Radfahren in der Stadt 230.002 VO 2 · Ermittlung von Belastungsgrenzen: ab wann ist eine...

Radfahren in der Stadt 230.002 VO 2.0

Helm auf – Unfallbiomechanische Aspekte des Radfahrens Ao.Prof. DI.Dr. Heinz-Bodo Schmiedmayer E-Mail: [email protected] Tel.: +43 (1) 58801-325115 Fax.: +43 (1) 58801-9325115

Inhalt

Ein paar Zahlen und Fakten. Begriffe und Methoden der Unfallbiomechanik. Kopfverletzungen und deren Zusammenhang mit

Kopfverzögerung. Konsequenzen für Fahrradhelme und Prüfnormen.

05.05.2014 230.002 - Radfahren in der Stadt - Schmiedmayer: Helm auf – Unfallbiomechanische Aspekte des Radfahrens 2

Einige Zahlen zu Beginn

Im Jahr 2002 mehr als 1,2 Millionen Verkehrstote pro Jahr weltweit1. Tendenz steigend auf 1,9 Mio. im Jahr 20202.

In Europa1: • ca.127,000 Todesopfer durch Verkehrsunfälle pro Jahr; • mehr als 2.4 Millionen Verletzte durch Verkehrsunfälle pro Jahr; • Mehr Kinder und junge Erwachsene in der Altersgruppe von 5 bis 29 Jahren

sterben an den Folgen von Verkehrsunfällen als aus anderen Gründen. Unfallverletzungen sind der größte Anteil (43%) in der Kategorie der

externen Kosten im innereuropäischen Verkehrsaufkommen: € 225 Milliarden/Jahr oder 2.5–3.0% des GDP von 27 Mitgliedsländern plus Norwegen und Schweiz3.

Etwa die Hälfte aller Todesopfer weltweit sind “vulnerable road users”: Fußgänger, Radfahrer und Motorradfahrer2.

1 http://www.euro.who.int/en/what-we-do/health-topics/environmental-health/Transport-and-health/facts-and-fiigures/injuries2

2 http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs358/en/ 3 http://ecocalc-test.ecotransit.org/CE_Delft_4215_External_Costs_of_Transport_in_Europe_def.pdf


http://www.euro.who.int/en/what-we-do/health-topics/environmental-health/Transport-and-health/facts-and-fiigures/injuries2http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs358/en/http://ecocalc-test.ecotransit.org/CE_Delft_4215_External_Costs_of_Transport_in_Europe_def.pdf

Relative Todesursache nach Altersgruppen (Deutschland 2004)


traffic

cancer

heart deseases, etc.

other deseases

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

traffic other accidents suicide drug/alcohol cancer heart deseases, etc. other deseases

Statistisches Bundesamt, Wiesbaden 2005

Fußgänger 4.114 9%

Fahrrad 6.284 13%

Moped 4.607 10%

Motorrad 3.984 8%

PKW 26.047

55%

Bus 737 1%

LKW 1.009 2%

Sonstige 807 2%

Verletzte

Fußgänger 82 18%

Fahrrad 51 11% Moped

15 3%

Motorrad 87 19%

PKW 193 43%

Bus - 0%

LKW 21 5%

Sonstige 6 1%

Getötete

Verletzte und getötete Verkehrsteilnehmer in Österreich 2013


Quelle: Statistik Austria (http://www.statistik.at/web_de/statistiken/gesundheit/unfaelle/strassenverkehrsunfaelle/index.html)

Verletzungshäufigkeit unterschiedlicher Körperregionen


H.F. Simpson: National hospital study of road accident casualties, TRL REPORT 272; 1997

Inhalt




Was ist Unfallbiomechanik?

Studiert das Verhalten des menschlichen Körpers unter extremen Belastungssituationen. Ziel:

Reduktion der Verletzungshäufigkeit und Verletzungsschwere.

Weg: Identifikation von Verletzungsmechanismen Ermittlung von Belastungsgrenzen: ab wann ist eine

Verletzung einer bestimmten Schwere zu erwarten?


Nicht alles kann man erklären!


Mike Harmon Bristol Crash found on YouTube http://www.youtube.com/watch?v=mEv6bxTwNmA

Verletzung

Man spricht von Verletzung, wenn das Gewebe geschädigt oder zerstört wird bzw. wenn es seine normale Funktion nicht mehr erfüllt. Verletzung tritt bei Überlastung des Gewebes infolge unterschiedlicher Ursachen ein: mechanisch, chemisch, thermisch, elektrisch.


