Universidad de Valladolid. La biomecánica del impacto (1) INTRODUCCIÓN

Transcripción

1 La biomecánica del impacto (1) INTRODUCCIÓN 1

2 QUÉ ES LA BIOMECÁNICA DE IMPACTO? Durante un accidente de automoción el cuerpo humano es sometido a una serie de cargas mecánicas Contacto con elementos del vehículo Aceleración / Deceleración Otros (ej. Ondas de presión) Estas cargas pueden producir lesiones de diferente gravedad La biomecánica de Impacto estudia la respuesta de las estructuras del cuerpo humano ante las cargas mecánicas producidas en un impacto 2

3 QUÉ ES LA BIOMECÁNICA DE IMPACTO? Ingeniería Biología Física Medicina 3

4 OBJETIVOS DE LA BIOMECÁNICA DE IMPACTO Cuantificar las características mecánicas del cuerpo humano ante situaciones típicas de accidentes de automoción Geometría: Tamaño, masa, momentos de inercia,... Cinemática: Grados de libertad, rangos de movimiento,... Dinámica: Rigideces, cargas para fallo o rotura,... Predecir la probabilidad de aparición de lesiones Proporcionar herramientas y métodos para el estudio del comportamiento del cuerpo humano en situaciones de impacto Para uso industrial (ej. Maniquíes de impacto o Crash test dummies, criterios biomecánicos,...) Para investigación (ej. Uso de cadáveres,...) 4

5 PROBLEMÁTICA GENERAL: Problemas éticos Se estudia el comportamiento de cuerpos humanos en condiciones potencialmente peligrosas (riesgo de lesiones o muerte) La situaciones reales a menudo no son reproducibles Debemos recurrir a simuladores del cuerpo humano El estudio no excluye a personas particularmente vulnerables (niños, ancianos, enfermos, mujeres embarazadas...) Problemas éticos asociados al uso de cadáveres o animales 5

6 PROBLEMÁTICA GENERAL: Problemas prácticos El cuerpo humano es una estructura extraordinariamente compleja Sistema óseo Huesos (206 en adultos y hasta 270 en recién nacidos) Ligamentos y tendones Sistema muscular Sistema cardiovascular Sistema nervioso Sistema respiratorio Sistema digestivo Sistema respiratorio Sistema linfático Sistema digestivo Órganos sensoriales Sistema endocrino Sistema genitourinario 6

7 PROBLEMÁTICA GENERAL: Problemas prácticos El cuerpo humano cambia Según el individuo (diferentes morfologías, edades, tamaño, sexo, complexión...) Según el momento (activación muscular, postura, presencia de fluidos corporales, aire, comida,...) 7

8 PROBLEMÁTICA GENERAL: Problemas prácticos Las condiciones de carga son muy variadas Diferentes tipos de accidentes (dirección, severidad, atropellos,...) Diferentes métodos de protección (uso de cinturones o airbags, estructura,...) Diferente vestimenta (acolchamiento, fricción, resistencia a penetración,...)... 8

9 ALGUNOS CONCEPTOS PREVIOS Mecanismo de daño: Conjunto de procesos y fenómenos que originan la lesión concreta. Ej: La presión producida por el cinturón de seguridad produce la rotura de dos costillas. El filo resultante de una de las costillas origina la laceración del tejido pulmonar, produciéndose un neumotórax. Ej: Un impacto trasero de baja velocidad origina un movimiento de retracción en el cuello. El segmento cervical de la columna vertebral adopta una forma de S produciendo la hiperextensión en las vértebras cervicales inferiores (C1-C3). Como resultado se produce una serie de daños en las cápsulas y ligamentos intervertebrales, provocando un esguince cervical. 9

10 ALGUNOS CONCEPTOS PREVIOS Criterios biomecánicos: Son expresiones matemáticas a través de las cuales, a partir de una o más magnitudes medibles, se puede estimar la probabilidad de aparición de lesiones. Suelen constar de una función cuyas variables son magnitudes medibles y de unos límites indicativos de la probabilidad de aparición de una o más lesiones. También puede aparecer expresado gráficamente. Ej: Head Injury Criterion HIC a partir de aceleraciones de la cabeza Ej: Femur Force Criterion (FFC) 10

