Hodnocení zraňujícího účinku volně uložených předmětů ve vozidle při dopravní nehodě

Souhrn

Cílem práce je popsat mechanizmus poranění lidské hlavy v interakci (temeno hlavy) s volně se pohybujícím předmětem a určit mezní hodnoty rychlosti pro konkrétní předmět o dané hybnosti, kdy dochází k poranění. Metodou experimentálního měření je simulována reálná biomechanická zátěž lidského organizmu (v podobě lidské hlavy), která je demonstrována na figuríně Hybrid III. Vyhodnocení biomechanické zátěže hlavy je provedeno na základě výpočtu kritéria, které je funkcí maximálního zrychlení hlavy figuríny při interakci s volně se pohybujícím předmětem (impaktorem). Pro konkrétní předmět o dané hmotnosti jsou uvedeny rovnice trendu exponenciálního vývoje rizika poranění v závislosti na rostoucí rychlosti pohybujícího se předmětu.

Klíčová slova:

Head Injury Criterion – poranění hlavy – kritická rychlost – dopravní nehodovost

Cíl práce

Jaké jsou kritické rychlosti volně letícího předmětu nutné pro zranění a usmrcení dospělého člověka při deceleraci vozidla vzniklé jeho nárazem na překážku. Jaký je trend ranivosti při rostoucí rychlosti volně letícího předmětu, a tím i rychlosti nárazu vozu na překážku.

Typ práce: Studie.

Tato studie je zaměřena na zkoumání zraňujícího účinku volně uložených předmětů ve vozidle při interakci s lidským tělem za situace, kdy na vozidlo působí decelerace vlivem prudkého brzdění nebo vlivem kolize s jiným objektem. Hybnost volně ložených předmětů, popř. časový účinek působení síly těchto předmětů při nárazu, lze poměrně snadno vypočítat. Ovšem kvantifikovat zraňující účinek způsobený volně letícím předmětem při interakci s částmi lidského těla je mnohem složitější úloha. Příčinou decelerace vyvozujícího uvolnění volně uložených předmětů je zastavení vozu z určité rychlosti v1 na rychlost v2 na velmi krátké dráze. V případě nárazu do pevné překážky je možné považovat rychlost v2 za nulovou.

Poranění letícím předmětem je možné vztahovat na celé lidské tělo, ovšem existují místa, kde poranění vyvolané interakcí s letícím předmětem může mít fatální následky s ohledem na lidský život nebo na život následný (tzv. traumata). Hlavní otázkou je, při jaké rychlosti (předmětu; vozidla) může předmět způsobit poranění nebo usmrcení člověka. Je nutné podotknout, že usmrcení či poranění musí být vztaženo vždy k určité části lidského organizmu. Výzkum, který byl proveden, je zaměřen na oblast hlavy, resp. její týlové části.

Předmětem výzkumu je systémovým způsobem popsat chování volně uloženého předmětu při prudké deceleraci vozu - aplikace na interakci předmětu s lidským organizmem se zaměřením na týlovou/temenní oblast hlavy.

Existuje mnoho způsobů, jakými lze problém stanovení rizika poranění posádky hlavy vlivem interakce s uvolněným letícím předmětem řešit. Řešení může představovat výpočet pomocí specializovaného výpočetního programu nebo realistický experiment s adekvátním vybavením k jeho provedení.

Pro výpočet pomocí specializovaného softwaru hovoří jeho adaptibilita s ohledem na parametrizaci modelu, jež vstupuje do vlastního výpočtu – ohled na potřeby výpočtu. Nevýhoda tohoto přístupu je přesnost modelu, která by měla být „odladěna“ v závislosti na výsledcích experimentálních měření.

Stručný úvod k experimentálnímu měření

Experiment simuluje reálnou biomechanickou zátěž lidského organizmu (v našem případě modelu lidské hlavy) vyvozenou nárazem volně letícího předmětu. Pohyb předmětu je v reálném provozu vyvolán prudkým brzdným manévrem vozu či jeho nárazem do bariéry.