Strategien zur Reduktion von Verletzungen und ihren Folgen

Exposure Control: Ersatz gefährlicher Verkehrsformen durch weniger gefährliche.

Crash Prevention: Technische Maßnahmen zur Minimierung des Unfallrisikos.

Injury Prevention (Injury Control): Reduktion von Zahl und Schwere von Verletzungen im Falle eines Unfalls.

Behaviour Modification: Verhaltensänderung der Verkehrsteilnehmer, um von obigen Maßnahmen zu profitieren.

Post Injury Management: Effiziente medizinische Versorgung im Falle eines Unfalls.


Injury Prevention

Unfallumgebung: • Leitplanken, Sturzräume, …

Crashworthiness: • Knautschzonen, Polsterungen, …

Insassenbewegung: • Maßnahmen der Crashwortiness müssen Nutzbar sein. • Reduktion von Kontakten mit dem Fahrzeuginnenraum, …

Reduktion der Stoßbelastungen zwischen Unfallopfer und Umgebung (z.B. Helm): • Energieabsorption; • Lastverteilung; • Verhindern von Durchdringungen.


Maßnahmen zur Verkehrssicherheit und Entwicklung der Verkehrstoten in Österreich


Statistik Austria: Straßenverkehrsunfälle 2009, p31.

Last-Verletzungs-Modell


Unfall

Mechanische Belastung

Biomechanische Systemantwort

Verletzungs- mechanismus

Verletzung

Injury prevention

Verletzungstoleranzen

Verletzung: Schwere – Kriterium – Toleranz

Verletzungsschwere: Quantifiziert die Verletzung im Sinne des Ausmaßes der physiologischen und/oder strukturellen Schädigung. Verletzungsskalen: AIS, GCS, IPR, … .

Verletzungskriterium: Physikalischer Parameter bzw. Eine Funktion aus mehreren physikalischen Parametern der biomechanischen Systemantwort, die gut mit der Verletzungsschwere korreliert. Z.B.: Beschleunigung, Kraft, Deformation, HIC, …

Verletzungstoleranz (injury criterion level): Grenzwert für das Verletzungskriterium, ab dem mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit eine Verletzung bestimmter Schwere zu erwarten ist. Große individuelle Unterschiede!


Inhalt




Außerhalb: 5-7 mm • Skin (Epidermis and Dermis) • Connective tissue • Aponeurosis • Loose connective tissue • Periost Neuro-cranium: 4-7 mm • Stirnbein (1) frontal • Scheitelbein (2) parietal • Schläfenbein (2) temporal • Hinterhauptbein (1) occipedal • Keilbein (1) sphenoid • Siebbein ethmoid

Anatomie des Schädels: Knochen


Henry Gray: Anatomy of the Human Body. 1918

dura mater • Außen (periosteal) • Innen (meningeal)

Subdurale cavität gefüllt mit cervicospinaler Flüssigkeit (CSF)

Arachnoid Subarachnoidale

Cavität: gefüllt mit CSF

Pia mater CSF: ~140ml

Anatomie des Schädels: Meninges


Henry Gray: Anatomy of the Human Body. 1918

http://www.bartleby.com/107/193.html

Frakturen des Neuro-Cranium

Schädelbasisbruch: Hohes Risiko einer Verletzung der Dura und Kontamination des CNS

Fraktur der Schädeldecke: • Lineare Frakturen (ohne Verschiebung der Knochenplatten):

− Meist als nicht besonders schwer eingestuft (≤ AIS2) − Meist ist jedoch auch Verletzungen des Gehirns zu beobachten

(AIS 1-6). • Trümmerfrakturen (mit Verschiebung der Fraktursegmente):

Hohe Wahrscheinlichkeit von Schädigung des Gehirns und von Hämatomen.


Hirnverletzungen

Diffuse Hirnverletzungen: Physiologische Veränderungen. (Meist keine anatomisch sichtbaren Verletzungen).

Ca. 40% der der Kopfverletzungen in Spitalsbehandlung. Ca. 1/3 der Todesfälle durch Kopfverletzungen. Gehirnerschütterung (leicht, mittel, schwer) Fokale Hirnverletzungen: Immer anatomischen

Verletzungen sichtbar. Ca. 50% der der Kopfverletzungen in Spitalsbehandlung. Ca. 2/3 der Todesfälle durch Kopfverletzungen.. Hämatome: Epidural (EDH); Subdural (SDH & ASDH);

Intrazerebral (ICH). Hirnquetschung


Injury

Dynamic

Load Injury Model for the Head


Static

Impulse

Impact

Contact Phenomena Shock waves Skull Bending Penetration Perforation

Fractur

Focal Effects

DiffuseEffects

Strains

Shear Tension

Compression

Focal Concussions

Focal Effects

DiffuseEffects

Cerebral Concussion

Primary brain Lesions

Scull fracture

Rotation

Translation

Inertial loading

Load

Mechanical Input

Wayene State Tolerance Curve (WSTC)

Impulsdauer: • Kurz: lineare Fraktur der

Schädeldecke (korreliert mit einer Gehirnerschütterung)

• Mittel: Druckmessung als Verletzungskriterium.

