11.06.2021Fachbeitrag

Die biomechanische Validierung eines neuen biofidelen Dummys Teil 2

Andreas Schäuble, Michael Weyde
Um bei der Rekonstruktion von Fußgänger-Fahrzeug-Unfällen möglichst realistische Ergebnisse zu erzielen, wurde ein neuer biofideler Dummy entwickelt. Das Ziel der hier vorgestellten Arbeit war die biomechanische Validierung der biofidelen Eigenschaften dieses Crashtest-Dummys, auch Anthropomorphic Test Device (ATD) genannt. Hierfür wurden neun Crashtests mit dem Biofidel-Dummy durchgeführt. Die Testergebnisse wurden mit vier früheren Crashtests mit dem Zilina-Dummy, mit Leichenversuchen und 21 Realunfällen verglichen.
Die Trajektorien beider ATDs wurden berechnet und mit denen der Leichentests verglichen, wobei sich herausstellte, dass sich mit dem Biofidel-Dummy wesentlich realistischere Ergebnisse erzielen ließen als mit dem Zilina-Dummy. Die Schäden an den Fahrzeugfronten, die durch die beiden Dummys und bei Realunfällen entstanden sind, wurden miteinander verglichen, da realistische Schäden sehr wichtig für die Unfallrekonstruktion sind. Es konnte gezeigt werden, dass die Schäden, die der Biofidel-Dummy am Fahrzeug verursacht, den Schäden sehr ähnlich sind, die ein Fußgänger bei einem Realunfall von etwa derselben Schwere verursachen würde. Der Zilina-Dummy hingegen erzeugt am Fahrzeug wesentlich größere Schäden, was bei der Unfallrekonstruktion dazu führen könnte, dass vom Sachverständigen eine zu geringe Kollisionsgeschwindigkeit angenommen wird.
Der Anstoßfaktor, also das Verhältnis der durch den Anstoß erreichten maximalen Fußgängergeschwindigkeit zur Kollisionsgeschwindigkeit, wurde für beide ATDs berechnet, wobei hier mit beiden Dummys ähnliche Ergebnisse erzielt werden. Bei der Berechnung des dynamischen, zeitabhängigen Anstoßfaktors konnten allerdings Unterschiede in der Kinematik und Dynamik der beiden Dummys festgestellt werden.
Die Wurfweiten der beiden Dummys wurden mit Wurfweitendiagrammen, welche mithilfe der Daten aus Crashtests mit dem Zilina-Dummy sowie aus gut dokumentierten Realunfällen von DEKRA erstellt wurden, verglichen. Die mit dem Biofidel-Dummy erzielten Wurfweiten sind nach diesem Diagramm plausibel. Zuletzt wurden die Schäden am Biofidel-Dummy selbst analysiert und auf Verletzungen am menschlichen Körper übertragen. Diese "Verletzungen" des Biofidel-Dummys wurden mit den Verletzungen von bei Realunfällen verunglückten Fußgängern verglichen, wobei sich hier auf fünf spezielle Verletzungen konzentriert wurde, welche für die Unfallrekonstruktion hinzugezogen werden können. Im Allgemeinen waren die "Verletzungen" des biofidelen Dummys vergleichbar mit denen der Fußgänger.
[b]4.6 "Verletzungen" des Dummys[/b]
Im Büro für Unfallrekonstruktion Berlin wurden an acht Biofidel-Dummys "Autopsien" vorgenommen. Die Schäden der biofidelen Dummys wurden durch Zerlegung der Dummys ermittelt und diese Schäden dann entsprechenden Verletzungen eines Menschen zugeordnet. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass nur Knochenbrüche analysiert wurden, da der Dummy keine Verletzungen von Weichgewebe oder Organen nachahmen kann.