K dosažení odpovídajícího nárazu předmětu do týlu/temene hlavy figuríny Hybrid III bylo při experimentu použito pneumatické dělo. Aplikace pneumatického děla bývá např. realizována v rámci zkoušek odolnosti leteckých konstrukcí vůči nárazu letícího předmětu (např. ptáka) v rozmezí hmotností 0.5 až 4 kg s rychlostmi letu od 100 do 999 km.h^-1. Snímání nárazu je realizováno vysokorychlostními kamerami. Hlaveň pneumatického děla je tvořena ocelovou bezešvou hladkou trubkou a má ráži 125 mm. Délka hlavně je cca 1 m. Úsťová rychlost je měřena optickým systémem.

Zásadní výhodou přístupu vyvolávání zátěže pomocí pneumatického děla je opakovatelnost zkoušek. Nedochází zde téměř k žádnému opotřebení jednotlivých částí měřícího řetězce a zkouška je v konečném důsledku, při osvojení si základních přístupů k měření, velice snadno realizovatelná jak pro prvotní, tak i pro následná měření.

Vyhodnocení biomechanické zátěže hlavy je provedeno na základě výpočtu HIC kritéria (Head Injury Criterion), které je funkcí maximálního výsledného zrychlení hlavy a času při interakci s letícím předmětem. Vyhodnocení je odvislé od délky času působení zrychlení a jeho velikosti. Pro potřeby hodnocení experimentu je bráno v potaz HIC kritérium pro časové úseky 36 ms, 15 ms a tzv. HIC(d) kritérium.

HIC kritérium pro časová rozmezí 15 ms a 36 ms je počítáno následovně:

kde:

a - výsledné zrychlení působící na lidskou hlavu,

a_x, a_y, a_z - složky zrychlení působící na lidskou hlavu,

t₁, t₂ - počátek a konec časovému úseku působení zrychlení na lidskou hlavu.

Hodnota HIC(d) kritéria je spočtena z HIC kritéria pro časový úsek 36 ms a jedná se o maximální standardizovanou hodnotu integrálu zrychlení hlavy [2]:

Jako limitní se vyhodnocuje hodnota HIC kritéria rovna 1000 dle standardů SAE a hodnota 250 dle vojenského standardu AEP-55. Hodnota rovna 1000 představuje zátěž, kdy může dojít k poškození mozku člověka, hodnota 250 představuje ztrátu soustředění a ovlivňuje významným způsobem orientaci a soustředěnost člověka.

Pro dosažení adekvátních výsledků při reálném experimentu je nutné dodržet tyto podmínky:

• Aplikace měřicí aparatury s dostatečně vysokou přesností sběru dat (pod pojmem vysoká přesnost sběru dat si můžeme představit aplikaci vzorkovací frekvence 10 kHz – jedná se o sledování rázového děje).
• Aplikace realistického biomechanického modelu člověka (byla použita figurína Hybrid III, která je speciálně navržena pro problematiku měření biomechanické zátěže člověka).
• Vytvoření a odladění zatěžovacího zařízení a aktivačních prostředků.
• Aplikace vhodného vyhodnocovacího softwaru s potřebnými specializovanými výpočtovými moduly.

Experiment byl prováděn pro devět případů, kdy působíme na hlavu figuríny Hybrid III zátěžemi o různých tuhostech (tři případy – měkká pryž; tvrdá pryž; PET láhev) a různých hmotnostech (tři případy – 0.5 kg; 1 kg; 1.5 kg). Hmotnostní hledisko je zcela jasně vymezeno. Tuhostní hledisko má simulovat tři případy předmětů, které mohou být ve vozidle běžně volně uložené. Jedná se o PET láhev plnou tekutiny, pevný předmět jako třeba rádio a potom měkký předmět s možností vratné deformace (např. kus pryže).

Cílem vlastního experimentálního měření je realizace zátěžových zkoušek hlavy figuríny Hybrid III, které mají za úkol popsat kritickou odezvu hlavy figuríny při rozličných zátěžných stavech. Zátěžové stavy hlavy figuríny Hybrid III byly vyvolány projektily o různých tuhostech pohybujících se a interagujích s hlavou figuríny Hybrid III s rozličnými parametry rychlosti (různé kinetické energie).

