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Radfahren in der Stadt
230.002 VO 2.0
Helm auf – Unfallbiomechanische
Aspekte des Radfahrens
Ao.Prof. DI.Dr. Heinz-Bodo Schmiedmayer
E-Mail:
Tel.:
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[email protected]
+43 (1) 58801-325115
+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
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3
Relative Todesursache nach Altersgruppen
(Deutschland 2004)
100%
other deseases
90%
80%
70%
heart deseases,
etc.
60%
50%
40%
cancer
30%
20%
10%
traffic
0%
traffic
other accidents
suicide
drug/alcohol
cancer
heart deseases, etc.
other deseases
Statistisches Bundesamt, Wiesbaden 2005
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Verletzte und getötete Verkehrsteilnehmer
in Österreich 2013
Verletzte
Fußgänger
4.114 9%
Sonstige
807 2%
Fahrrad
6.284 13%
Getötete
Moped
4.607 10%
Motorrad
3.984 8%
LKW
1.009 2%
Bus
737 1%
Sonstige
6 1%
Fußgänger
82 18%
LKW
21 5%
Fahrrad
51 11%
Moped
15 3%
Motorrad
87 19%
Bus
- 0%
PKW
26.047
55%
PKW
193 43%
Quelle: Statistik Austria (http://www.statistik.at/web_de/statistiken/gesundheit/unfaelle/strassenverkehrsunfaelle/index.html)
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Verletzungshäufigkeit unterschiedlicher
Körperregionen
H.F. Simpson: National hospital study of road accident casualties, TRL REPORT 272; 1997
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Inhalt
Kopfverzögerung.
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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?
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Nicht alles kann man erklären!
Mike Harmon Bristol Crash found on YouTube http://www.youtube.com/watch?v=mEv6bxTwNmA
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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.
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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.
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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.
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Maßnahmen zur Verkehrssicherheit und
Entwicklung der Verkehrstoten in Österreich
Statistik Austria: Straßenverkehrsunfälle 2009, p31.
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Last-Verletzungs-Modell
Unfall
Mechanische
Belastung
Injury prevention
Verletzungstoleranzen
Biomechanische
Systemantwort
Verletzungsmechanismus
Verletzung
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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!
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Inhalt
Kopfverzögerung.
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Anatomie des Schädels: Knochen
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
Henry Gray: Anatomy of the Human Body. 1918
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17
Anatomie des Schädels: Meninges
 dura mater



Henry Gray: Anatomy of the Human Body. 1918
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

