Innovation

  — Testlabor

Das MIPS-Helmtestlabor 15 km nördlich von Stockholm in Schweden ist das Ergebnis von 20 Jahren kontinuierlicher Entwicklung. Der topmoderne Komplex auf 300 m2 Fläche umfasst vier experimentelle Testanlagen für die Nachbildung realer Aufprallszenarien sowie Instrumente auf dem neuesten Stand der Technik, die dafür sorgen, dass wir unsere Messungen vollständig kontrollieren können – zum Beispiel moderne Hochgeschwindigkeitskameras, die automatisch Filme jedes Helmtests speichern.

Was wird gemessen?

MIPS misst Beschleunigungen mit 6 Freiheitsgraden im Zeitverlauf. Um sicherzustellen, dass das MIPS BPS zusätzlichen Schutz bietet, testen wir dasselbe Helmmodell mit und ohne MIPS BPS in allen erhältlichen Größen.

 

Bei jedem Helm testen wir drei verschiedene Schwerpunktbereiche: vorne, seitlich und schräg vorne. Und weil der Statistik zu entnehmen ist, dass es beim Sturz in den allermeisten Fällen zu einem schrägen Aufprall kommt, führen wir alle Helmtests mit einem Winkel von 45 Grad durch.

 

Aber am wichtigsten ist, die Anfangsposition des Kopfes und des Helms während des vertikalen Falls auf die Aufprallfläche kontrollieren zu können.

Herausforderungen

15 Jahre hat es gedauert, bis die MIPS-Testumgebung vollständig entwickelt war. Unsere erste Testanlage entstand im Jahr 1997 und ist seitdem zu der Anlage für kontrollierte Tests geworden, die wir heute einsetzen.

Wie führen wir unsere Tests durch?

Unsere Testverfahren sind so entwickelt, dass sie reale Unfallsituationen nachstellen. Aus Analysen von Statistiken zu Fahrradunfällen geht beispielsweise hervor, dass der Aufprall in den häufigsten Fällen bei 6,0–6,5 m/s und einem Winkel von 45 Grad erfolgt (Richter et al. 2007, Verschueren 2009, Bourdet et al. 2013). Deshalb testen wir die Helme bei einer Geschwindigkeit von 6,2 m/s mit einem ähnlichen Aufprallwinkel.

 

Zur Nachbildung des menschlichen Kopfes setzen wir ein experimentelles System mit der Bezeichnung „Hybrid III“ ein. Im Inneren des Testkopfes misst ein Satz aus Beschleunigungssensoren Beschleunigungen mit 6 Freiheitsgraden im Zeitverlauf. Alle Helme erfahren einen Aufprall an drei verschiedenen Punkten, um die Funktion des MIPS BPS um alle drei anatomischen Achsen (X, Y und Z) zu kontrollieren.

 

Nach dem Test werden die Aufpralldaten erfasst und analysiert. Mit diesen umfassenden Tests soll sichergestellt werden, dass die Version eines Helms mit MIPS BPS zusätzlichen Schutz bietet und dass sie nach dem MIPS-Standard zugelassen werden kann.

 

Prüfstand

Unseren ersten Test führten wir 1996 durch und setzten dabei ein Pendel ein, um einen Aufprall auf eine kugelförmige Nachbildung eines Helms zu erzeugen, Abbildung A. Es handelte sich hierbei natürlich um eine sehr unausgereifte Konstruktion, lieferte uns aber die Informationen, um zu zeigen, dass das MIPS BPS in der Lage sein könnte, die auf den Kopf wirkenden Kräfte bzw. das Drehmoment zu reduzieren.

Abbildung A: Pendel-Prüfstand zur Messung des Drehmoments. B und C: Bewegliche Platte mit Beschleunigung der Platte durch einen Pneumatikzylinder. D: Mit Helm ausgestatteter Testkopf wird auf eine Aufprallfläche mit einem Winkel von 45 Grad fallen gelassen. In Test B–D befindet sich am Testkopf ein System mit neun Beschleunigungssensoren [1, 2].