In [5] analysierte einer der Autoren die Korrelationen zwischen Kollisionsparametern, Fahrzeugschäden und Fußgängerverletzungen und kam zu dem Schluss, dass die Bruchmuster der langen Knochen in den unteren Extremitäten, Kniegelenksverletzungen, Knöchelverletzungen, Beckenverletzungen und Kopfverletzungen für Rekonstruktionszwecke verwendet werden können. Die folgende Analyse der Verletzungen des biofidelen Dummys konzentriert sich daher auf diese Verletzungen, da der Haupteinsatzbereich des Biofidel-Dummys in der Unfallrekonstruktion liegen wird. Das BILD 20 zeigt eine Übersicht über die Autopsie des im Crashtest wh18.25 verwendeten biofidelen Dummys.
[b]4.6.1 Frakturmuster der langen Knochen der unteren Extremitäten[/b]
Die charakteristische keilförmige Fraktur, bekannt als Messerer-Keilbruch, tritt häufig bei Fußgängern auf, die von einem Fahrzeug angefahren wurden [6]. Der Scheitelpunkt zeigt hierbei in Richtung des Geschwindigkeitsvektors des Fahrzeugs und ist somit ein Hinweis auf die Anprallrichtung.
Die Fraktur der unteren Extremität des biofidelen Dummys weist zwar nicht die charakteristischen zwei Flächen des Messerer-Keilbruchs mit dem in Stoßrichtung zeigenden Scheitelpunkt auf, dennoch ist ein eindeutiges Bruchmuster zu beobachten. Die Bruchfläche ist zunächst glatt und endet dann mit einem Vorsprung auf einer der beiden Bruchflächen. Wie bei dem Scheitelpunkt des Messerer-Keilbruchs zeigt dieser Vorsprung immer die Stoßrichtung an.
Knochen bestehen aus einem heterogenen Material, wohingegen für die des Biofidel-Dummys ein homogenes Material mit ähnlicher Festigkeit verwendet wird. Dieser Unterschied erklärt, warum verschiedene Bruchmuster bei Menschen und dem biofidelen Dummy zu beobachten sind. Nichtsdestotrotz lässt sich das Bruchbild des Dummys mit dem Messerer-Keilbruch vergleichen und als unterstützender Faktor zur Bestimmung der Stoßrichtung heranziehen. Das BILD 21 zeigt die Bruchmuster, die bei dem Biofidel-Dummy im Crashtest wh18.23 auftraten.
[b]4.6.2 Verletzungen des Kniegelenks[/b]
Die Kniegelenksverletzungen eines Fußgängers können nach avulsivem (Zug) oder kompressivem (Druck) Entstehungsmechanismus klassifiziert werden. Die resultierenden Verletzungen der Kondylen8 , Seitenbänder und der Kreuzbänder sind ein Indiz für die Stoßrichtung. Während Valgusflexionen9 nach lateralen Anstößen auftreten, lassen sich Varusflexionen10 nach mittigen Anstößen beobachten.
Die Knie des Biofidel-Dummys weisen eine sehr humanoide Anatomie auf. Die Biofidelität der Kniegelenksverletzungen wird anhand der linken Kniegelenke der in den Crashtest wh18.23 und wh18.25 verwendeten Dummys analysiert, die in BILD 22 und BILD 23 dargestellt sind. Der zugrunde liegende Verletzungsmechanismus ist hierbei die Varusflexion.
In Folge des Crashtests wh18.23 waren beim ATD das schwarze Band, was das laterale Seitenband darstellt, vom Oberschenkel abgerissen, wie in Bild 22 zu sehen ist. Diese Bänder sind an den Knochen geklebt. Hier war die Verbindung zum Knochen schwächer als das Band selbst, weshalb das Band abriss und kein Riss am Band selbst auftrat. Bei einem Realunfall wäre dieses Band jedoch gerissen. Dennoch kann dieser Schaden am biofidelen Dummy als gerissenes laterales Seitenband interpretiert werden. Außerdem sind sowohl das vordere als auch das hintere Kreuzband ausgefranst. Diese Verletzungen stimmen mit denen, die von [7] beim Menschen gefunden wurden, überein.
