Biomechanické modely člověka

Biomechanické modely člověka
pro průmyslové a klinické aplikace
Luděk Hynčík
Fakulta aplikovaných věd & Nové technologie – výzkumné centrum
Západočeská univerzita v Plzni
OBSAH
►
Impaktní biomechanika z pohledu prevence
►
Virtuální biomechanické modely člověka
►
Různé přístupy modelování
►
Validace modelů
►
Škálování modelů
►
Virtuální testování
►
Aplikace modelů
►
Průmyslové demonstrátory
►
Klinické aplikace
Model
VIRTHUMAN
MOTIVACE
►
Moderní matematické metody umožňují rozsáhlou analýzu
technických problémů numerickou cestou
►
Kombinace výpočtu a experimentu šetří náklady a vytváří
optimální cestu při vývoji nových výrobků
►
►
HMI = Human Machine Interaction
►
►
Virtuální prototyping
Nutnost adekvátního biomechanického modelu člověka
Různé stupně zjednodušení pro různé aplikace
►
Ne vždy je třeba mít časově náročný model
IMPAKTNÍ BIOMECHANIKA
►
Biomechanika
►
►
Aplikace mechaniky na biologické systémy
Impaktní biomechanika
►
Ochrana člověka před následky nárazu
►
Biomechanika sportu – globální chování
►
Biomechanika buňky – mikro chování
►
65 let výzkum od prostupu ionů buněčnou
membránou až po testy z celými mrtvolami
►
Různě zranitelné skupiny lidí
►
Prevence
PREVENCE
►
Strategie (silniční) dopravy
Strategie
Člověk
Vozidlo
Prostředí
(infrastruktura)
Pre-crash
Alkohol
Drogy
Biomechanika
poranění
Zabránění
Střetu
Pasivní
prvky
Design
Crash
Post-crash
Svodidla
Akutní pomoc Hoření
Záchranný
Rehabilitace
Automatické systém
přivolání
pomoci
HISTORIE
►
400 př. n. l. – Hippokrates – pády na měkké a tvrdé předměty
►
19. Století – Messerer – pevnost kostí
►
1920 – Hugh DeHaven – pády z výšky
(pilot 1. světové války, pády z letadel, 59 – 95 km/h)
►
1939 – pevnost hlavy na Wayne State University
(neurochirurg Steve Gurdjian a inženýr Herbert Lissner)
►
Hugh Cairns – vojenské přílby
►
Úzce spjato s automobilismem
►
1955 – John Paul Stapp (zpomalení
Schmitt et al. (2004)
v raketovém vozidle z 1000 km/h během 1,4 s, až 40 g)
HISTORIE Z POHLEDU DOPRAVY
►
1871 – první automobily
►
1885 – bezpečnostní pásy v kočárech
►
„Praporčík“ před autem – Velká Británie
►
1913 – Henry Ford
►
První experimentální figuríny a vybavení
►
První matematické modely (výpočetní technika)
►
Bezpečnostní pásy, správné užívání, chování pásů
►
1970 – 100.000.000 automobilů
►
2005 – 500.000.000
►
2040 – odhad 1.000.000.000
Seat belt patent
(1903)
Schmitt et al. (2004)
ZÁKLADNÍ PŘÍSTUPY
►
►
Základní principy
►
Mechanismus poranění (jak vzniká poranění)
►
Mechanická odezva (jak se chová tělo)
►
Tolerance lidského těla (limity)
►
Simulace nárazu lidského těla
Testování nárazů (různé možnosti, různé limity, kritéria)
►
Dobrovolníci
►
PMHS, PMTO, jejich části
►
Zvířata
►
ATD (Anthropometric Test Dummy)
STATISTIKY A DATABÁZE
►
Velké „policejní“ databáze
►
Malé laboratorní databáze
►
Nutnost prosazování
protokolovaného sběru dat
►
Obtížné podchycení nových
technologických trendů
Švýcarsko
(2000)
KRITÉRIA PORANĚNÍ
►
Konkrétní poranění je složité přesně modelovat
►
Korelace funkce fyzikálních parametrů (např. zrychlení,
rychlost, síla) s pravděpodobností výskytu jistého poranění
►
Většinou odvozena experimentálně (síla, rychlost)
►
Škálování
►
Stupnice AIS (Abbreviated Injury Scale)
►
0 … žádné (non-injured)
►
4 … těžké (severe)
►
1 … menší (minor)
►
5 … kritické (critical)
►
2 … mírné (moderate)
►
6 … nepřežitelné (unsurvivable)
►
3 … vážné (serious)
STUPNICE PORANĚNÍ
►
►
ISS (Injury Severity Score) – suma všech maxim na těle
►
Krk
►
Obličej
►
Hrudník
►
Břicho
►
Končetiny včetně pánve
►
Vnější povrch těla
ICS (Injury Cost Scale) – ekonomické hledisko
LEGISLATIVA
►
Standardizované figuríny
►
5% žena (1.510 m, 46.82 kg)
►
50% muž (1.751 m, 78.2 kg)
►
95% muž (1.873 m, 102.73 kg)
►
ECE (Economic Council for Europe)
►
NHTSA (National Highway Traffic
Safety Association)
►
FMVSS (Federal Motor Vehicles Safety Standards)
►
Drobné „místní“ rozdíly (rychlost, poloha)
►
Inteligentní vozidlo, elektromobilita
MECHANICKÉ FIGURÍNY
►
Čelní náraz: Hybrid III family, THOR
►
Boční náraz: EuroSID, SID, SID-HIII, BioSID, WorldSID, …
►
Zadní náraz: BioRID, RID2
►
Chodec: POLAR
►
Dítě: P0, P3/4, P3, P6, P10 Q-dummies, CRABI
►
Bezpečnostní pás: TNO-10
►
Impaktor: hlava, noha
►
Kalibrace a biofidelita
►
Lokální legislativa
CERTIFIKAČNÍ TESTY
►
Standardizované testy
►
Čelních zkoušky automobilu
►
►
FMVSS 208: HIC < 1000, Nij < 1, a3ms < 60
►
ECE R94: HPC < 1000, a3ms < 80, VC < 1
Bočních zkoušky automobilu
►
FMVSS 214: TTI < 85, amax < 130
►
ECE R95: HPC < 1000, VC < 1
►
ECE R66 předpis pro převrácení autobusu
►
ECE R42 a FMVSS 584 – chodci
►
Kolejová vozidla
ZÁKAZNICKÉ TESTY
►
Různé klasifikační systémy
(Evropa, USA, Japonsko)
►
EuroNCAP (New Car
Assessment Programme)
►
http://www.euroncap.com
Humanetics
Zdroj: Sborník 4. konference Human Modelling
and Simulation in Automotive Engineering
NUMERICKÉ MODELY
►
Nabývají na významu
►
Experimentální nebo numerická cesta
(akcelerometry, silové senzory, deformační senzory)
►
Legislativa
►
Výhoda modelování
►
Spočítáme nezměřitelné
(ať už z technických,
etických či jiných důvodů)
►
„Snadné“ škálování
HYBRID II
BIOMECHANIKA LIDSKÉHO TĚLA
►
Anatomie a fyziologie
►
Statická a dynamická zátěž
1.
Mechanismus poranění
2.
Mechanická odezva
3.
Tolerance lidského těla
4.
Simulace nárazu
►
Škálování výsledků
►
Protokoly, filtrace dat
►
Pravděpodobnost poranění
HLAVA
2.5
t2