Kritická odezva hlavy figuríny Hybrid III je popsána tzv. HIC kritériem. HIC kritérium popisuje míru nebezpečí úrazu hlavy pramenící ze zatížení hlavy, v tomto případě nárazem.

HIC kritérium je počítáno ze zrychlení měřeného piezoelektrickými akcelerometry, které jsou umístěny v těžišti hlavy figuríny Hybrid III.

Popis projektilů

Projektil je součástí měřicího řetězce, který slouží jako impaktor (tedy část narážející do hlavy). Projektil jako takový je trojího vyhotovení s různou tuhostí:

• Tuhý projektil.
• Měkký projektil.
• Projektil simulující PET láhev.

Tuhý projektil se vyznačuje koncovkou, která je tvořena tvrdou „nedeformovatelnou“ pryží. Pryž má stejnou tuhost jako gumová palice – viz graf 1.

Měkký projektil je tvořen velice měkkou pryží, která má tu vlastnost, že se po zatížení a deformaci vrátí zpět do své polohy – viz graf 1.

Projektil simulující PET láhev má koncovku tvořenou koncem PET láhve. Tato koncovka má tu vlastnost, že se oproti dvěma předchozím koncovkám deformuje (a v deformovaném stavu zůstává) a tvoří se v ní trhliny v případě vysoké nárazové rychlosti – viz graf 1.

Tělo projektilů je tvořeno silonem. Projektily jsou duté s možností navýšení jejich hmotnosti pomocí přídavného ocelového závaží. Pro potřeby experimentálního měření byly využívány zátěže, které hmotnost základního provedení projektilu navyšovali vždy o 0.5 kg.

Popis figuríny Hybrid III

Figurína Hybrid III je produktem společnosti Humanetics. Jedná se model člověka, který je určen pro měření biomechanické zátěže lidského organizmu při čelních střetech vozidel. Tzn., že figurína je primárně určena pro dopřednou a zpětnou zátěž figuríny. Figurína je typu 50^thMale, což znamená, že se jedná o biomechanický model člověka reprezentující „průměrnou osobu“, která je obsažena v americké mužské populaci.

Popis snímačů a měřicího zařízení

V průběhu experimentálního měření byly snímány následující veličiny:

• Rychlost projektilu.
• Tlak vpouštěný do systému pneumatického děla.
• Zrychlení hlavy figuríny Hybrid III.
• Síla a moment v hořejší části krku u figuríny Hybrid III.

Rychlost projektilu je snímána dvěma optickými hradly, která jsou napájena 12 V stejnosměrného napětí pomocí zdroje. Optická hradla jsou pevnou součástí hlavně pneumatického děla a jsou umístěna ve vzdálenosti 100 mm od sebe v blízkosti ústí hlavně. Elektrický signál z optických hradel je vyhodnocován měřicí ústřednou Dewetron (Dewe A4) s kartami Trion určenými speciálně ke snímání elektrických veličin.

Rychlost projektilu byla taktéž sledována vysokorychlostními kamerami od výrobce IDT se vzorkovací frekvencí 10 kHz. Snímkování je černobílé a objekt byl pro účely měření osvětlen LED osvětlením.

Tlak vpouštěný do systému je snímán pomocí ručičkového indikátoru, který je součástí regulačního ventilu oddělujícího tlakovou nádobu napájecí pneumatické dělo a vzduchový rozvod, v němž je konstantně tlak 8 bar.

Zrychlení hlavy figuríny hybrid III je snímáno pomocí piezoelektrických snímačů zrychlení umístěných uvnitř hlavy figuríny Hybrid III přímo v jejím těžišti.

Popis měřících a vyhodnocovacích softwarů

Pro vlastní měření a vyhodnocení bylo užito následné softwarové vybavení:

• Software DEWESOFT verze 7 (měření a vyhodnocení rychlosti projektilu).
• Software CrashDesigner verze 2.8 (měření odezvy hlavy figuríny Hybrid III).
• Software NI DIAdem verze 2014 (vyhodnocení odez­vy figuríny Hybrid III).

