortikalschicht und ein korrektes Verknöcherungsmuster der Knorpel sind erforderlich. Die Verletzungsprognose eines optimierten „altersabhängigen“ HBM (Thums-elderly) zeigt eine starke Abhängigkeit von der Crashschwere, es zeigt jedoch eine geringere Sensitivität nach einer Reduktion der Rückhaltbelastung im Vergleich zu dem nicht-altersabhängigen HBM (Thums-original).

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Crash, Simulation, Human, Model, Sternum
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 20. Dezember 2018
• 1. Bericht­erstatter:in: Graw, Matthias