1
 t 2  t1 
HIC  supt1 ,t2 
a
(
t
)
dt

 t 2  t1 t1




►
30% všech případů
►
Tupý úder do hlavy
►
Mechanismy – deformace, tlakové vlny, gradient tlaku, …
►
Epidurální výtok krve a pohmoždění mozku
►
4 kN – limit mezi frakturou lebky a pouze zrychlením
►
HIC = Head Injury Criterion (Gadd, 1961) + různé modifikace
►
Pravděpodobnost AIS2 lebky
►
ECE R22 a3ms  150 g
►
Rotační zrychlení
< 1 (poranění mozku)
 ln HIC    
p( fracture )  N 




 a(t )  n  (t )  m 
  
 
GAMBIT  
 ac   c  
1
k
HLAVA
AIS1
AIS2
AIS3
AIS4
AIS5
AIS6
Kůže: oděrky, povrchové rány
Obličej: zlomenina nosu
Kůže: značné potrhání
Klenba lebeční: jednoduchá nedislokovaná zlomenina
Čelist: otevřená dislokovaná zlomenina typu LeFort I a II
Lebka: zlomenina základu
Čelist: zlomenina typu LeFort III
Totální ztráta kůže
Jednoduché pohmoždění mozečku
Klenba lebeční: komplexní otevřená zlomenina, trhlina,
odkrytý mozek nebo ztráta části mozku
Malý epidurální nebo subdurální výtok krve
Významná penetrace (> 2 cm)
Stlačení mozkového kmene
Velký epidurální nebo subdurální výtok krve
Difúzní poranění mozku (DAI)
Masivní destrukce lebky i mozku (rozdrcení)
http://www.muhealth.org/~neuromed/epidural.shtml
PÁTEŘ
►
Převážně krční, nepřipoutaní a motocyklisté
►
Složité mechanismy – krut, smyk, whiplash, …
►
Specifické kritérium pro specifický směr
►
Bolest 5 – 10 miliard EUR ročně – tabulka WAD
►
Neck Injury Criterion (Bostrom, 1966)
►
Limitní hodnota pro AIS1 = 15
►
Další kritéria poranění
►
LNL (Lower Neck Load)
NIC t   0.2arel t   vrel t 
My
Fz
► NDC (Neck Displacement Criterion) Nij 

Fint M int
► ID-NIC (Intervertebral Disc NIC) – bolest
2
PÁTEŘ
AIS1 Kůže a svaly: oděrky, pohmožděniny, krevní výron
Malé ruptury
AIS2 Cévy: malé ruptury
Krční a hrudní páteř: dislokace bez zlomenin
Hrudní a bederní páteř:
vytlačení meziobratlových plotének
AIS3 Cévy: významné ruptury
Krční a hrudní páteř: vícenásobné ruptury kořenů nervů
AIS4 Krční a hrudní páteř: neúplné pohmoždění míchy
AIS5 Krční a hrudní páteř: ruptury v míše bez zlomenin
AIS6 Oddělení hlavy
Krční páteř: ruptura míchy u C3 nebo výše se zlomeninou
PÁTEŘ
►
Významné hledisko bolesti a rehabilitace
►
Tabulka WAD (Whiplash Associated Disorder)
Stupeň 0
Žádné potíže
Žádné fyzické příznaky
Stupeň 1
Bolest, zatuhnutí, měkkost
Žádné fyzické příznaky
Stupeň 2
Potíže
Svalově-kosterní příznaky
Stupeň 3
Potíže
Neurologické příznaky
Stupeň 4
Potíže
Zlomeniny nebo dislokace
HRUDNÍK
►
Tvrdé (ochranný vliv) i měkké tkáně
►
Stlačení, viskózní stlačení, setrvačnost
►
Zlomeniny žeber (airbag), pneumotorax, hemotorax
►
Pohmoždění srdce, prasknutí nebo utržení aorty
►
30 kg hrudníku je pak úměrné 17.6 kN, a3ms  60 g
►
Thoracic Trauma
Criterion (TTI)
►
Stlačení
►
Viskózní kritérium
►
Křivka
VCmax