• Außen (periosteal)
• Innen (meningeal)
Subdurale cavität
gefüllt mit
cervicospinaler
Flüssigkeit (CSF)
Arachnoid
Subarachnoidale
Cavität: gefüllt mit
CSF
Pia mater
CSF: ~140ml
18
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.
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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
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Load Injury Model for the Head
Load
Static
Injury
Mechanical
Input
Contact
Phenomena
Dynamic
Impact
Shock waves
Skull Bending
Penetration
Perforation
Fractur
Inertial
loading
Impulse
Focal
Effects
Diffuse
Effects
Strains
Shear
Tension
Compression
Focal
Effects
Diffuse
Effects
Focal
Concussions
Cerebral
Concussion
Primary brain
Lesions
Scull
fracture
Rotation
Translation
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Wayene State Tolerance Curve (WSTC)
 Impulsdauer:
aeff (g)
Embalmed cadaver Animal and
heads
cadaver exp.
500
• Kurz: lineare Fraktur der
volunteers
Schädeldecke (korreliert mit
einer Gehirnerschütterung)
400
exceeds tolerance level
300
• Mittel: Druckmessung als
200
Verletzungskriterium.
100
80 (g)
42(g)
Below tolerance level
0
0
2
4
6
8
10
12
30
100
t (ms)
• 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)
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Severity Index
 Schwierigkeiten bei der Definition von Impulsdauer und
mittlerer Beschleunigung.
 Gadd (1962): “weighted impulse criterion” = Severity
Index (SI) auf Basis der WSTC:
𝑇
𝑆𝑆 = � 𝑎 𝑡
0
2.5 𝑑𝑑
 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.
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Head Injury Criterion (HIC)
 Versace (1971): „A review of the Severity index“:
𝐻𝐻𝐻 = max
𝑡1 ,𝑡2
𝑡2 − 𝑡1
𝑡2
1
� 𝑎 𝑡 𝑑𝑑
𝑡2 − 𝑡1 𝑡1
2.5
 Beschleunigungsmessung im Massenmittelpunkt des
Kopfes!
 Tolerance level: 𝐻𝐻𝐻 < 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
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HIC and Injury Probability
 No precise
Normal distribution
Weibull distribution
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separation
between noninjurious 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.
25
Impact
Velocity 100
[m/s]
vmax
Approximated Terminal Velocity
of Humans in Free Fall
ate
m
i
ox
pr
Ap
Severe
Automobile
Accidents
0g
20
5
17
t(
i
Lim
0
50
0
25
)
0
10
50
Free Fall
Distance [m]
25
Opening
Parachute
300
10
100
5
Fall into
Fireman‘s Net
2.5
30
1
30
al
v iv
r
u
dS
g
00
10
0.1
0.0
1
0.0
0
1s
ec
Impact Experiments from Several Sources
Falls
Survived
10
Head Impact when
Falling from Standing Head Impacts
Tolerated with
Helmets
3
Ejection Seat
Accelertation
1
10
0.5
Paracutelanding
5
0.2
0.1
3
1
Catapults
0.3
0.01
0.03 0.05
0.3 0.6 1.2 1.8 3
Deceleration Distance [m]
6
Snyder, R.G.: „Human Impact Tolerance - American Viewpoint“. SAE Paper 700398; 1970.
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Inhalt
Kopfverzögerung.
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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.
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Sichtfeld:
Helm auf Prüfkopf gemäß
EN 960:2006 aufsetzen und
mit einer Last von 50N
fixieren.
Legende
1
2
3
4
5
6
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Bezugsebene
Basisebene
Vorderseite
Hinterseite
vertikale Längs-Mittenebene
vertikale Quer-Mittenebene
29
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
Legende
1
2
3
4
Bezugslinie für die Winkelmessung
Bezugsebene
Prüfkopf
Helm
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Helme
• Wärme:
• Kälte:
• Alterung
50°C
-20°C
UV
H2O
4-6h
4-6h
48h
6h
30
Stoßdämpfungsvermögen (forts.)
 Triaxiale Beschleunigungsmessung am
Prüfkopf
(Messbereich > 2000g).
 Geschwindigkeitsmessung vor Aufprall.
• Flacher Sockel: 5.42 m/s
(Fallhöhe 1497 mm)
• Bordstein:
4.57 m/s
(Fallhöhe 1064 mm)
 Zulässige
Maximalbeschleunigung:
250 g.
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Festigkeit der Trageeinrichtung
 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.
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Wirksamkeit der Trageeinrichtung
 Geprüft werden drei
Prüfkopfgrößen für die
jeweilige Helmgröße.
 Der Helm darf sich nicht
vom Prüfkopf ablösen!
Legende
1
2
3
4
5
6
Fundament
Bezugsebene
Fallgewicht, Masse 10 kg
Führungseinrichtung, Masse 3 kg
Umlenkrolle Ø 100 mm
flexibles Band ≥ Ø 3 mm
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Muss der Helm wirklich sein?
ℎ
𝑣0
6 mm
𝑣0
30 mm
10
Höhe 𝒉
0,39 m
𝒂𝒐 ohne
15
0,88 m
147 g
29 g
20
1,57 m
262 g
52 g
25
2,46 m
410 g
82 g
30
3,54 m
590 g
118 g
𝒗𝒐 𝐤𝐤/𝐡
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66 g
𝒂𝑯 mit
13 g
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!
34
Besten Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
Und nicht vergessen:
Helm auf!

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