Výše popsané softwarové vybavení je velice sofistikované a umožňuje celou řadu funkcí od základního zpracování signálu až po specializované druhy analýz jak v časové, tak frekvenční oblasti.

Uspořádání měřícího řetězce

Uspořádání měřicího řetězce je vyobrazeno na obr. 3 a bylo uzpůsobeno s ohledem na možnost snímat průběh měření vysokorychlostní kamerou. Uspořádání měřicího řetězce lze popsat následným způsobem:

• Figurína Hybrid III usazena v automobilové sedačce z vozidla Volkswagen Sharan. Sedačka disponuje bezpečnostním pásem, kterým je figurína k sedačce připoutána.
• Bezpečnostní rám tvořený ocelovými profily a vypletený sítí sloužící k zachycení odraženého projektilu od hlavy figuríny Hybrid III je umístěn v místě usazené figuríny Hybrid III.
• Pneumatické dělo je umístěné za hlavou figuríny Hybrid III. K pneumatickému dělu patří veškerá vysokotlaká aparatura sloužící pro přívod vzduchu.
• Měřicí, napájecí a vyhodnocovací prostředky tvořené měřicí aparaturou, napájecími zařízeními a vyhodnocovacími softwary, jsou propojeny jak s aktivační částí měřicího řetězce, tak i s odezvou.

Hodnocení rychlosti projektilu

Vlastní hodnocení rychlosti projektilu a výpočet byl reali­zován následným způsobem a s těmito parametry v závislosti na nastaveném tlaku (s krokem 0.5 bar v rozmezí 1 bar až max. 7 bar – rozmezí voleno s ohledem na „optimální“ odezvu hlavy figuríny Hybrid III) pomocí regulačního ventilu:

• Měření doby průletu bylo stanoveno pomocí signálu z optických hradel, která jsou umístěna v konstantní vzdálenosti 100 mm od sebe.
• Vzorkovací frekvence nastavená pro měření signálu z optických hradel byla nastavena na 10 kHz.
• Z časové diference odečtené z grafů časové závislosti elektrického signálu z optických hradel monitorujících průlet projektilu u ústí hlavně se odečte časová diference a pomocí vzorce se spočte rychlost projektilu.

Hodnocení odezvy hlavy figuríny Hybrid III

Hodnocení odezvy hlavy ve smyslu parametrů jejího zrychlení a následný výpočet HIC kritérií bylo realizováno následným způsobem a s těmito parametry:

• Odezva hlavy figuríny Hybrid III byla měřena trojosým (měření ve všech třech vzájemně ortogonálních osách současně) piezoelektrickým akcelerometrem umístěným cca v těžišti hlavy.
• Data vztahující se k odezvě hlavy byla pomocí DAS (Data Aquisition System) ukládána do měřicího počítače se vzorkovací frekvencí 10 kHz.
• Naměřená data byla editována (zkrácení signálu – vymazání nepotřebných úseků) s ohledem na objem datových souborů a oblast zájmu v softwaru NI DIAdem. Byl užit základní modul tohoto softwaru určený pro zpracování a analýzu dat.
• Na editovaných datech byla provedena filtrace pomocí filtru CFC 1000. Tento filtr je speciálně určen pro signály se vzorkovací frekvencí 10 kHz.
• Z editovaných a filtrovaných dat bylo vypočteno výsledné zrychlení – výsledný vektor.
• V konečné fázi byl proveden výpočet HIC kritéria z editovaných a filtrovaných dat jak pro maximální složku zrychlení ve směru zatěžování hlavy figuríny hybrid III, tak pro výslednou složku zrychlení.
• Data vztahující se k výpočtu HIC kritéria byla porovnána s hodnotami HIC kritéria, která jsou rovna hodnotám 250 a 1000. Hodnota HIC kritéria rovna 250 je limitní hodnota dle vojenského standardu AEP-55 a znamená z praktického hlediska ohrožení člověka vlivem nedostatečného soustředění (silná porucha vnímání) po nárazu předmětu na jeho hlavu. Hodnota HIC kritéria rovna 1000 je život ohrožující a je stanovena dle standardu SAE.