1 rib
m
lspine
TTI  1.4 AGE  a max  aT 12
2
mstd
AIS  - 3.78  19.56 C
dD(t)
VC  V(t) C (t) 
C(t)
dt
HRUDNÍK – ŽEBRA
AIS1 Zlomenina 1 žebra
AIS2 Zlomenina 2 žeber
Zlomenina hrudní kosti
AIS3 Zlomenina 4 a více žeber na jedné straně
Zlomenina 2 až 3 žeber na obou stranách spojená
s proniknutím krve nebo vzduchu
(pneumotorax nebo hemotorax)
AIS4 Paradoxní dýchání
Zlomenina 4 a více žeber na obou
stranách spojená s proniknutím krve nebo vzduchu
(pneumotorax nebo hemotorax)
AIS5 Oboustranné paradoxní dýchání
AIS6 -
HRUDNÍK – MĚKKÉ TKÁNĚ
AIS1 Pohmoždění průdušek
AIS2 Částečná ruptura stěny průdušky
AIS3 Malé pohmoždění plic
Pohmoždění srdce
AIS4 Oboustranná ruptura plic
Malá ruptura aorty
Významné pohmoždění srdce
AIS5 Významná ruptura aorty
Ruptura plic spojená s proniknutím
vzduchu (pneumotorax)
AIS6 Ruptura aorty s krvácením
nezadržitelným mediastinem
BŘICHO
►
Měkké tkáně, nesymetrický, chráněna jen horní oblast žebry
►
Tupý náraz nebo perforace
►
Experimenty s fixovanou páteří, těžko se určuje stlačení
►
Talantikite – limitní síla 4.4 kN
►
Nízké rychlosti – stlačení
►
Vysoké rychlosti – rychlost a viskózní kritérium
►
Maximální síla x stlačení břicha koreluje s AIS4+
►
Zrychlení hypochondriální oblasti
►
Viskózní kritérium
dD(t)
VC  V(t) C (t) 
C(t)
dt
BŘICHO
AIS1 Pohmoždění kůže a svalů, krevní podlitiny
AIS2 Pohmoždění sleziny a jater (<50% plochy)
AIS3 Značné pohmoždění ledvin
Ruptura sleziny
AIS4 Malá ruptura břišní aorty
Ruptura jater a ledvin
AIS5 Totální destrukce ledvin a jejich cévního systému
AIS6 Odtržení jater (totální oddělení cévních úchytů)
DOLNÍ KONČETINY
►
Zahrnujeme i pánev
►
Nevýznamná poranění z hlediska života
►
Airbag a pásy značně zamezují zranění
►
Nohy snesou kN
►
Spíše deformace interiéru
►
Poranění pánve včetně nervů
►
Nestabilní koleno (chodci)
►
Dislokace kloubů (zkřížené nohy, OOP = Out Of Position)
►
Tibia Index
F
M
TI 

Fcrit Mcrit
DOLNÍ KONČETINY
AIS1 Kotník, kyčel: vymknutí, pohmoždění
AIS6 –
AIS2 Čéška, holenní kost, lýtková kost, patní kost, kůstky
chodidla: uzavřené nedislokované zlomeniny
Prsty: amputace, rozdrcení
Kyčel, koleno: dislokace
Svaly, šlachy: ruptura (prasknutí, utržení)
AIS3 Zlomenina stehenní kosti
Otevřená dislokovaná zlomenina pánve
Okamžitá amputace nohy pod kolenem
AIS4 Otevřená zlomenina pánve („otevřená kniha“)
Okamžitá amputace nohy nad kolenem
AIS5 Značná deformace pánve s přidruženým porušením cév
a ztrátou krve > 20% objemu
HORNÍ KONČETINY
►
Nejméně pozornosti, zranění většinou neohrožuje život
►
Socioekonomické hledisko
►
Zranění spjata s airbagem, síla a moment
►
Klíční kost a pás, ramena a převrácení
►
Zlomeniny a pohmožděniny svalů
►
Statické a dynamické experimenty
(20% větší zátěž při statickém testu)
►
Rozdíly žen a mužů
►
Průměrná distální rychlost předloktí 10,5 m/s
dobře koreluje s 50% pravděpodobností zlomeniny
BIOMECHANICKÉ MODELY
►
„Tuhé“ nebo deformovatelné
►
Celé modely nebo modely částí
►
Pasivní a aktivní modely
►
Modely pro speciální účely
►
Modely pro legislativu
MODELY ARB
►
Articulated Rigid Body
►
Z ohledem na stav výpočetní techniky
►
Pouze základní dynamická analýza
►
Simulace komplexního pohybu
pro detailnější analýzu
►
Základ pro detailní modely
►
►
Frekvenční přenos
Nízká časová náročnost
výpočtu
Komfortní analýzy
►
MBS = Multi-body system
(otevřený řetězec)
Pro detailní analýzu
jednoho segmentu
►
►
►
Univerzálnost algoritmu
Zdroj: YouTube
MODEL NA BÁZI TUHÝCH TĚLES
►
Úroveň zjednodušení na korektní popis globální artikulace
►
Vázaný mechanický systém (tuhá tělesa a kloubová spojení)
►
Tuhé těleso
►
►
Hmotnost a střed hmotnosti
►
Matice setrvačnosti
Kloubový prvek
►
Sférický
►
Posuvný
►
Rotační
►
Obecná vazba
LAGRANGEOVY ROVNICE
►
Vhodná matematická úprava
►
Lagrangeovy rovnice s multiplikátory
q(t )  [q1 , q2 ,..., qn ]T
d  Ek

