DE10215640B4

DE10215640B4 - Biomechanical physiological human model, in particular for determining the physical strain during driving and during a crash

Info

Publication number: DE10215640B4
Application number: DE2002115640
Authority: DE
Inventors: Lutz-Achim Gaeng; Peter Muench; Andreas Jentsch; Frank Klein; Christian Rothdiener; Erik Engelmann
Original assignee: Muench Peter Dr
Current assignee: Muench Peter Dr
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2022-04-10
Also published as: DE10215640A1

Abstract

Binmechanisches physiologisches Menschenmodell zur Bestimmung der körperlichen Belastungen beim Fahren und beim Crash wobei die Wirbelsäule der Testperson vollständig oder teilweise aus Wirbelkörpern (1) besteht, welche infolge ihrer Geometrie die gleichen Bewegungsmöglichkeiten wie bei einer Realperson zulassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelkörpergeometrien bezüglich Symmetrie und Detailgeometrie idealisiert und aus einem repräsentativen Querschnitt von Realpersonen ermittelt worden sind und die Bandscheiben mit den anuli fibrosi (2) und die nuclei pulposi (3), die maßgebenden Bänder (4) und der Weichteilmantel des Halses (5) aus künstlichen Materialien nachgebildet sind, die das typische anisotrope, nichtlineare elastische Verhalten des menschlichen Weichgewebes aufweisen.Binmechanisches physiological human model for determining the physical Loads during driving and during crash the spine of the Test person completely or partly from vertebral bodies (1) exists, which due to their geometry the same possibilities of movement as with a real person, characterized in that the vertebral body geometries in terms of Symmetry and detail geometry idealized and from a representative Cross section of real persons have been determined and the intervertebral discs with the anuli fibrosi (2) and the nuclei pulposi (3), the authoritative ones bands (4) and the soft tissue shell of the neck (5) made of artificial materials that are the typical anisotropic, nonlinear elastic behavior of the human soft tissue.

Description

Seit den fünfziger Jahren werden „Anthropomorphic Test Devices", genannt Dummies, zur Untersuchung der Sicherheit von Automobilen eingesetzt. General Motors hat 1976 den Hybrid 3 entwickelt, der noch heute in verschiedenen Größen Verwendung findet und im Moment auch den einzig rechtlich anerkannten Dummy darstellt.since the fifties Years "Anthropomorphic Test Devices ", called Dummies, used to investigate the safety of automobiles. general In 1976, Motors developed the Hybrid 3, which is still in use today Sizes are used and at the moment represents the only legally recognized dummy.

An der Testpuppe angebrachte Kraft- und Beschleunigungssensoren liefem in Kombination mit dem aufgezeichneten Bewegungsablauf physikalische Daten wie Kopfbeschleunigung, HIC (Head Injury Criterion), Brust-, Beckenbeschleunigung, Oberschenkelkräfte, usw. Aus der gemessenen Dauer, Anstiegsrate und dem Maximalwert der Krafteinwirkung können bei den mit dieser Testpuppe durchgeführten Frontalcrashs die gesundheitlichen Folgen für Insassen abgeschätzt werden.At the test dummy mounted force and acceleration sensors ranem in combination with the recorded movement physical Data such as head acceleration, HIC (Head Injury Criterion), chest, Pelvic acceleration, thigh forces, etc. From the measured Duration, rate of increase and the maximum value of the force can be at the frontal crashes carried out with this test dummy the health Consequences for Inmates estimated become.

Neben diesem Dummy gibt es spezielle Varianten für Seiten- und Heckaufpralltests. Für letztere ist 1997 der sog. RID (Rear Impact Dummy) ausgelegt worden, von dem mittlerweile Prototypen einer zweiten überarbeiteten Version in Erprobung sind.Next This dummy has special variants for side and rear impact tests. For the latter is 1997, the so-called RID (Rear Impact Dummy) was designed by the now prototypes of a second revised version in trial are.