• Lang: Asymptotischer Wert ⇒ Angehoben auf 80 (g)

Mittlere Verzögerung über Impulsdauer. Über der Kurve besteht hohes Risiko einer Hirnverletzung

(AIS3+). Kopfaufschlag auf eine Starre bzw. Gepolsterte Platte. Drucksensoren durch die Schädeldecke. Beschleunigungsaufnehmer am Hinterkopf! Bestätigt durch spätere Experimente in Japan (JHTC)


0 2 4 6 8 10 12 30 100 t (ms)

500

400

200

300

100

0

volunteers Animal and cadaver exp.

Embalmed cadaver heads

aeff (g)

42(g) 80 (g)

exceeds tolerance level

Below tolerance level

Severity Index

Schwierigkeiten bei der Definition von Impulsdauer und mittlerer Beschleunigung.

Gadd (1962): “weighted impulse criterion” = Severity Index (SI) auf Basis der WSTC:

𝑆𝑆 = � 𝑎 𝑡 2.5𝑑𝑡𝑇

0

Zeichnet man die WSTC in doppeltlogarithmischem Maßstab, so erhält man im Bereich zwischen 2.5 und 50 ms eine Gerade mit der Neigung 2.5.

Von Gadd vorgeschlagene Grenzwerte: Frontal impact 𝑆𝑆 < 1000; Non contact impact 𝑆𝑆 < 1500.


Head Injury Criterion (HIC)

Versace (1971): „A review of the Severity index“:

𝐻𝑆𝐻 = max𝑡1,𝑡2

𝑡2 − 𝑡11

𝑡2 − 𝑡1� 𝑎 𝑡 𝑑𝑡𝑡2

𝑡1

2.5

Beschleunigungsmessung im Massenmittelpunkt des Kopfes!

Tolerance level: 𝐻𝑆𝐻 < 1000; (concussion in frontal impact).

Beschränkung des maximalen Zeitintervalls auf (t2 - t1) < 36(ms) (HIC36).

Maßgebliches Kriterium für die Beurteilung von Kopfverletzungsrisiko von Fahrzeuginsassen: ECE R-94


No precise separation between non-injurious and injurious load conditions due to human variability!

54 cadavers tested on cranial fracture.

Maximum likelihood method applied to the 43 data-points in the overlap region

50% risk at HIC~1450.

HIC and Injury Probability


Normal distribution

Weibull distribution

Impact Experiments from Several Sources

vmax

0.03

100

50

2.5

10

5

0.05

3

30

3 6

3

Impact Velocity

[ ]m/s

Free Fall Distance [ ]m

Deceleration Distance [ ]m

1000g0.

001s

ec

0.5

500 250

1.81.20.6

300

100

100

30

10

10

1

0.3

0.01 0.3

Approximated Terminal Velocity of Humans in Free Fall

Appro

ximate

d Surv

ival Li

mit (1

75-200

g)

0.1

0.25

1

0.01

0.1

1

25

OpeningParachute

Paracute-landing

Catapults

Head ImpactsTolerated with Helmets

Severe Automobile Accidents

Head Impact when Falling from Standing

FallsSurvived

Fall intoFireman‘s Net

Ejection SeatAccelertation


Snyder, R.G.: „Human Impact Tolerance - American Viewpoint“. SAE Paper 700398; 1970.

Inhalt




Helme für Radfahrer und für Benutzer von Skateboards und Rollschuhen (EN 1078)

Die Anforderungen und die entsprechenden Prüfverfahren beziehen sich auf folgende Punkte: • Konstruktion, einschließlich Sichtfeld; • stoßdämpfende Eigenschaften; • Eigenschaften der Trageeinrichtung, einschließlich Kinnriemen,

und Befestigungsvorrichtungen; • Kennzeichnung und Information

Der Helm besteht in der Regel aus einer Vorrichtung, die die Mittel zur Dämpfung der Aufprallenergie enthält, und aus Vorrichtungen, die den Helm bei einem Unfall auf dem Kopf des Trägers festhalten.