dt  q i
n stupňů volnosti
f j
 E p 2 n



 j q
 q
j 1
i
i

j  1,, n
(t )  Bq (t )  Kq(t )  f (t )
Mq
►
Numerická integrace
 Ii
t  0.9 min 
i , j1,, n k
 j




q(0)  q 0
q (0)  q 0
VERTIKÁLNÍ 1D MODEL
►
Energetický přístup
►
Lagrangeovy rovnice
(t )  Bq (t )  Kq(t )  f t 
Mq
K   M  iBQ(i)  F(i)
Q(i )  K   M  iBP(i )
2
2
Boileau P.E., Rakheja S.: Whole-body vertical biodynamic
response characteristics of the seated vehicle driver:
Measurement and Model development, International
Journal of Industrial Ergonomics 22 (1998) 449-472
STŘET VOZIDLA S CHODCEM
►
MBS model chodce ve 2D
►
Velmi zjednodušený model vozidla
►
Kontaktní
úloha
KONTAKTNÍ ÚLOHA
►
Reakce modelu na vnější zatížení
►
Síla (náraz), zpomalení, …
►
Model kontaktu
►
Časová
►
Náročnost
►
Definice
kontaktních
ploch
STRUKTURA MODELU ARB
►
Realistický tvar
►
Pouhý povrchový popis
►
Pasivní chování
►
44 tuhých těles
►
Anatomické klouby
►
►
13 ohybově-torzních
►
14 posuvných, 18 sférických
Fyziologické klouby
►
Klouzání lopatky po hrudním koši
►
Kontaktní úloha
VALIDACE SEGMENTU
►
Definované testy zmapované experimenty
►
Zjednodušení externích prvků
►
Koridor experimentální odezvy
VALIDACE FULL SCALE
►
Definované testy zmapované experimenty
►
Zjednodušení externích prvků
►
Sáňová zkouška, počáteční rychlost, definované zpomalení
►
3-bodový pás a 2-komorový airbag
►
Akcelerometry v hlavě, hrudníku, pánvi, …
Head Acceleration Compared to Experiment
60
simulation
experiment
50
Srovnání
s experimentem
a [g]
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
t [ms]
120
140
160
180
200
VALIDACE CHODCE
►
Střet s dodávkou
►
Experiment ČVUT
MODELY FEM
►
Finite Element Method (konečné prvky)
►
Z ohledem na vývoj výpočetní techniky
►
Detailní modely a detailní analýza
►
THUMS (Toyota HUman Model
HUMOS2
for Safety – 629.000 uzlů, 1.800.000 prvků)
►
Poranění vnitřních tkání a zlomeniny
THUMS
GHBM
Zdroj: Sborník 4. konference Human Modelling and Simulation in Automotive Engineering
METODA KONEČNÝCH PRVKŮ
►
MKP, FEM = Finite element method
►
Moderní, vysoce efektivní numerická metoda
►
Konečný počet prvků (elementů)
►
Posuv libovolného vnitřního bodu prvku vyjádříme pomocí
síť (mesh)
náhradních funkcí a zobecněných posuvů uzlů prvků
►
Základní aproximační
vztahy (lineární)
ux, t   A(x)q(t )
ex, t   Bx qt 
τ x, t   Ee x, t 
x  x, y, z 
T

u  ux , u y , uz
prostorové souřadnice

T
spojité pole posuvů
matice aproximačních funkcí
A

e  e , e , e , e

q  u1x , u1 y , u1z , u 2 x , u 2 y , u 2 z ,...
x
B
y
z
xy
, e yz , exz

posuvy uzlů
spojité pole přetvoření
transformační matice

τ   x , y , z , xy , yz , xz
E
T
T

T
spojité pole napjatosti
matice elastických konstant
PRINCIP VIRTUÁLNÍCH PRACÍ
►
Virtuální deformační energie je rovna virtuální práci
vnějších sil
u  u  u
u  Aq
e  Bq
U   τ T edV   eT τdV
W   u T XdV   u TP PdS  q T Q
V