 

Die in Abbildung B und C gezeigte Konstruktion wird in Halldin et al. 2001 und Aare et al. 2003 verwendet. Das in Abbildung D gezeigte Testverfahren wurde in Halldin et al. 2015 verwendet und auch in CEN TC158 als zukünftiges Testverfahren vorgeschlagen.

Bewegliche Oberfläche

Verschiedene Publikationen erläutern die Entwicklung eines Verfahrens zur Messung der Energieabsorption bei einem schrägen Aufprall mit einer auf den Helm wirkenden erheblichen Tangentialkraft. In Aldman et al. 1968 wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Helme auf eine rotierende Betonscheibe fallen gelassen wurden. Halldin et al. (2001) sowie Mills und Gilchrist (2008) stellten Verfahren vor, bei denen der Testkopf auf eine gleitende Stahlplatte fallen gelassen wurde, um einen schrägen Aufprall zu erzeugen. Bei Pang et al. (2008) kam ein ähnliches Verfahren wie das von Halldin verwendete zum Einsatz, allerdings mit einem zusätzlichen HIII-Hals und der Möglichkeit, die Kraft auf der Platte zu messen.

Fall auf eine abgewinkelte Oberfläche

Um den schrägen Aufprall eines Helms zu testen, ist es auch möglich, den Helm auf eine abgewinkelte Oberfläche fallen zu lassen. In Deck et al. wurde vorgeschlagen, den Helm bei 6,5 m/s mit einem Winkel von 60 Grad aufprallen zu lassen (90 Grad stellen einen rein senkrechten Fall dar, wie er bei den aktuellen Helmtestverfahren erfolgt). Zudem wurde der Einsatz eines HIII-Kopfes empfohlen, da dessen Trägheitseigenschaften dem Menschen ähnlicher sind als bei dem heute eingesetzten Testkopf (EN960). Des Weiteren brachten Willinger et al. (2014) durch die Einführung des Hybrid-III-Testkopfes, von Tangentialtests und modellbasierten Kriterien für Hirnverletzungen einen Fortschritt bei Helmtestverfahren ein.

 

Den Hauptunterschied zwischen dem Aufprall auf der beweglichen Platte und dem Fallenlassen des Helms auf eine abgewinkelte Fläche macht der Vektor der Schwerkraft im Verhältnis zum Vektor der Normalkraft gegen den Helm aus, was zu unterschiedlichen Ergebnissen für die beiden Verfahren führen könnte, selbst wenn identische Helme mit der gleichen Aufprallgeschwindigkeit und demselben Aufprallwinkel getestet werden. Die bewegliche Platte könnte daher bei der Simulation eines Sturzes vom Fahrrad oder vom Pferd auf den Boden realistischer sein. Das Verfahren der beweglichen Platte hat jedoch im Vergleich zum Verfahren der abgewinkelten Fläche Nachteile, da es komplexer ist und es schwierig sein kann, beim Aufprall eine konstante Geschwindigkeit der Platte aufrechtzuerhalten.

Linearer Aufprall

Ein drittes mögliches Testverfahren ist der Druckluft-Linearimpaktor (NOCSAE 2006), der zuerst von Biokinetics in Kanada entwickelt wurde. Der Linearimpaktor wird mit einer an einer Scheibe aus Vinyl-Nitril-Schaum befestigten gekrümmten Kunststofffläche ausgestattet, um einen Zusammenprall zweier Helme nachzubilden (entwickelt für American-Football- oder Eishockey-Helme). In diesem Test ist der Testkopf an einem HIII-Hals und einem horizontal beweglichen Schlitten montiert. Dieses Testverfahren gibt unterschiedliche Aufprallpositionen am Helm an, die alle zu einem Aufprall auf den Schwerpunkt des Testkopfes führen (NOCSAE, 2006). Rousseau et al. (2011) schlugen eine Abänderung des Testverfahrens vor, bei welcher der Aufprall des Helms in vom Schwerpunkt des Kopfes versetzten Richtungen erfolgt, um reale Aufprallsituationen wie in Football- und Eishockeyspielen zu simulieren. Dieser Test wird jedoch nicht berücksichtigt, da die Aufprallsituationen eine geringere Tangentialkraft ergeben und für Fahrradunfälle nicht realistisch sind.