11 ALGUNOS CONCEPTOS PREVIOS Índices de severidad de las lesiones. Escala AIS: Existen clasificaciones de las lesiones en función de su gravedad. La más extendida es la escala AIS (Abbreviated Injury Scale), propuesta por la AAAM (Association for the Advancement of Automotive Medicine). Se basa en una escala de seis niveles, correspondiendo el nivel 1 a lesiones leves y el nivel 6 a lesiones de extrema gravedad. Ej: Código AIS de lesiones en la cabeza típicas de accidentes de automoción Código AIS 1 Menores 2 Moderadas 3 Serias 4 Severas 5 Críticas 6 Máximas Lesiones -Abrasión o laceración superficial de piel o cuero cabelludo -Fractura del tabique nasal -Avulsión o laceración mayor -Fractura simple y no desplazada de la bóveda craneal -Fractura abierta y desplazada de la mandíbula -Fractura maxilar de tipos LeFort I y II (*) -Fractura basilar (base del cráneo) -Fractura maxilar de tipo LeFort III (*) -Pérdida total del cuero cabelludo -Contusión simple del cerebelo -Fractura compleja o abierta de la bóveda craneal -Exposición o pérdida de tejido cerebral -Pequeño hematoma epidural o subdural -Herida penetrante de importancia (>2cm) -Compresión del tabique cerebral -Hematoma epidural o subdural grande -Daño Axonal Difuso (DAI) - Destrucción masiva del cráneo y cerebro (aplastamiento) 11

12 METODOLOGÍA TÍPICA 1. Accidentología IDENTIFICACIÓN Condiciones del impacto Lesiones o síntomas típicos Población de estudio (general, mujeres, niños,...) 2. Estudios Biológicos Pruebas con elementos biológicos Mecanismo de daño Características mecánicas de los tejidos Estados de carga Identificación de daños sobre los tejidos Criterios biomecánicos basados en medidas biológicas 4. Aplicación Industrial Diseño de productos o componentes para reducción de las lesiones estudiadas Pruebas con simuladores Posible estandarización 3. Creación de Simuladores Simuladores representativos Creación de modelos mecánicos Creación de modelos numéricos Criterios biomecánicos basados en medidas de los simuladores Definición de procedimientos de uso 12

13 PRINCIPALES HERRAMIENTAS Herramientas Biológicas - Voluntarios - Cadáveres - Segmentos - Tejidos Herramientas Mecánicas - Maniquíes antropomórficos - Impactores Herramientas Numéricas - Modelos humanos - Modelos de segmentos biológicos - Modelos de crash test dummies 13

14 HERRAMIENTAS BIOLÓGICAS Utilizadas en investigación básica VENTAJAS GENERALES Es la aproximación más directa al objeto de estudio. Alta biofidelidad Se basan directamente en el material en el que se producen las lesiones. INCONVENIENTES GENERALES Problemas éticos. Variabilidadad de las muestras. Repetibilidad y reproducibilidad limitadas Difícil instrumentación. Dificultad de conseguir muestras. Manejo y conservación de muestras. 14

15 HERRAMIENTAS BIOLÓGICAS. Voluntarios Situaciones sin riesgo de daños permanentes Determinación de reacciones, cinemática y daños no permanentes. VENTAJAS ESPECÍFICAS Biofidelidad máxima Muestran actos reflejos y activación muscular Posibilidad de detección de lesiones leves a través de cuestionarios (molestias, dolores, ) INCONVENIENTES ESPECÍFICOS No se debe llegar a cargas que produzcan daños permanentes Alta variabilidad con el estado del sujeto, el momento, Imposibilidad de utilizar instrumentación invasiva 15

16 HERRAMIENTAS BIOLÓGICAS. Uso de Cadáveres P.M.H.S: Post Mortem Human Surrogate Situaciones con riesgo de daños permanentes Detección de lesiones de importancia VENTAJAS ESPECÍFICAS Se les puede llevar hasta cargas que produzcan lesiones (detección por autopsia). Alta biofidelidad. Posibilidad de instrumentación interna (ej. Acelerómetros) INCONVENIENTES ESPECÍFICOS Problemática ética específica. Dificultad de conseguir sujetos específicos (tamaño, edad, ) Ausencia de reflejos y activación muscular. Diferencias biológicas con humanos vivos a compensar (ej. presión de fluidos) Sólo se detectan lesiones de importancia. Riesgos biológicos para los operarios. 16