X   u

  Aq
u
V
S
S
  qT  SATS PdS  qT Q
qT  BT EB dVq  qT  AT AdVq
V
V
  M eq
 e
Q obj   AT AdVq
V
Q eP   A T PdS
S
S
R   BT τdV   BT EB dVq  K eq e
V
V
QOe  Q
(t )  Kq(t )  Q(t )
Mq
►
Sumace ve smyslu MKP
►
Zavedením okrajových podmínek regularita matic
►
Řídké matice, iterační schéma, stabilita řešení
NELINEARITY
►
►
Geometrická
►
Velká posunutí, malá přetvoření (Cauchy)
►
Velká posunutí, velká přetvoření (Green)
Materiálová
►
Neplatí Hookeův zákon
►
Inkrementální (přírůstková) metoda řešení Kqdq  dQ
►
t
Diferenciály nahradíme konečnými přírůstky Kq  Q
►
Pro počáteční zatížení známe počáteční konfiguraci
NUMERICKÁ INTEGRACE
►
Chceme nalézt pro dané zatížení koncovou konfiguraci
(nechť počátečním zatížením je čas t )
►
Numerická Newton-Raphsonova iterační metoda
t  t
Q t t R  0
t  t
R t R  R t R t Kq
t
Kq t  t Q t R
t  t
t
q t q  q
Kq i   t  t Q t  t R i 1
t  t
q i   t  t q i 1  q i 
ROVNOVÁHA KONTINUA
►
Princip virtuálních prací

t  t
 ij t  t eijA t  t dV   t  tW
t  t
V
►
Lagrangeova přírůstková formulace rovnováhy
►
Totální a aktualizovaná Lagrangeova formulace
vše vztaženo
na počáteční konfiguraci
vše vztaženo
na předchozí konfiguraci
obsaženy
Všechny
nelinearity
►
Soustava algebraických rovnic pro přírůstky q
►
Lineární a nelineární – při výpočtu často zanedbáme
nelineární složky tenzorů přetvoření a změny
objemu a povrchu kontinua
KONSTITUTIVNÍ VZTAHY
►
Závisí na volbě referenční konfigurace
►
Měkké tkáně – hustota deformační energie
 0W '  W I1 , I 2 , I 3 
►
W je skalár, nezávisí na volbě souřadnicového systému
►
Funkce invariantů tenzoru deformace
►
Stlačitelný a nestlačitelný materiál – podmínky
►
Stěna tepny – homogenní izotropní a objemově
nestlačitelný materiál
W  W1  W2  W3  ...
►
Speciální kontinua, speciální metody (homogenizace)
PROSTOROVÁ DISKRETIZACE
►
Ve všech konfiguracích kontinua se aplikují stejné
interpolační (izoparametrické) funkce pro vyjádření
polohového vektoru i posuvu bodu
►
1D, 2D a 3D prvky
úsečka
pruty,
nosníky
►
trojúhelníky,
čtyřúhelníky
čtyřstěny,
dorty, cihly
membrány,
skořepiny
Transformační vztahy pro převod funkcí
a jejich derivací na izoparametrický prvek
►
Rovnice popisující rovnováhu kontinua v maticové formě
3D MODEL MKP
►
http://www.nlm.nih.gov/research/visible/visible_human.html
►
95% biomechanický model člověka
Dutina
břišní
Model
hlavy
Detailní
model
jater
Model
hrudního
koše
Srovnání
modelu
a
experimentu
3D REKONSTRUKCE
►
Vychází z řezů (CT, MRI)
►
Hranice jednotlivých orgánů
►
Poloautomatický proces
►
Vyhlazení sítě
MKP MODEL
►
Spojení měkkých a tvrdých tkání
►
Vhodné elementy pro MKP
►
Definice materiálových vlastností
►
Definice vzájemných vazeb
►
Fyziologické podmínky
„VYCHYTÁVKY“
►
►
Tvrdé tkáně – kosti
elastická
►
Tuhá tělesa
►
Skořepinová kompakta a 3D spongióza
Měkké tkáně
►
Nelineární viskoelastický materiál
►
Hyperelastický materiál
►
Elastický materiál
►
Ligamenty – vázaný kontakt
►
Vzájemné kontakty
►
Předpětí svalů (aktivní model), tlak v cévách
neelastická pěna
EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ
►
Etika
►
Viskoelastické vlastnosti
Ep [kPa]
Es [kPa]
Ŋ [kPa s]
Liver (n=7)
124.1 ± 11.9
3459.9 ± 1566.9
779.4 ± 199.6
Liver
175.9
Spleen (n=2)
5476.1
3029796.9
16969.7
Spleen
119
Critical tension
[kPa]
BIOBAG
►
p  RT0
Převod stavové rovnice plynu na kapalinu
 


p   0 RT0   0 RT0   1  p0   0 RT0
0
 0 



p  p0   0 RT0
p   0 RT0

0
p
►
0
E
V
V
 K
31  2  V0
V0
Hookeův zákon pro pevné látky
V
V
p  p0  K
p  p0   K

V0
V0

V
p   K
V0
BIOBAG
►
Zákon zachování hmoty
m  0V  V  0   V0  V 
►
m  0V0  0 V  V0  V  m  0 V  V
V