Welches Testverfahren soll verwendet werden?

Aufgrund seiner Einfachheit und Robustheit verwendet MIPS das Verfahren des senkrechten Falls auf eine abgewinkelte Aufpralloberfläche.

Warum wird bei Ihren Tests kein Hals einbezogen?

Bei den derzeitigen Testverfahren fällt der Kopf entweder ungehindert auf die Aufprallfläche (europäische Teststandards) oder ist durch einen starren am Kopf befestigten Arm an eine Einschienenbahn gebunden (US-amerikanische Teststandards). Diese beiden Verfahren können als entgegengesetzte Endpunkte der Skala gelten. Irgendwo in der Mitte befindet sich die Normalsituation, in welcher der Kopf durch den Hals eingeschränkt ist.

 

Statt eines Tests ohne Hals gäbe es die Möglichkeit, einen Testhals (wie den HIII-Hals) am vertikalen Schlitten eines Einschienen-Helmprüfstands zu befestigen. Für ein Testverfahren mit Winkel bleibt allerdings die Frage, ob der Hals die gemessenen Translations- und Winkelbeschleunigungen im Testkopf beeinflussen wird. Es ist klar, dass der Kopf durch den Hals eingeschränkt wird und dass dieser zu einem bestimmten Zeitpunkt um einen Punkt im Hals oder gar weiter unten im Brustbereich rotieren wird.

 

Aus früheren Untersuchungen wie der Studie COST 327 ging hervor, dass die Amplitude der Winkelbeschleunigung durch den Hals beeinflusst wird. Mit einem Helm ausgestattete Hybrid-III-Dummys wurden auf eine abgewinkelte Oberfläche fallen gelassen und mit ungehindert fallenden Testköpfen mit Helmen verglichen. Den Ergebnissen zufolge unterschied sich die Amplitude der Winkelbeschleunigung um etwa 20 %.

Untersuchungen mit und ohne Hals

Beusenberg et al. (2001) stellten eine numerische Analyse vom Aufprall zweier Helme zur Simulation von Unfällen beim American Football vor. Aus dieser ging hervor, dass der Hals beim Vergleich des Aufpralls mit und ohne Hals tatsächlich die Eigenschaften der Winkelbeschleunigung veränderte. In der Untersuchung von Beusenberg entsprachen die Aufprallsituationen allerdings nahezu einem radialen Aufprall auf den Helm, bei dem der Hals die einzige Ursache für die Rotation des Kopfes ist, d. h., es gab keine oder nur eine geringe Tangentialkomponente beim Aufprall.

 

Ghajari et al. (2012) zeigten, dass die Komponenten der Winkelbeschleunigung bei einem Vergleich zwischen dem Aufprall auf den Helm mit dem Ganzkörpermodell und nur dem Kopf um ganze 40 % abweichen können. In dieser Untersuchung verwendete Ghajari das THUMS Finite Element Model und simulierte einen schrägen Aufprall auf den lateralen Teil (im Schläfenbereich) des Helms. Ghajari schlug vor, zum Ausgleich des Halses und des Körpers die Trägheitseigenschaften des Kopfes zu ändern, wenn bei einem Test mit einem schrägen Aufprall nur der Kopf eingesetzt wird.

 

Forero (2009) rekonstruierte mit MADYMO 12 Unfälle bei Pferderennen. Zwei davon wurden in Simulationen mit und ohne Körper bei einem Aufprall des Helms auf der Rennbahnoberfläche detailliert analysiert. Die Winkelbeschleunigung wurde beim Vergleich der Simulation mit einem Ganzkörpermodell und der Simulation mit nur dem Kopf im ersten Fall von 6462rad/s2 auf 10104rad/s2 und im zweiten Fall von 5141rad/s2 auf 6444rad/s2 erhöht. Forero führte außerdem an, dass sich durch das Fehlen von Hals und Körper die Richtung der Beschleunigung ändern könne. In dieser Untersuchung wurde vorgebracht, dass das MADYMO-Modell des menschlichen Körpers die Beweglichkeit des Wirbelgelenks unrealistisch darstelle, was diese große Diskrepanz verursacht haben könne.

