Biomechanical Analysis of Fall Injuries using Finite Element Modeling

The thesis was carried out at the Neuronic Engineering unit, KTH Royal Institute of Technology in Stockholm, Sweden. The thesis was funded by "BVFF – Bana väg för framtiden" (BVFF number 2016-025).

QC 2022-05-02

Abstract

Ett fall är ett allvarligt hälsoproblem för äldre. Bland olika falltyper anses fallet i sidled vara allvarligare vad gäller skadeutfallet. När äldre drabbas av ett oavsiktligt fall i sidled kan de antingen stå emot slagkrafterna med mjukvävnadskraftens dämpningsförmåga och lårbensstyrka eller behöva yttre skydd för att minska skaderisken. I denna avhandling har dessa två aspekter undersökts. Finite element helkroppsmodeller är värdefulla verktyg för att analysera falls biomekanik och lämpligt för att undersöka möjliga förebyggande åtgärder mer bekvämt. Helkroppsmodellerna utvecklades för att undersöka trafikolyckorna; ett fall i sidled har dock en annan kinematik än de andra typerna av olyckor. Följaktligen är det nödvändigt att förbättra helkroppsmodellerna enligt de viktigaste fallparametrarna, vilket leder till allvarliga skadefall, innan man bedömer de yttre skyddsförmågan.

Den aktuella avhandlingen försökte föra fram dessa två kritiska aspekter angående fallinducerade skador. En finite element helkroppsmodell valdes för att studera tre kritiska parametrar i falls biomekanik: kroppshållning, mjukvävnad och femoral styrka. Helkroppsmodellen placerades i olika kroppskonfigurationer som är relevanta för fallet i sidled för att utvärdera kroppshållningen som kunde leda till de högsta inre krafterna på lårbenshuvudet. Därefter undersöktes olika konstitutiva materialmodeller för mjukvävnad och mjukdelstjocklekar för att hitta en materialmodell som exakt kunde återge de experimentella resultaten enligt en objektiv klassificeringsmetod som heter CORrelation and Analysis (CORA). Slutligen utvärderades de separata och kombinerade effekterna av förändringar av geometriska och mekaniska egenskaper på grund av åldrande på lårbensstyrkan för äldre män och kvinnor. I den andra aspekten av avhandlingen undersöktes de stötdämpande gummerade asfaltbeläggningarnas förebyggande kapacitet. Först implementerades olika gummerade asfaltblandningar i rekonstruktionsfallen för en cykel och en fotgängarolycka för att utvärdera riskerna för huvudskador. Senare studerades asfaltblandningarna i ett sidledes fallscenario för att utvärdera risken för höftfraktur hos en äldre man och kvinna.

Den första aspekten av avhandlingen presenterade resultaten och metoderna för att förbättra analysen av sidledsfall, och den andra aspekten av avhandlingen fokuserade på att bedöma de gummerade asfaltblandningarna i skadeförebyggande syfte. Fall i sidled med upprätt bål, och ett något framåtlutat bäcken kan leda till de högsta inre krafterna. En ickelinjär Ogden-materialmodell för muskelvävnad och en Mooney-Rivlin-materialmodell för fettvävnad fick bättre poäng bland olika mjukdelsmaterialmodeller i sidokollisioner mot höftsegmenten. De geometriska och mekaniska egenskaperna förändras på grund av åldrande vilket leder till ett annorlunda beteende för män och kvinnor där kvinnor upplever en högre grad av förlust i styrka på grund av åldrande. Dessutom indikerades att en gummerad asfaltblandning kunde minska risken för huvudskador för fotgängare och cyklister och risken för höftfraktur för äldre. Mängden gummi i asfaltblandningarna behöver överskrida en specifik gräns för att observera gummerad asfalts förebyggande effekt. Följaktligen är det nödvändigt att optimera blandningarnas gummihalt för att förbättra dess förebyggande förmåga.

Sammanfattningsvis presenterade den aktuella avhandlingen en metod för att förbättra helkroppsmodellerna enligt kraven på sidledes fall och bedömde skyddsförmågan hos de gummerade asfaltblandningarna vid huvud- och höftskador.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-311606