Beim Crashtest wh18.25 trat eine noch stärkere Biegung auf, was zum Bruch des medialen Tibia Condylus11 führte, wie in Bild 23 zu sehen ist. Außerdem waren das laterale Seitenband sowie das vordere und hintere Kreuzband gerissen. Das mediale Seitenband war auch nach diesem Anprall ausgefranst.
[b]4.6.3 Verletzungen des Knöchels[/b]
Die Verletzungen des Knöchels des biofidelen Dummys können noch nicht analysiert werden, da die Anatomie des Knöchels des ATDs nicht der des Menschen entspricht. Der Fuß ist aus Gummi und lediglich mit dem Unterschenkel verschraubt.
[b]4.6.4 Verletzungen des Beckens[/b]
Beckenverletzungen scheinen bei überfahrenen Fußgängern häufiger aufzutreten als bei solchen, die in aufrechter Haltung angefahren werden. Von [8] wurde festgestellt, dass Verletzungen des Iliosakralgelenks12 der geeignetste Parameter zur Bestimmung der Anprallrichtung bei seitlichen Anstößen sind und bis auf wenige Ausnahmen auf der stoßzugewandten Seite auftreten.
Von den acht getesteten Biofidel-Dummys traten nur an denen, die in Crashtest wh18.24 und wh18.26 verwendet wurden, Brüche des rechten Iliosakralgelenks auf, während die in Crashtest wh18.28 und wh18.29 verwendeten Dummys Brüche am linken Iliosakralgelenk erfuhren. BILD 24 zeigt die Frakturen des rechten Iliosakralgelenks, während das BILD 25 die Frakturen des linken Iliosakralgelenks zeigt. Die Verletzungen des Iliosakralgelenks stimmen mit denen von [8] berichteten überein. Jedoch traten nur zwei Verletzungen an der stoßzugewandten Seite auf, während die anderen beiden auf der stoßabgewandten Seite lagen.
Die Biofidel-Dummys, die in Crashtest wh18.25 und wh18.27 verwendet wurden, erlitten Verletzungen des Iliums13 nahe des Iliosakralgelenks. Beide Biofidel-Dummys erfuhren Brüche des rechten Iliums. Da diese Verletzungen so nah am Iliosakralgelenk liegen, könnten diese für die Unfallrekonstruktion als Verletzungen des Iliosakralgelenks betrachtet werden. Die Frakturen des linken und rechten Iliums des in Crashtest wh18.23 verwendeten Biofidel-Dummys befinden sich in größerer Entfernung zu dem jeweiligen Iliosakralgelenk, weshalb diese kaum als Verletzungen des Bereichs des Iliosakralgelenks betrachtet werden können.
Diese Klassifizierung ist jedoch subjektiv. Design und Konstruktion des biofidelen Dummys beeinflussen natürlich das Verletzungsmuster. Das BILD 26 zeigt die Fraktur des Iliums im Bereich des Iliosakralgelenks. In BILD 27 ist die Fraktur des Iliums außerhalb des Bereichs des Iliosakralgelenks zu sehen.
So traten von den sechs Verletzungen im Bereich des Iliosakralgelenks vier auf der stoßzugewandten Seite und zwei auf der stoßabgewandten Seite auf. Obwohl die Anzahl von Versuchen zu gering ist, um eine gültige Aussage treffen zu können, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass Verletzungen der Beckenregion für Rekonstruktionszwecke weniger zuverlässig sind als beispielsweise Verletzungen des Kniegelenks. Verletzungen des Acetabulums14 des biofidelen Dummys wurden ebenfalls häufig festgestellt. Nach [8] eignen sich diese Verletzungen jedoch weniger gut für die Unfallrekonstruktion. Dennoch stehen die Schäden am Acetabulum des Dummys in Einklang mit den von [8] beschriebenen Verletzungsmechanismen. Es wurden jedoch auch Knochensplitter am linken Acetabulum, also an der stoßabgewandten Seite, festgestellt.