Příklad průběhu zkoušky zaznamenaný vysokorychlostní kamerou pro různé rychlosti projektilu je uveden na obr. 4.

Vlastní měření

Níže uvedené výsledky reprezentují část experimentu, při kterém byl použit projektil s koncovkou PET láhve o hmotnosti jednoho kilogramu. Prezentace výsledků pro tento druh a hmotnost projektilu byla zvolena z důvodu objasnění možných následků volně položené PET láhve o velmi malém objemu (jeden litr) ve volném prostoru vozidla při prudkém brzdění nebo kolizi. PET láhev o uvedeném a vyšším objemu je velmi běžným předmětem, který často bývá na kratší vzdálenosti v osobních vozidlech převážen bez jakéhokoli zajištění.

Graf závislosti nastaveného tlaku na regulačním ventilu (rozmezí 1 bar až max. 4.5 bar – krok 0.5 bar) a rychlosti vystřeleného projektilu z pneumatického děla (aktivační činitel) je uveden níže.

Graf 2: Závislost tlaku na rychlosti pro projektil vážící jeden kilogram s koncovkou z PET láhve (černá barva – naměřená data; červená barva – polynomická spojnice trendu)

Naměřená a vyhodnocená data pro projektil s koncovkou z PET láhve (váha projektilu jeden kilogram)

Pro tento případ bylo realizováno celkem osm měření, která měla prokázat riziko poranění lidské hlavy vlivem interakce s letícím předmětem o váze jeden kilogram s možností nevratné deformace. Výsledky měření jsou uvedeny v tabulce 1 a výpočty HIC kritéria jsou uvedeny v tabulce 2. Dále je provedeno grafické znázornění dat z tabulek uvedených níže společně s rovnicemi sledujícími trend vývoje. Tyto rovnice lze užít pro další výpočty hodnot. Vyobrazení jednotlivých částí měřícího řetězce je na obr. 5 a souřadný systém pro realizované měření je uveden na obr. 6.

Hodnoty naměřeného a vypočítaného zrychlení

Hodnoty vypočteného HIC kritéria

Porovnání působení projektilu

V níže uvedených grafech je zobrazen průběh působení projektilů s koncovkou (PET láhev) o zkoumané hmotnosti jeden kilogram.

Závěr

Z prezentovaných výsledků experimentálních měření lze jasně vyvodit závislosti mezi mírou poranění lidské hlavy a rychlostmi projektilu s koncovkou z PET láhve o hmotnosti jeden kilogram. V grafech jsou vždy uvedeny reálné závislosti společně se spojnicí trendu, jejíž rovnice po doplnění může dát informace o pravděpodobném budoucím průběhu dané situace uvedené v grafu.

V  grafech 7, 8, 9 jsou uvedeny závislosti pro projektil s koncovkou z PET láhve (PET – označení v grafech) o hmotnosti jeden kilogram. Při hodnocení v souladu s kritériem HIC, resp. HIC_(d) je parné, že kritickou rychlostí pro hmotnost projektilu jednoho kilogramu je cca 50 km.h^-1. Při rostoucí hmotnosti a rychlosti pohybujícího se předmětu (projektilu) roste hybnost tohoto předmětu a jak vyplývá z provedených měření, téměř exponenciálně roste riziko poranění nebo smrtelného zranění při interakci s hlavou dospělého jedince.

Prezentované výsledky jsou aplikovatelné na průměrnou dospělou osobu, což je dáno parametry použité figuríny Hybrid III. Výsledky ukazují, jaká rychlost může být nebezpečná v souvislosti s hmotností volně uloženého tělesa při kolizi vozidla. Předměty relativně nízkých hmotností mohou při kolizi způsobit vážná zranění u dospělých osob již při malých rychlostech, tzn. rychlostech srovnatelných s běžně dosahovanými hodnotami rychlostí v obcích.

Ing. Zdeněk Krobot, Ph.D.

zdenek.krobot@unob.cz