17 HERRAMIENTAS BIOLÓGICAS. Segmentos y tejidos Segmentos: Órganos o grupos de órganos, articulaciones, etc. Medición de propiedades mecánicas y lesiones locales VENTAJAS ESPECÍFICAS Similar a los P.M.H.S. Elevada posibilidad de instrumentación (ej. Acelerómetros, células de carga, ) Observación específica de la magnitud a medir INCONVENIENTES ESPECÍFICOS Similar a los P.M.H.S. Al retirar elementos adyacentes al objeto de estudio se puede perder biofidelidad (ej. Músculos en torno a articulaciones) 17

18 HERRAMIENTAS BIOLÓGICAS. Animales Medición de propiedades mecánicas y lesiones locales VENTAJAS ESPECÍFICAS Se puede llegar a producir lesiones permanentes en sujetos vivos (anestesiados) Posibilidad de instrumentación invasiva en sujetos vivos (anestesiados) Relativa facilidad para conseguir muestras Tejidos y segmentos potencialmente similares a los humanos INCONVENIENTES ESPECÍFICOS Consideraciones éticas Diferencias con el cuerpo humano 18

19 HERRAMIENTAS MECÁNICAS VENTAJAS GENERALES Alta repetibilidad y reproducibilidad. Fácil instrumentación. Modelos estandarizados Se les puede someter a altos niveles de carga. INCONVENIENTES GENERALES INCONVENIENTES GENERALES Nos alejamos del objeto de ensayo. Los materiales ya no son biológicos. Diseñados para situaciones específicas. Biofidelidad limitada. Rigideces y propiedades mecánicas no siempre realistas. Mediciones limitadas a la posición de los sensores. 19

20 HERRAMIENTAS MECÁNICAS. Maniquíes antropomórficos (crash test dummies) Simulación del comportamiento del cuerpo humano ante situaciones específicas de impacto Su biofidelidad se limita normalmente a un tipo específico de impacto (frontal, lateral, trasero, ) Tienen posibilidad de instrumentación para la estimación del riesgo de daño a través de criterios biomecánicos. 20

21 HERRAMIENTAS MECÁNICAS. Impactores Simulación del comportamiento de segmentos del cuerpo humano ante situaciones específicas de impacto Estudio de agresividad de elementos del automóvil ante impacto (interiores, zonas de impacto con peatones, etc.) Impactor para impacto de cabeza (FMVSS 201) Body block para ensayos de airbag Impactores para estudio de protección a peatones (pedestrian) 21

22 HERRAMIENTAS NUMÉRICAS VENTAJAS GENERALES Alta repetibilidad y reproducibilidad. Posibilidad de reproducir sistemas biológicos o mecánicos. Posibilidad de medición continua de cargas. Alta biofidelidad (si están bien hechos). Aptos para cualquier nivel de carga. INCONVENIENTES GENERALES Modelos biológicos aún en desarrollo. Muchas propiedades mecánicas de tejidos aún desconocidas. Limitada estandarización de ensayos virtuales 22

23 HERRAMIENTAS NUMÉRICAS. Modelos Humanos Modelos de simulación numérica del cuerpo humano completo. Su utilización aún es limitada. Algunas aplicaciones: 23

24 HERRAMIENTAS NUMÉRICAS. Modelos Humanos Hay varios modelos disponibles para distintos software de simulación. Entre los más utilizados actualmente están las versiones del THUMS, desarrollado por TOYOTA 24 Detalles de modelos humanos THUMS (Yoyota)

25 HERRAMIENTAS NUMÉRICAS. Modelos Humanos Proyecto Global Human Body Model (GHBM): destinado a crear y mantener modelos humanos para su aplicación a seguridad en automoción. Actualmente en desarrollo. 25 Centros participantes en el desarrollo del proyecto GHBM

26 HERRAMIENTAS NUMÉRICAS. Modelos Humanos Proyecto Global Human Body Model (GHBM): destinado a crear y mantener modelos humanos para su aplicación a seguridad en automoción. Actualmente en desarrollo. 26 Modelo actualmente desarrollado en el GHBM

27 HERRAMIENTAS NUMÉRICAS. Modelos de dummies Permiten simular los ensayos en los que se utilizan los maniquíes equivalentes. Cada dummy o impactor físico normalizado tiene su equivalente numérico. Multicuerpos Elementos Finitos (FEA) ( ( 27