Rekonstruktionen mit MADYMO

Verschueren et al. (2009) rekonstruierten mit MADYMO 22 Fahrradunfälle. Neun der Unfälle wurden sowohl mit dem Kopf allein als auch mit dem gesamten Körper simuliert. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigten, dass die Korrelation der Winkelbeschleunigung zwischen der Simulation mit dem Kopf allein und der Simulation mit dem gesamten Körper bei vier von neun Rekonstruktionen gut ausfiel. Bei drei Rekonstruktionen wurde die Korrelation als mittelmäßig eingestuft, bei zwei von neun als mangelhaft, wobei eine Differenz von etwa 30 % für eines dieser Beispiele als mangelhaft definiert wurde.

 

Forero (2009) erörterte die Dauer des Aufprallimpulses und wies darauf hin, dass dieser beim Jockey-Unfall auf der Rennbahn (8–20 ms) im Vergleich zu Fahrradunfällen auf der harten Straße (5–10 ms) unterschiedlich sei. Daher könnte bei der Konzeption eines Tests mit einer die Rennbahn nachbildenden Oberfläche für Jockey-Helme ein Testhals erforderlich sein.

 

Auch Fahlstedt et al. (2015) sowie Klug et al. (2015) hatten die Auswirkungen des Halses bei einem Aufprall mit Helm untersucht. Beide Untersuchungen kamen zu dem Schluss, dass der Hals nicht erforderlich ist, insbesondere beim Vergleich der Änderung der Winkelgeschwindigkeit.

Fazit

Um die Bedeutung des Halses bei einem typischen Aufprall des Helms auf den Boden zu bestimmen, führten die Partner in diesem COST-Projekt FE-Analysen durch, um zu ermitteln, welche Wirkung der Hals in einer Aufprallsituation mit Helm auf den Kopf hat. Sie kamen zu dem Schluss, dass der Hals auf die Kinematik des Kopfes wirkt, dies aber vom Aufprallpunkt und von der Aufprallrichtung abhängt.

 

Außerdem ist fraglich, inwieweit das Verhalten des HIII-Halses den Eigenschaften des menschlichen Halses in Aufprallsituationen mit Helm entspricht. Der HIII-Hals ist nur für Frontalzusammenstöße von Fahrzeugen bei Geschwindigkeiten von etwa 11 m/s entwickelt und validiert, die zu einer Flexion des Halses führen. Daher ist der HIII-Dummyhals nicht für Kompressionsbelastungen, laterale Beugung oder Rotation um die vertikale Achse validiert, wie auch durch Myers et al. (1989) und DiSantis (1991) gezeigt.

 

Des Weiteren müssten bei der Konzeption eines neuen Testverfahrens folgende Aspekte bei der Frage, ob ein Testhals hinzugezogen werden soll oder nicht, berücksichtigt werden:

  • Angenommen, der menschliche Hals wirkt in den meisten Aufprallsituationen in den ersten 10 ms nicht auf den Kopf: Kommen wir zu dem gleichen Ergebnis, wenn die Muskulatur bis zu einer theoretischen Maximalkontraktion angespannt wird.
  • Der Einsatz eines Testhalses hat Nachteile, wie z. B. die entstehenden Kosten und die erforderliche Kalibrierung.
  • Zu den Vorteilen der Verwendung eines Testhalses beim Helmtest gehört die einfachere Positionierung des Helms, da der Hals den Kopf in einer bestimmten Position hält.

 

Wir kommen zu dem Schluss, dass der menschliche Hals als Randbedingung für den menschlichen Kopf die Kinematik des Kopfes beeinflusst. Bei Fahrradunfällen, bei denen es im häufigsten Fall zu einem Aufprall auf den Boden mit kurzer Aufpralldauer (5–10 ms) kommt, wird die Kinematik des Kopfes durch den Hals jedoch nicht in einem solchen Ausmaß beeinflusst, dass er notwendig würde. Unter Berücksichtigung aller bekannten Aspekte wird vorgeschlagen, das neue Testverfahren ohne den Hals zu konzipieren.