 0 V  V0  0 
V0



Plyn p   0 RT0
Kapalina p  K
0
0
K
R
 0T0
cp

cV
VALIDACE MODELU
►
►
Segmenty
►
Hlava – Yoganandan (1994)
►
Krk – Thunnissen (1996) a Ewing (1968, 1977)
►
Hrudník – Kroell (1971, 1974)
►
Abdomen – Cavanaugh (1999) a Foster (1977)
►
Pánev – Bouquet (1994)
►
Dolní končetiny – Kajzer (1997, 1999)
Full scale
►
Sáňová zkouška – Vezin (2002)
►
Low-g sled test (2010)
VALIDACE MODELU
►
Standardní testy
►
Etika
►
Nízké zátěže – dobrovolníci
►
Vysoké zátěže – mrtvá těla
►
Experimentální koridory
►
Kroellův test – impaktor
dané hmotnosti a rychlosti
(energie) naráží do dané
oblasti lidského těla, měří
se deformace a síla
ČELNÍ VALIDACE SEGMENTU
►
Test podle Cavanaugha
►
Čelní test – volant
►
Impaktorem je tuhá tyč
o hmotnosti 48 kg a poloměru
průřezu 25 mm
0 ms
20 ms
40 ms
60 ms
BOČNÍ VALIDACE SEGMENTU
INRETS test – impaktorem je 23.4 kg těžká deska
o rozměrech 200 x 100 mm předepsanou rychlostí
Sacrum Acceleration - High Speed
Contact Force - High Speed
0
15
lower corridor
upper corridor
variant 1
variant 2
variant 3
variant 4
-20
lower corridor
upper corridor
variant 1
variant 2
variant 3
variant 4
10
F [kN]
-40
a [g]
►
-60
-80
5
-100
-120
0
2
4
6
8
10
t [ms]
12
14
16
18
20
0
0
2
4
6
8
10
t [ms]
12
14
16
18
20
MODELY SEGMENTŮ
►
Pro detailní analýzu daného segmentu
►
Druhý krok výpočtu po rychlé analýze
z celým tělem
na bázi ARB
►
Na bázi FEM
►
Model SUFEHM
Zdroj: Sborník 4. konference Human
Modelling and Simulation
in Automotive Engineering
University of Strasbourg
ABDOMEN TĚHOTNÉ ŽENY
►
Zranitelný účastník dopravy
►
30. týden těhotenství
►
Analýza účinku stávajících bezpečnostních prvků
►
Vývoj a optimalizace
VALIDACE
►
Čelní test podle Cavanaugha
►
Boční test podle INRETS
HYBRIDNÍ MODELY
►
Kombinace ARB a FE
►
ARB = rychlý výpočetní čas
►
FE = detailní analýza
►
VIRTHUMAN
►
ARB (MBS) pro modelování kostry
►
►
Rychlý výpočet
„Superelementy“ pro poddajnost těla
►
Analýza poranění
HYBRIDNÍ MODEL
►
Kombinace MBS a FEM
►
Jednoduché polohování
►
Rychlý výpočet
►
Snadné škálování
Model
VIRTHUMAN
VALIDACE KRKU
►
Čelní (15 g) a boční (7 g) sáňová zkouška
►
Zrychlení předepsáno na T1
Čelní
Boční
Rotace hlavy
Úhlové zrychlení hlavy
VALIDACE HRUDNÍKU
►
3 energetické úrovně
►
Válcový impaktor s hmotností 23.4 kg
4.9 m/s
a průměrem 150 mm
6.7 m/s
9.9 m/s
VALIDACE FULL SCALE
►
Čtyřbodový pás
►
Rychlost 30 km/h
►
Zrychlení hlavy
►
Síla v pásech
AKTIVNÍ MODELY
►
Přidaná hodnota oproti figurínám
►
Na bázi ARB nebo FEM nebo HYBRID
►
Řízení a zpětná vazba
CASIMIR
MADYMO
University of
Tuebingen
Biomotions
Solutions
Zdroj: Sborník 4. konference Human Modelling and Simulation in Automotive Engineering
AKTIVNÍ MODELY
►
Všechny významné svalové skupiny
►
Každý svalový snopec nahrazen prutovým prvkem
ERGONOMIE – komfort
Optimální poloha z hlediska
minimální napjatosti
1
2