28 Campo de aplicación de las herramientas de investigación en biomecánica del impacto 28

29 Estado del conocimiento en biomecánica del impacto Pese a los inevitables avances, a nivel cualitativo no ha cambiado mucho desde

30 CÓMO SE DEFINEN ESTAS HERRAMIENTAS? METODOLOGÍA TÍPICA 1. Accidentología IDENTIFICACIÓN Condiciones del impacto Lesiones o síntomas típicos Población de estudio (general, mujeres, niños,...) 2. Estudios Biológicos Pruebas con elementos biológicos Mecanismo de daño Características mecánicas de los tejidos Estados de carga Identificación de daños sobre los tejidos Criterios biomecánicos basados en medidas biológicas 4. Aplicación Industrial Diseño de productos o componentes para reducción de las lesiones estudiadas Pruebas con simuladores Posible estandarización 3. Creación de Simuladores representativos Creación de modelos mecánicos Creación de modelos numéricos Criterios biomecánicos basados en medidas de los simuladores Definición de procedimientos de uso 30

31 Paso 1: Accidentología: Qué pretendemos analizar? IDENTIFICACIÓN Condiciones del impacto Lesiones o síntomas típicos Población de estudio (general, mujeres, niños,...) 31

32 Paso 2: Estudios Biológicos BIOMETRÍA Y GENERACIÓN DE GEOMETRÍAS Medición de tamaños, masas, inercias,... Tratamiento estadístico: Percentiles Definición de geometrías 3D a través de imágenes médicas 32

33 Paso 2: Estudios Biológicos IDENTIFICACIÓN DEL MECANISMO DE DAÑO Asociación de causas mecánicas (ej: cargas, impactos, movimientos,...) a efectos biológicos (lesiones) Análisis de cinemática del ocupante, cargas típicas transmitidas, etc. 33

34 Paso 2: Estudios Biológicos DETERMINACIÓN DE CORREDORES TÍPICOS Para tener en cuenta la variabilidad de los ensayos de definen corredores que establecen relaciones típicas entre magnitudes (ej: fuerza vs desplazamiento) Esos corredores servirán para la validación de los simuladores mecánicos y numéricos 34

35 Paso 2: Estudios Biológicos CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE TEJIDOS Y ÓRGANOS Determinación de rigideces, tensiones de rotura Particularmente interesante para creación de modelos numéricos 35

36 Paso 2: Estudios Biológicos DETERMINACIÓN DE RESPUESTAS HUMANAS TÍPICAS Condiciones iniciales en el impacto Postura y posición en el habitáculo Posición de elementos del vehículo (cinturón de seguridad, regulaciones de asiento, volante,...) Otros elementos (ej: gafas, vestimenta,...) Respuesta ante las condiciones de impacto Activación muscular voluntaria (ej: frenado) Activación muscular refleja Modificaciones en el comportamiento típico (somnolencia, alcohol, medicamentos,...) 36

37 Paso 3: Creación de herramientas simuladoras REPRODUCCIÓN DE CONDICIONES BIOLÓGICAS Crash test dummies, modelos numéricos,... La geometría y las propiedades mecánicas tratan de reproducir las observadas en los estudios biológicos Biofidelidad Los sustitutos se crean para reproducir una respuesta biológica ante unas condiciones específicas. 37

38 Paso 3: Creación de herramientas simuladoras MEDICIONES Las herramientas simuladoras se diseñan para facilitar la medida de magnitudes indicativas de posibles daños En los modelos numéricos la medición puede hacerse en cualquier punto. Los modelos mecánicos incluyen sensores puntuales (acelerómetros, células de carga, potenciómetros,...) 38

39 Paso 3: Creación de herramientas simuladoras ENSAYOS DE CALIBRACIÓN Ciertos ensayos realizados sobre elementos biológicos se reproducen sobre las herramientas simuladoras. La respuesta de éstas deben permanecer en los corredores definidos por los sistemas biológicos Las propiedades mecánicas pueden cambiar con el tiempo, el número de ensayos, etc. Se precisan revisiones. 39

40 Paso 4: Creación de criterios biomecánicos CRITERIOS BIOMECÁNICOS Son expresiones matemáticas a través de las cuales, a partir de una o más magnitudes medibles, se puede estimar la probabilidad de aparición de lesiones. El problema estriba en estimar cuándo se produce una lesión en un sistema biológico y definir cómo detectarlo a partir de las mediciones en un sistema simulador 40