Im Allgemeinen scheinen die Verletzungen der Beckenregion realistisch zu sein und in Einklang mit den in Literatur aufgeführten Verletzungen zu stehen. Dennoch wurden viele Verletzungen an der linken Seite des biofidelen Dummys gefunden.
Nach [8] treten Verletzungen des Beckens jedoch eher an der stoßzugewandten Seite, also hier an der rechten Seite des Biofidel-Dummys auf. Um festzustellen, inwieweit das Design und die Konstruktion des biofidelen Dummys die Verletzungsmuster des Beckens beeinflussen, bedarf es weiterer Untersuchungen. Beim Menschen wird das Becken durch eine Vielzahl von Sehnen und Bänder gestützt, was in der Beckenregion des Dummys nicht der Fall ist.
[b]4.6.5 Kopfverletzungen[/b]
Wie die Verletzungen des Knöchels, können auch die Kopfverletzungen bisher nicht analysiert werden. Dies liegt an der starren Bauweise des Dummy-Kopfs. Das neueste Design besteht aus einem Guss mit einem Hohlraum an der Schädelbasis. Innerhalb dieses rechteckigen Hohlraumes befindet sich die Halterung für die Wirbelsäule. Da diese Halterung mehr oder weniger ein starrer, rechteckiger Block ist, stützt diese den Schädel ab. So ist die Gesamtkonstruktion des Schädels so steif, dass dieser nicht bricht.
Ein Beispiel stellt der biofidele Dummy in Crashtest wh18.25 dar. Hier wurde der Dummy bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 99 km/h getroffen und der Kopf schlug auf der A-Säule auf. Die einzige Verletzung des Dummys am Kopf kann als Riss des Latex beziehungsweise des Neoprenanzugs mit Abschürfungen des darunter liegenden Scheitelbeins beschrieben werden. In Wirklichkeit wäre der Schädel gebrochen, was zu schweren Verletzungen des Gehirns geführt hätte, die der Mensch höchstwahrscheinlich nicht überleben würde.
[b]4.7 Vergleich mit Realunfällen[/b]
Wie auch bezüglich der Fahrzeugbeschädigungen wurden die Crashtests wh18.22 und wh18.26 mit denselben zwei Realunfällen mit Fußgängerbeteiligung verglichen.
Ohne jede Verletzung einzeln zu vergleichen, kann festgestellt werden, dass die Verletzungen des Biofidel-Dummys mit denen der Fußgänger weitestgehend übereinstimmen. Sowohl die Fußgänger als auch die Dummys erlitten Verletzungen des Thorax, der Schulter- und Beckenregion sowie der unteren Extremitäten.
Es ist allerdings zu beachten, dass die Fußgänger und die ATDs jeweils mit verschiedenen Fahrzeugen kollidierten. Darüber hinaus wirkt sich auch die individuelle Fitness eines Menschen auf seine biomechanische Eigenschaften aus, was die Variationen in den Verletzungsmustern erklärt. Die exakte Kinematik und Dynamik während des Aufpralls beeinflusst die Biomechanik zusätzlich und ein Crashtest wird diese niemals exakt nachbilden können.
Dennoch kann gefolgert werden, dass der biofidele Dummy bezüglich Frakturen ähnliche Verletzungen wie der Fußgänger erfährt. Bisher kann der biofidele Dummy aber keine Verletzungen von Weichgewebe oder Organen abbilden.
Das BILD 28 zeigt die verschiedenen Verletzungs-Diagramme.
[b]5 Einschränkungen[/b]
Während die repräsentativen Crashtests von DEKRA und der AXA Winterthur Versicherung mit dem biofidelen Dummy bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von circa 70 km/h und 100 km/h durchgeführt wurden, lag die Kollisionsgeschwindigkeit für die Crashtests mit dem Zilina-Dummy und den PMHS-Versuchen bei circa 40 km/h. Ein direkter Vergleich ist aufgrund der unterschiedlichen Anstoßenergien nur bedingt möglich. Jedoch wurden bereits früher erfolgreich Crashtests sowohl mit dem Zilina- als auch mit dem Biofidel-Dummy bei Kollisionsgeschwindigkeiten von circa 40 km/h bis 70 km/h durchgeführt. Dennoch wurden verschiedene Fahrzeuge verwendet, was ebenfalls einen Einfluss auf die Dynamik und Kinematik des Dummys oder des PHMS nimmt.