2
f    i  i  c    min Cílová funkce
 i

MODEL SVALU
►
Deformovatelný 1D prvek
šlacha
sval
šlacha
KP
šlacha
►
sval
šlacha
Kontraktilní prvek KP
►
►
PP
PP
TP
TP
length L
Aktivní síla
KP
FKP(L,v,t) = Na(t) Fv(v) FL(L)
PP
Viskoelastický prvek
TP
►
Pasivní síla
Nelineární pružina FPP = k(dL) dL
Lineární tlumič FTP = b v
KP kontraktilní prvek
PP pasivní prvek
TP tlumící prvek
PP
TP
KONTRAKCE SVALU
►
Prutový prvek metodou konečných prvků
zkrácený
natažený
optimum
šlacha
1,5
1.5
Fsval/Fmax
úroveň aktivace 100%
1.0
pasivní
část
aktivní
část
sval
50%
FKP+FP
FKPP
25%
FPP
L/Lopt
0
šlacha
0
Fmax = Astřední
1
2
 = 0.001 GPa
ŠKÁLOVÁNÍ
►
5%-ní, 50%-ní a 95%-ní velikosti
►
Každý jsme jiný
►
Biologická rozmanitost lidského těla
►
Pohlaví, rasa, geografické podmínky, posilování atd.
►
Škálování a morfování referenčního modelu
►
Škálování = globální rozměry
a materiálové vlastnosti apod.
►
Morfování = detaily (např. rysy nebo
patologické změny apod.)
ŠKÁLOVÁNÍ
►
Populační skupiny (míry lidské rozmanitosti)
►
Izolace a adaptace k určitému území
►
Vliv chování člověka a přírodní vlivy
►
Ovlivní i vývoj populace do budoucna
►
Statistika, interpretace „průměrného“ člověka
►
Vybrat množinu antropometrických parametrů
►
Definovat cílovou skupinu lidí
►
Najít vhodná antropometrická data jako funkci parametru
►
Výška, hmotnost, forma
ANTROPOMETRIE
►
►
Výška
►
Normální mezi 1.4 m a 2 m (výjimky existují)
►
Vyšší lidé dále od rovníku
Hmotnost
►
►
Normální mezi 30 kg a 100 kg
Etnické rozdíly
►
Ženy kmene Khoi a San nebo !Kung v Jižní Africe
►
Těžší lidé v chladnějším klimatu
ANTROPOMETRIE
►
►
Forma
►
Poměr stojící a sedící výšky (cormic index)
►
Poměr délky trupu k délce těla
►
Kratší tělo + delší nohy < 50
body mass
BMI = Body Mass Index, BMI 
body height  body height
ANTROPOMETRIE
►
Definice antropometrickými body
►
Standardní antropometrické
přístupy pro statistické
vyhodnocení výšky a hmotnosti
►
Československá spartakiáda
(1985 – 2009, česká a slovenská
populace, 5117 mužů a 5333 žen
v rozmezí 6 a 55 lety)
ANTROPOMETRICKÁ DATA
►
Výška závislá věku a
percentilu (muži)
►
Hmotnost závislá
na věku (50%)
►
Výška závislá na věku
(muži, 50%)
SEGMENTACE
►
Na základě antropometrických Segment
dat
Míry
Hlava a krk Výška, obvod
Hrudník
Výška, transversální a
sagitální průměr
Abdomen
Výška, bispinální šířka
pánve, obvod
Stehno
Výška, obvod
Noha
Výška, obvod
Chodidlo
Výška, délka, šířka
kotníku
Ruka
Výška, obvod
Předloktí
Výška, obvod
Dlaň
Výška, šířka
ALGORITMUS ŠKÁLOVÁNÍ
►
Založen na výšce a věku všech hlavních segmentů těla
►
Pro daný věk
►
►
Vybere se percentil
►
Ohebnost těla
Vybere se množina
nezbytných rozměrů
►
Rozměry
►
Hmotnost
GEOMETRICKÉ ŠKÁLOVÁNÍ
►
Segmenty dány třemi rozměry
𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 =
𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑤𝑖𝑑𝑡ℎ
𝑤𝑖𝑑𝑡ℎ𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙
=
𝑤𝑖𝑑𝑡ℎ𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑑𝑎𝑡𝑎𝑏𝑎𝑠𝑒
𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑑𝑒𝑝𝑡ℎ =
►
ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙
ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑑𝑎𝑡𝑎𝑏𝑎𝑠𝑒
𝑑𝑒𝑝𝑡ℎ𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙
𝑑𝑒𝑝𝑡ℎ𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑑𝑎𝑡𝑎𝑏𝑎𝑠𝑒
Segmenty dány obvodem
𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,(𝑑𝑒𝑝𝑡ℎ,𝑤𝑖𝑑𝑡ℎ) = 𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑚𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒 =
𝐶 = 𝜋 2 𝑎2 + 𝑏2
𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑚𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙
𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑚𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑑𝑎𝑡𝑎𝑏𝑎𝑠𝑒
ŠKÁLOVÁNÍ HMOTNOSTI
►
Databáze poskytuje pouze celkovou hmotnost
►
Rozložení mezi jednotlivé segmenty
je dáno poměrem objemů za
předpokladu rovnoměrné hustoty
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡
= 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡𝑠 =
𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑚𝑎𝑠𝑠 =
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑏𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠 +
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡 −
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑏𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠
ŠKÁLOVÁNÍ MOMENTŮ
SETRVAČNOSTI
►
Hlavní momenty setrvačnosti souvisejí se změnou objemu
na základě předpokladu rovnoměrně rozložené hustoty