Bei der Verwendung bisher eingesetzter Dummies hat sich gezeigt, dass eine große Diskrepanz zwischen Versuch und Realität existiert. Insbesondere können Belastungen, die zu Verletzungen der Halswirbelsäule (Halswirbelsäulentrauma) führen, nicht ursächlich erfasst werden. Fahrerbelastungen im Straßenverkehr bei unfallfreier Fahrt bis hin zur Pilotenbelastung in der Formel 1 können mit keinem der herkömmlichen Dummies eindeutig und reproduzierbar erfasst und interpretiert werden.at The use of previously used dummies has been shown to be a big There is a discrepancy between trial and reality. In particular, loads, the injury to the cervical spine (cervical spine trauma) to lead, not causal be recorded. Driver loads in traffic with accident-free Driving up to the pilot load in Formula 1 can with none of the conventional ones Dummies be clearly and reproducibly recorded and interpreted.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die biomechanischen Belastungen von Personen bei Fahrten und Unfällen genauer und realitätsnäher zu erfassen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Dummy in seiner sog. „Vivoäquivalenz" erheblich besser ausgelegt und bezüglich seiner Position und muskelanspannungsbezogenen Resistenz variabel gestaltet ist.Of the Invention is the object of the biomechanical loads of persons during trips and accidents more accurate and closer to reality. The object is achieved according to the invention solved, that the dummy in its so-called "Vivoäquivalenz" significantly better designed and respecting his Position and muscle tension-related resistance variably designed is.

In der Patentschrift DE 2525494 C3 wird auch von einem anatomisch und physiologisch menschenähnlichem Strukturgerüst für eine Versuchspuppe gesprochen. Die Begriffe Anatomie und Physiologie werden dort aber nur durch die anatomische Anzahl der Wirbelkörper und der Idee der Aufbringung einer Vorspannung realisiert, wobei sowohl die Gelenke zwischen den Wirbeln als auch der Kraftverlauf durch die Spanndrähte unphysiologisch sind. Dadurch sind die Bewegungsreaktionen des Dummys bei Belastungen nicht mit der Realität vergleichbar.In the patent DE 2525494 C3 is also spoken of an anatomically and physiologically human-like structural framework for a test dummy. The terms anatomy and physiology are realized there but only by the anatomical number of vertebral bodies and the idea of applying a bias, with both the joints between the vertebrae and the force curve through the tension wires are unphysiological. As a result, the movement reactions of the dummies are not comparable with the reality under load.

Des weiteren entsprechen die Zwischenwirbelscheiben sowohl in ihrem Belastungsverhalten als auch in ihrer Geometrie und in ihrem inneren Aufbau nicht einer menschlichen Bandscheibe. Somit sind mit dem in der Patentschrift DE 2525494 C3 beschriebenem menschenähnlichen Strukturgerüst keine relevanten Belastungen der Bandscheiben und Verletzungen deren Binnenstrukturen nachweisbar.Furthermore, the intervertebral discs do not correspond to a human intervertebral disc, both in their load behavior as well as in their geometry and in their internal structure. Thus, with the in the patent DE 2525494 C3 described human-like structural framework no relevant strains of the intervertebral discs and injuries whose internal structures detectable.

Es sind weitere Patente von Kopfmodellen veröffentlicht (z.B. DE 19742834 A1 ), die zur Demonstration der Rückwirkung biomechanischer Veränderungen im Kopf- und Halsbereich auf die Kaumuskulatur angeführt werden.There are more patents published by Kopfmodellen (eg DE 19742834 A1 ), which are used to demonstrate the retroactive effect of biomechanical changes in the head and neck area on the masticatory muscles.

Die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigenThe in the claims characterized invention will be explained with reference to the accompanying drawings. It demonstrate

1 die schematische, vereinfachte Darstellung einer Ausführungsart des Halsbereichs des Dummys, und 1 the schematic, simplified representation of an embodiment of the neck region of the dummy, and

2 den Bereich zwischen dritten und vierten Halswirbel als Schnitt zur Erläuterung der Wirbel-, Bandscheiben- und Sensoranordnung 2 the area between third and fourth cervical vertebrae as a section to explain the vertebral, intervertebral disc and sensor arrangement