Da die Punkte für die Videoanalyse mittels des Programms Falcon manuell festgelegt wurden, unterliegt die Bestimmung der Trajektorien und Anstoßfaktoren geringen Fehlern. Allerdings wurde jeder Wert dreimal berechnet und der Durchschnitt verwendet, um die Ungenauigkeiten so weit wie möglich zu minimieren. Außerdem kann der biofidele Dummy nur Frakturen, aber keine Verletzungen von Weichgewebe oder Organen abbilden.
[b]6 Fazit[/b]
Der Biofidel-Dummy weist bereits ein hohes Maß an Biofidelität auf. Seine Trajektorien sind mit denen von PMHS vergleichbar und dieser ATD erzeugt realistische Fahrzeugbeschädigungen. Dies ermöglicht eine präzisere Bestimmung der Kollisionsgeschwindigkeit. Die erhaltenen Anstoßfaktoren sind ebenfalls plausibel und die Abweichungen zum Zilina-Dummy hierbei minimal. Es kann gefolgert werden, dass die derzeitige Methode zur Bestimmung des geometrischen Anstoßfaktors basierend auf dem Zilina-Dummy noch immer gültig ist und weiterhin angewendet werden kann. Diese Methode sollte nur überarbeitet werden, um die Genauigkeit der Ergebnisse zu verbessern. Dies bedarf jedoch weiterer Untersuchungen.
Die mit dem biofidelen Dummy erhaltenen Wurfweiten sind plausibel. Das einzigartige Merkmal des Biofidel-Dummys ist die Möglichkeit, Verletzungen abzubilden, die ein Fußgänger bei einem Fußgänger-Fahrzeug-Unfall ähnlicher Schwere erleiden würde. Die Verletzungen des Dummys weisen, besonders bezüglich der Kniegelenke, große Ähnlichkeiten mit Verletzungen von Fußgängern auf. So ermöglicht der biofidele Dummy den Gutachtern, einen Fußgänger-Fahrzeug-Unfall zu rekonstruieren und realistische Fahrzeugschäden, Wurfweiten und Verletzungen zu ermitteln. Dies eröffnet dem Feld der Unfallrekonstruktion neue Möglichkeiten.
Der Biofidel-Dummy wurde mittlerweile an einigen Stellen überarbeitet. So verfügt dieser über einen neu gestalteten Brustkorb und eine menschenähnlichere Wirbelsäule, wobei diese Bauteile im vorliegenden Paper nicht thematisiert wurden. Ferner wurde inzwischen das Fußgelenk neu konstruiert, verfügt nun über eine Art Kugelgelenk und sämtliche Bauteile sind aus dem Knochenmaterial gefertigt. Früher war der Fuß aus Gummi gegossen und mit dem Unterschenkelknochen verschraubt. Deshalb könnte die neueste Version Beschädigungen in diesem Bereich erfahren, was aber noch zu untersuchen ist.
Der Kopf ist in der neuesten Entwicklungsstufe ebenfalls aus dem Knochenmaterial gefertigt und kann brechen. Dies ist noch widersprüchlich zur Aussage in diesem Aufsatz. Allerdings schreitet die Entwicklung voran und die Versuche wurden noch mit der damaligen Bauweise des Kopfes durchgeführt.
Solange die mechanischen Belastungsparameter auf zertifizierte Weise ermittelt werden müssen, ist der Einsatz von hochentwickelten Dummys wie Hybrid-III-, THOR- und POLAR-Dummy unabdingbar.


Ausgabe, Nr, Seite: VKU 06/2021 S. 228-235
Seitenanzahl: 8
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