„Stoßschutzhelm für Kleinkinder“ (EN 1080) enthält im Wesentlichen ähnliche Bestimmungen unter besonderer Berücksichtigung des Risikos der Strangulierung.


Sichtfeld:

Helm auf Prüfkopf gemäß EN 960:2006 aufsetzen und mit einer Last von 50N fixieren. Legende 1 Bezugsebene 2 Basisebene 3 Vorderseite 4 Hinterseite 5 vertikale Längs-Mittenebene 6 vertikale Quer-Mittenebene


Legende 1 Bezugslinie für die Winkelmessung 2 Bezugsebene 3 Prüfkopf 4 Helm

Stoßdämpfungsvermögen

Festlegung der Prüfzonen für Aufschläge auf: • flachen Sockel ( 130mm); • Bordsteinförmigen Sockel

(H 50mm, B 125mm; R 15mm; Seiten 52,5° zur Vertikalen).

Vorbehandlung der Helme • Wärme: 50°C 4-6h • Kälte: -20°C 4-6h • Alterung UV 48h

H2O 6h


Triaxiale Beschleuni-gungsmessung am Prüfkopf (Messbereich > 2000g).

Geschwindigkeitsmes-sung vor Aufprall. • Flacher Sockel: 5.42 m/s

(Fallhöhe 1497 mm) • Bordstein: 4.57 m/s

(Fallhöhe 1064 mm)

Zulässige Maximalbeschleunigung: 250 g.

Stoßdämpfungsvermögen (forts.)


Dynamische Belastung mit 4 kg Fallgewicht aus 600mm Fallhöhe.

Dynamische Dehnung < 35 mm.

Bleibende Dehnung nach 2 min < 25 mm

Beschädigungen der Tragevorrichtung sind zulässig solange obige Bedingungen erfüllt sind.

Festigkeit der Trageeinrichtung


Legende 1 Fundament 2 Bezugsebene 3 Fallgewicht, Masse 10 kg 4 Führungseinrichtung, Masse 3 kg 5 Umlenkrolle Ø 100 mm 6 flexibles Band ≥ Ø 3 mm

Wirksamkeit der Trageeinrichtung

Geprüft werden drei Prüfkopfgrößen für die jeweilige Helmgröße.

Der Helm darf sich nicht vom Prüfkopf ablösen!


Ein Gedankenexperiment: Aufprallgeschwindigkeit

und Fallhöhe. Bei Kopfaufprall benötigt

dieser Zeit und Weg, um gebremst zu werden!

Die „Knautschzone“ ist ohne Helm sehr klein (≈ 6 mm).

Der Helm bietet mehr Knautschzone (≈30 mm).

Nun das reale Experiment!

Muss der Helm wirklich sein?


𝒗𝒐 𝐤𝐤/𝐡 Höhe 𝒉

10 0,39 m

15 0,88 m

20 1,57 m

25 2,46 m

30 3,54 m

𝒂𝒐 ohne 𝒂𝑯 mit

66 g 13 g

147 g 29 g

262 g 52 g

410 g 82 g

590 g 118 g

ℎ 6 mm

𝑣0

30 mm

𝑣0

Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Und nicht vergessen: Helm auf!

Radfahren in der Stadt230.002 VO 2.0�Helm auf – Unfallbiomechanische Aspekte des RadfahrensInhaltEinige Zahlen zu BeginnRelative Todesursache nach Altersgruppen�(Deutschland 2004)Verletzte und getötete Verkehrsteilnehmer in Österreich 2013Verletzungshäufigkeit unterschiedlicher KörperregionenInhaltWas ist Unfallbiomechanik?Nicht alles kann man erklären!VerletzungStrategien zur Reduktion von Verletzungen und ihren FolgenInjury PreventionMaßnahmen zur Verkehrssicherheit und Entwicklung der Verkehrstoten in ÖsterreichLast-Verletzungs-ModellVerletzung: Schwere – Kriterium – ToleranzInhaltAnatomie des Schädels: KnochenAnatomie des Schädels: MeningesFrakturen des Neuro-CraniumHirnverletzungenLoad Injury Model for the HeadWayene State Tolerance Curve (WSTC)Severity IndexHead Injury Criterion (HIC)HIC and Injury ProbabilityImpact Experiments from Several SourcesInhaltHelme für Radfahrer und für Benutzer von Skateboards und Rollschuhen (EN 1078)Sichtfeld:StoßdämpfungsvermögenStoßdämpfungsvermögen (forts.)Festigkeit der TrageeinrichtungWirksamkeit der TrageeinrichtungMuss der Helm wirklich sein?Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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