na každém segmentu
►
Jednoduchá matematická manipulace
𝑁𝑥 =
1
−𝐼𝑥 + 𝐼𝑦 + 𝐼𝑧
2
𝑁𝑦 =
1
𝐼 − 𝐼𝑦 + 𝐼𝑧
2 𝑥
𝑁𝑧 =
1
𝐼 + 𝐼𝑦 − 𝐼𝑧
2 𝑥
2
2
𝐼𝑅𝐵,𝑥 = 𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑤𝑖𝑑𝑡ℎ
𝑁𝑅𝐵,𝑦 + 𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡
𝑁𝑅𝐵,𝑧
2
2
𝐼𝑅𝐵,𝑦 = 𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑑𝑒𝑝𝑡ℎ
𝑁𝑅𝐵,𝑥 + 𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡
𝑁𝑅𝐵,𝑧
2
2
𝐼𝑅𝐵,𝑧 = 𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑑𝑒𝑝𝑡ℎ
𝑁𝑅𝐵,𝑥 + 𝑘𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡,𝑤𝑖𝑑𝑡ℎ
𝑁𝑅𝐵,𝑦
ŠKÁLOVÁNÍ OHEBNOSTI
►
Nezávislé na škálování geometrie a hmotnosti
►
Ohebnost všech kloubů založena na změně tzv. flexindexu
►
20 hlavních kloubů
označeno od 0 (tuhý)
do 4 (hypermobilní)
►
Celé tělo označeno
od 0 (tuhý) do 80
(hypermobilní)
ŠKÁLOVANÉ MODELY
►
Děti (50%, 6, 10, a 13 let)
►
Dospělí (50%, 25, 45 a 65 let)
VIRTUÁLNÍ TESTOVÁNÍ
►
Experimentální testování
►
Certifikace vozidel
►
Omezené možnosti
►
Virtuální prototyping
►
Moderní metoda vývoje
►
Výrobek se vyzkouší virtuálně, různé varianty
►
Virtuální testování – „všechny“ případy (ECE R66)
►
Legislativa – průmyslové demonstrátory (validované
výsledky simulací ukazující na možnosti virtuálního
testování jako vývojového prostředku)
PODMÍNKY
►
►
Standardy modelování
►
Validace pro různé počáteční podmínky
►
Robustnost a stabilita (platí i pro experiment)
►
Prediktivita modelu
Interpretace a objektivní
hodnocení výsledků
►
Certifikační procedury
(dostupnost modelů)
Zdroj: Sborník 4. konference Human Modelling
and Simulation in Automotive Engineering
OMEZENÍ
►
Teoretické limity (algoritmy)
►
Vstupní fyzikální data
(biologické materiály)
►
Aproximace modelu (přesnost)
►
Spolehlivost a hodnověrnost modelu
►
Opakovatelnost výsledků (závislost na výpočetním prostředí)
►
Filtrace dat
►
Normy
►
Lobby
VÝZVY VIRTUÁLNÍHO TESTOVÁNÍ
►
Jaká je mechanická odezva a tolerance lidského těla?
►
Jak vážné poranění způsobí daná síla?
►
Co se stane při dané zatížení?
►
Pravděpodobnostní výpočet
►
Jaká je pravděpodobnost poranění AIS3+?
OPTIMALIZACE SYSTÉMŮ
►
Prvky pasivní i aktivní
bezpečnosti
►
►
Pásy, airbagy
►
Řízení
Zákaznické testy
►
Různé typy nárazu
►
Řidič, spolujezdec
►
Dítě v autosedačce
►
Chodec
Zdroj: Sborník 4. konference Human Modelling and Simulation in Automotive Engineering
SILNIČNÍ DOPRAVA
►
Silniční, železniční i letecká doprava
KOLEJOVÁ DOPRAVA
►
CDV identifikovalo 3 scénáře nehody
►
Chodec přecházející
(přebíhající) před tramvají
►
Analýza rizika poranění při
primárním nárazu
KOLEJOVÁ DOPRAVA
►
Osazení modelu kolejového vozidla řidičem a pasažéry
►
Analýza vlivu nárazníku (geometrie, materiál)
►
Vyhodnocení zrychlení na sedadle
►
Vyhodnocení kritérií poranění
►
Návrhy na zlepšení bezpečnosti
ERGONOMIE
►
MBS pro inverzní dynamiku
►
Svalová napjatost
►
Vazba na
experiment
►
Optimalizace
CASIMIR
TU Darmstadt
Zdroj: Sborník 4. konference Human Modelling and Simulation in Automotive Engineering
LEGISLATIVA
►
FAA (Federal Aviation Administration)
►
►
Bezpečnostní pásy a sedačky letadel
EuroNCAP (European New Car Assessment Programme)
►
10 modelů chodců včetně výpočetních
kódů pro náraz hlavy na kapotu vozidla
SOUDNÍ LÉKAŘSTVÍ
►
Odezva tkáně na střelu
►
Náhradní materiál petrolát-parafín
►
Identifikace materiálových parametrů
►
Statistický software pro vyhodnocení
různých počátečních podmínek
Střela LUGER 9,
Reference: Kriminalistický ústav Praha
v0  380ms1
2D MODEL PRO POPIS PÁDU
Model těla
jako jednoho
tělesa
Vázaný
Mechanický
systém
Experimentální
data (dobrovolníci)
Srovnání
s experimentem
KLINICKÉ APLIKACE
►
Rozložení svalové napjatosti během zatížení
►
Vlastní software (MBS)
►
Multi-body systém
►
Hillův svalový model
►
Ověřování na bázi EMG
KLINICKÉ APLIKACE
►
Rozvoj v oblasti kloubních náhrad
►
Většina operací závisí na zkušenosti
a šikovnosti chirurga
►
Optimalizace polohy
nebo tvaru náhrady
►
Interakce náhrady
1o
2o
3o
o
2o
3o
a lidského těla
►
Posouzení
1
výsledků léčby
(z mechanického hlediska)
PERSONALIZACE
►
Personalizovaný model
Koleno
REHABILITACE
►
Silové plošiny + kamery využívající (Vicon System)
infračervené záření, pasivní značky s reflexním povrchem
►
Komplexní snímání 3D pohybu
GYNEKOLOGIE
►
Virtuální přístup k prevenci
porodních
poranění
DĚKUJI
Ing. Luděk Hynčík, Ph.D.
e-mail: [email protected]
Západočeská univerzita v Plzni
Fakulta aplikovaných věd & Nové technologie – výzkumné centrum
Univerzitní 8, 306 14 Plzeň
URL: http://ntc.zcu.cz