CONFRONTO TRA HYBRID III E MODELLO DI CORPO UMANO IN LESIONI ALLA TESTA IN IMPATTI CON PENDOLO E TEST DI CADUTA VERTICALE
Benedetta Arosio, Davide Benetton, Mario Mongiardini, Garrett Mattos, Raphael Gzerbieta, Marco Anghileri
SOMMARIO
Lo scopo di questo lavoro è l’indagine e la comparazione tra Hybrid III e modello di corpo umano THUMS (Total Human Model for Safety) rispetto al comportamento di testa, collo e cervello in due differenti scenari di impatto. I due scenari considerati sono: impatti contro la testa in tre direzioni e drop test (test di caduta verticale) a tre altezze. Le risposte della testa sono state valutate attraverso il valore di HIC e le accelerazioni lineari. Per il modello di THUMS sono stati analizzati anche i danni al cervello.
I test sperimentali sono stati condotti con un modello di manichino Hybrid III 50° percentile. I risultati ottenuti sono stati utilizzati per confrontare le risposte dei due modelli a Elementi Finiti considerati.
Le simulazioni sono state svolte usando il codice non lineare esplicito e elementi finiti LS-DYNA.
Per valutare le accelerazioni e le forze in THUMS è stato necessario modellare appositi sensori. Un’analisi di sensitività è stata condotta analizzando diverse posizioni e diverse modalità per la modellazione di tali sensori per le misurazioni cinematiche.
A causa della grande sensibilità di THUMS in relazione alla posizione dove le forze nel collo sono misurate, si consiglia di integrare degli elementi atti alla misurazione di forze in THUMS in posizioni standard. La parte alta del collo è risultata come la più appropriata per le misurazioni delle forze.
Il comportamento di THUMS nelle situazioni analizzate è risultato essere più simile al comportamento umano di quanto lo fosse il manichino Hybrid III, il quale soprattutto in impatti non frontali fornisce risultati poco affidabili.
Keywords: lesioni alla testa, lesioni al cervello, Hybrid III, LS-DYNA, THUMS
INTRODUZIONE
Lesioni alla colonna vertebrale e alla testa, come trauma cranico (TBI, Traumatic Brain Injury) si possono riscontrare in diverse circostanze e portano molto spesso a gravi conseguenze. Per questo motivo la risposta di testa e collo in impatti è stata approfonditamente investigata in studi con animali [1], cadaveri [2], e volontari [1].
L'introduzione di manichini come simulacri di esseri umani ha dato inizio a un nuovo metodo per lo studio della risposta di un corpo umano in situazioni gravose. Un'importante innovazione legata all’introduzione dei manichini antropomorfi è la possibilità di ripetibilità dei test condotti. La necessaria durabilità che caratterizza un manichino antropomorfo, però, limita la biofedeltà di tale strumento; questa limitazione si riflette anche nel modello numerico di manichino, il quale è l’esatta riproduzione a elementi finiti della controparte sperimentale.
Tuttavia, l’introduzione di modelli numerici di manichino ha portato a una drastica riduzione di tempi e costi: una volta che il modello numerico è validato sulla base del corrispettivo sperimentale, lo si può utilizzare per l'analisi di innumerevoli scenari.
Va sottolineato però che i modelli numerici risultano inutilizzabili se non accuratamente correlati con la controparte sperimentale.
La prima parte dello studio descritto in questo articolo si basa proprio su questo: il confronto tra i test sperimentali condotti su testa e collo di Hybrid III sperimentale e la replica di tali test con la controparte numerica (LSTC.H3 103008V1.0 Rigid FE 50th, scaricabile dal sito di Livermore Software Technology Corporation (LSTC), e parzialmente modificato al Laboratorio di Sicurezza dei Trasporti, La.S.T.).
La seconda parte di questo studio si occupa dell’analisi delle differenze nelle risposte di modello di manichino e modello di corpo umano, con particolare attenzione alla risposta di testa e collo.
Diversi modelli matematici di corpo umano sono stati recentemente sviluppati per ottenere previsioni realistiche del comportamento di un essere umano in situazioni di crash e per aumentare la comprensione delle lesioni a seguito di fenomeni di impatto. I modelli di corpo umano sono alternative convenienti a cadaveri e permettono di evitare le problematiche etiche associate all’uso di questi ultimi. I modelli di corpo umano forniscono un efficiente metodo per la ricostruzione di numerosi test senza le sfide in termini di tempi e costi, legate a prove sperimentali. Modelli numerici di corpo umano hanno inoltre la potenzialità di predire danni fisicamente non osservabili in un modello di manichino, come le dinamiche di lesione che si possono verificare nel cervello (pressione intracranica, deformazione, danno a tessuti localizzati).