Die verbesserte Vivoäquivalenz wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zum einen die Wirbelsäule vollständig oder teilweise aus Wirbelkörpern (1) besteht, welche infolge ihrer Geometrie die gleichen Bewegungsmöglichkeiten wie bei einer Realperson zulassen. Insbesondere besteht der Halswirbelsäulenbereich nicht wie bisher üblich aus Gummi-Aluminium-Verbundteilen, welche über ein zentral geführtes Drahtkabel mit der nötigen Vorspannung beaufschlagt werden, sondern aus repräsentativen Wirbelkörpern, deren Geometrie aus einem Spektrum entsprechend großer, weiblicher bzw. männlicher Realpersonen ermittelt und mittels geeigneter Maßnahmen optimiert und symmetrisiert worden sind. Des weiteren sind die Bandscheiben, bestehend aus anulus fibrosus (2) und dem nucleus pulposus (3), die maßgebenden Bänder (4) und der Weichteilmantel des Halses (5) aus künstlichen Materialien (letzterer z. B. aus faserverstärkten Elastomeren) anatomiegerecht nachgebildet, die das typische anisotrope, nichtlineare elastische Verhalten lebender Strukturen im menschlichen Körper aufweisen.The improved vivo equivalence is achieved according to the invention in that on the one hand the spine is completely or partially made up of vertebral bodies ( 1 ) which, due to their geometry, allow the same possibilities of movement as in a real person. In particular, the cervical spine region does not consist of rubber-aluminum composite parts, which are acted upon by a centrally guided wire cable with the necessary bias, but from representative vertebral bodies whose geometry is determined from a spectrum corresponding large, female or male real persons and by means of suitable Measures have been optimized and symmetrized. Furthermore, the intervertebral discs, consisting of annulus fibrosus ( 2 ) and the nucleus pulposus ( 3 ), the authoritative bands ( 4 ) and the soft tissue shell of the neck ( 5 ) made of artificial materials (the latter eg made of fiber-reinforced elastomers) anatomically modeled, which have the typical anisotropic, nonlinear elastic behavior of living structures in the human body.

Die von der Muskelspannung abhängige Resistenz des Dummys wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die künstlichen Testpersonen mit regel- bzw. steuerbaren künstlichen Muskeln (6) ausgestattet sind, so dass unterschiedliche statische und dynamische Muskelinnervationen (z.B. angespannt und schlafend) ebenso wie differente Kopf- und Körperpositionen einstellbar sind. Die künstlichen Muskeln können je nach Einsatzgebiet des Dummys durch Feder-Dämpfersysteme, die elektromotorisch oder mittels Gedächtnislegierungen steuerbar sind, durch sich verkürzende metallische Werkstoffe oder durch pneumatische bzw. elastomerpneumatische Antriebe realisiert werden. Die Wirkrichtung der Muskelkräfte wird mittels mehrerer miteinander verbundener Stahl- oder Elastomerseile bzw. mit geeigneten elastischen Körpern in typischer Muskelgeometrie mit oder ohne eingearbeiteten Fasern realisiert. Die Wirkrichtung ändert sich wie bei Realpersonen je nach Anstrengungsverhältnis.The muscle tension dependent resistance of the dummy is inventively achieved in that the artificial test persons with regular or controllable artificial muscles ( 6 ) are equipped so that different static and dynamic muscle innervations (eg tense and dormant) as well as different head and body positions are adjustable. Depending on the field of use of the dummy, the artificial muscles can be realized by spring-damper systems, which can be controlled by electric motors or by means of memory alloys, by shortening metallic materials or by pneumatic or elastomer-pneumatic drives. The effective direction of the muscular forces is realized by means of several interconnected steel or elastomeric cables or with suitable elastic bodies in typical muscle geometry with or without incorporated fibers. The direction of action changes, as in the case of real persons, according to the exertion ratio.

Entsprechende Kraft-, Druck- und Positionssensoren (7, 8; 9) ermöglichen gut reproduzierbare Versuchsanordnungen und automatisiertes Nachkalibrieren.Corresponding force, pressure and position sensors ( 7 . 8th ; 9 ) allow highly reproducible experimental setups and automated recalibration.

Claims

Binmechanical physiological human model for determining the physical stress during driving and during a crash, wherein the spine of the test subject is completely or partially made up of vertebral bodies ( 1 ), which due to their geometry allow the same possibilities of movement as in a real person, characterized in that the vertebral body geometries have been idealized in terms of symmetry and detail geometry and determined from a representative cross-section of real persons and the intervertebral discs with the anuli fibrosi ( 2 ) and the nuclei pulposi ( 3 ), the authoritative bands ( 4 ) and the soft tissue shell of the neck ( 5 ) are imitated from artificial materials having the typical anisotropic, nonlinear elastic behavior of human soft tissue.

Biomechanical physiological human model according to claim 1, characterized in that it is provided with controllable artificial muscles ( 6 ), so that different static and dynamic muscle innervations (eg strongly tense, tense and dormant) can also be adjusted to different head and pumping positions.

Biomechanical physiological human model according to claim 1 and 2, characterized in that force, pressure and position sensors ( 7 . 8th ; 9 ) allow well reproducible experimental arrangements and automated recalibration.

Biomechanical physiological human model after Claims 1 to 3, characterized in that the functional Systems of nerves and vessels modeled become.