41 Paso 4: Creación de criterios biomecánicos SISTEMAS BIOLÓGICOS Lesión por sobrecarga local en un tejido u órgano Producida por un mecanismo de daño Puede producirse en cualquier punto: Fenómeno contínuo Alta variabilidad SIMULADORES MECÁNICOS Normalmente no se producen daños en el sistema Mediciones en puntos normalmente discretos (sensores) Poca variabilidad SIMULADORES NUMÉRICOS Medición de cargas continua o discreta (sensores simulados) Se puede simular el daño en los materiales Poca variabilidad

42 Paso 4: Creación de criterios biomecánicos FUNCIONES DE RIESGO Se trata de determinar la probabilidad con la que una carga asociada a un mecanismo de daño produce una lesión A menudo se basan en ensayos con voluntarios y sobre cadáveres Se usan métodos estadísticos para tener en cuenta la variabilidad de los sistemas biológicos Problemática: A menudo podemos saber si se ha producido o no una lesión, pero no a qué cargar exacta se produce. Se recurre a métodos de Censoring 42

43 Paso 4: Creación de criterios biomecánicos DEFINICIÓN DE FUNCIONES A PARTIR DE MEDIDAS EN SIMULADORES Se trata de asociar las mediciones realizadas en herramientas simuladoras a las funciones de daño estimadas sobre elementos biológicos. Puede utilizarse cualquier magnitud medible en el sistema simulador: Magnitudes cinemáticas: Aceleraciones, desplazamientos, Magnitudes dinámicas: Fuerzas, momentos, Deben emplearse magnitudes representativas del mecanismo de daño investigado. Las funciones pueden estar asociadas a una única magnitud o incluir varias de distintos tipos. 43

44 Paso 4: Creación de criterios biomecánicos DEFINICIÓN DE FUNCIONES A PARTIR DE MEDIDAS EN SIMULADORES Funciones instantáneas: Tienen en cuenta los valores de las magnitudes de forma instantánea (ej: aceleración máxima de cabeza, fuerza máxima de compresión del fémur, etc.) Funciones acumulativas: Tienen en cuenta el tiempo en el que se ha sobrepasado una determinada magnitud (ej: Corredores de Mertz) Ej: Femur Force Criterion (FFC) 44

45 Paso 4: Creación de criterios biomecánicos Ejemplo: Funciones empleadas para determinación de daños cervicales Neck injury criterion (NIC): Intervertebral NIC (IV-NIC): NIC = a rel v rel Θ IV NIC i = Θ trauma, i physio log ical, i Normalizad neck injury criterion (Nij): Neck criterion rear impact (Nkm): Fz M Nij = + F M zc Fx My Nkm = + F int M int OCy yc Fz My Nij = + F int M int Lower neck load index (LNL): Mylower + Mxlower Fylower + Fxlower LNL = + + C C moment shear Fz C 2 lower tension Whiplash injury criterium (WIC): WIC = M y M Total moment about occipital condyle (MOC): Total moment (MTO): Criterio de Mertz y Patrick: Criterio de Jeffrey: Criterio de Hyung: M M M TOx Fdin Fest OC y lw x max > 2 max ( D F ) carga aplicada Φ = carga de rotura z y ( D F ) ( D F ) S_RATING = HEIGHT+0.37HRPOS-0.02EXPR-0.09POSTURE2+0.17HRCOMF+0.41ADJUST1 M OCx = M x y M OCy = M = M M M + ( D F ) + ( D F ) TOy = M = M + ( D F ) y z x z z y TOz x z x y 45

46 Paso 4: Creación de criterios biomecánicos ASOCIACIÓN DE PROBABILIDAD DE DAÑO A los resultados de las funciones puede asociarseles riesgos de daño 46

47 Paso 4: Creación de criterios biomecánicos APLICACIÓN DE CRITERIOS A PROCEDIMIENTOS DE EVALUACIÓN Finalmente los criterios son aplicados en procedimientos de evaluación (normativas, ensayos de asociaciones de consumidores, etc.) Cada procedimiento de evaluación establece qué criterios biomecánicos usar y pone límites a los valores aceptables. 47

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