Uno dei modelli a elementi finiti di corpo umano recentemente sviluppato è il Total HUman Model for Safety (THUMS), implementato dal centro di ricerca e sviluppo di Toyota. THUMS è stato continuamente migliorato dalla sua prima comparsa nel 1997 ed è uno dei modelli di corpo umano più dettagliato commercialmente in circolazione. È stato utilizzato il metodo della Tomografia Computerizzata ad alta risoluzione (HRCT) per rappresentare accuratamente la geometria di un corpo umano comprensivo dei suoi organi interni. La base dati è proveniente da un essere umano di 39 anni di media corporatura [3]: THUMS infatti rappresenta un modello di uomo medio.
A partire dalla versione 4 è possibile simulare non solo la frattura delle ossa e i danni agli organi interni, ma anche le lesioni al cervello. In questo studio THUMS Versione accademica 4.02, AM50 (uomo medio, 50° percentile) versione pedone (standing) è stata utilizzata. Essa è caratterizzata da una mesh più fitta e da una stabilità numerica migliore rispetto alla versione precedente [3]. L’uomo medio 50° percentile di THUMS ha un’altezza di 1.73 m e un peso di 77.3 kg, con un Indice di Massa Corporea (BMI) pari a 25.8 kg/m2.
È interessante notare come solitamente nei database di incidenti, vengano notificati solamente gli indici di severità attraverso i criteri di lesione. Una delle ragioni principali per la grande diffusione dei criteri di lesione è il fatto che essi possono facilmente essere registrati attraverso i dati provenienti dal manichino Hybrid III.
Anche con la controparte numerica dei manichini Hybrid II, la valutazione dei criteri di lesione risulta altrettanto semplice.
Tuttavia questi parametri presentano alcune limitazioni: sono riferiti a danni localizzati in aree specifiche, come il baricentro della testa o la parte superiore o inferiore del collo, dove sono posti i sensori che misurano le grandezze cinematiche. Ad esempio, la risposta fisica del collo a un impatto è notoriamente variabile a livello intra cervicale, dal momento che il collo si muove in modo differente nella parte superiore e inferiore; questa variabilità non è contemplata e non è possibile apprezzarla attraverso i dati in uscita dal modello di manichino. Questo non è un limite nel THUMS, il cui comportamento somiglia a quello di un essere umano.
THUMS può essere considerato come un degno sostituto di Hybrid III in simulazioni di crash test, una volta effettuata una valida e affidabile correlazione tra criteri di lesione classici e risposte di THUMS in diversi scenari.
Le analisi svolte in questo studio possono essere considerate come un primo passo in questa direzione. Molte analisi e paragoni in aggiunta a questi sono però ancora necessari per poter introdurre THUMS in sostituzione al modello di Hybrid III, o quantomeno affiancare i due modelli.
METODOLOGIA
Il confronto tra Hybrid III sperimentale, il suo modello numerico e THUMS è stato effettuato considerando impatti con pendolo contro testa e collo in tre diverse direzioni, e impatti di caduta verticale di tutto il corpo a tre diverse altezze.
Tutti i testi sperimentali sono stati svolti con un manichino antropomorfo Hybrid III 50°percentile, il quale è considerato come strumento affidabile per la stima di risposte di un essere umano sia in condizione inerziali che sottoposto a carichi [4].
I test sperimentali svolti hanno come scopro primario la creazione di un insieme di dati relativi alla risposta di un manichino in configurazioni semplici, in modo dal poter verificare l’affidabilità del modello numerico usato nelle simulazioni.
Per gli impatti su testa in ambito numerico, la testa e il collo del modello Hybrid III e di THUMS (v4.02, pedestrian model) sono stati isolati dal resto del corpo. L’intero corpo dei modelli è invece stato utilizzato per i test di caduta verticale.
Le simulazioni sono state condotte utilizzando il solutore esplicito non lineare a elementi finiti LS-DYNA, versione 971 R8.0.
Le accelerazioni nella testa e le forze e i momenti nel collo sono stati misurati in tutti i test svolti, sia sperimentali che numerici. Tali grandezze sono state registrate per poter calcolare i criteri di lesione, che legano le risposte meccaniche dei manichini in un impatto a livelli di rischio e di lesione che si possono riscontrare in tale impatto. Quindi, il calcolo di accelerazioni nella testa e forze nel collo è fondamentale per capire ed eventualmente cercare di predire i danni a testa e collo conseguenti a un evento di impatto.
Le simulazioni con THUMS sono state precedute da analisi di sensitività condotte per valutare posizione e modalità di modellazione di elementi atti alla misurazione di forze e accelerazioni.
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