Das Mips-Helmtestlabor bei Stockholm in Schweden wird seit über 20 Jahren kontinuierlich weiterentwickelt. Der moderne Komplex auf 300 qm Fläche umfasst vier Testanlagen und Instrumente auf dem neuesten Stand der Technik für die Nachbildung realer Aufprallszenarien. So können wir unsere Messungen vollständig kontrollieren.
Mips misst Beschleunigungen mit 6 Freiheitsgraden im Zeitverlauf. Der Freiheitsgrad bezieht sich auf die Bewegungsmöglichkeiten eines starren Körpers im dreidimensionalen Raum. Einfach ausgedrückt, misst der Freiheitsgrad, wie sich Objekte im Raum bewegen können.
Bei jedem Helm testen wir drei verschiedene Bereiche: vorne, seitlich und schräg vorne. Weil es Studien zufolge bei einem Sturz auf den Kopf beim Fahrradfahren, Motorradfahren, Reiten und bei anderen Sportarten in den allermeisten Fällen zu einem schrägen Aufprall kommt, führen wir alle Helmtests mit einem Winkel von 45 Grad durch. Vor allem ist es wichtig, die Anfangsposition des Kopfes und des Helms während des vertikalen Falls auf die Aufprallfläche kontrollieren zu können.
20 Jahre hat es gedauert, bis die Mips-Testumgebung vollständig entwickelt war, und wir arbeiten an ihrer ständigen Verbesserung. Unsere erste Testanlage wurde 1997 gebaut und ist seitdem zu der Anlage geworden, die wir heute einsetzen. 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 (Meter pro Sekunde) und einem Winkel von 45 Grad erfolgt. 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-Sicherheitssystems um alle drei anatomischen Achsen (X, Y und Z) zu kontrollieren. Wir testen dasselbe Helmmodell mit und ohne Mips-Sicherheitssystem in allen erhältlichen Größen.
Anschließend werden die Aufpralldaten analysiert. Mit diesen umfassenden Tests wird sichergestellt, dass die Version des Mips-Sicherheitssystems jedes Helmmodells nach dem Mips-Standard zugelassen werden kann.
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). Diese Konstruktion war noch in keiner Weise ausgereift, zeigte uns aber, dass das Mips-Sicherheitssystem in der Lage war, die auf den Kopf wirkenden Kräfte bzw. das Drehmoment zu reduzieren.
A: Pendel-Prüfstand zur Messung des Drehmoments.
B/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].
Verschiedene Publikationen erläutern die Messung der Energieabsorption bei einem schrägen Aufprall mit einer auf den Helm wirkenden erheblichen Kraft. Bei manchen Studien wurde eine rotierende Betonscheibe eingesetzt, auf die die Helme fallen gelassen wurden. Andere stellten Verfahren vor, bei denen der Testkopf auf eine gleitende Stahlplatte fallen gelassen wurde, um einen schrägen Aufprall zu erzeugen. Eine Studie aus dem Jahr 2008 umfasste ein Verfahren mit einem HIII-Hals und die Möglichkeit, die Kraft auf der Platte zu messen.
Um den schrägen Aufprall eines Helms zu testen, ist es auch möglich, den Helm auf eine abgewinkelte Oberfläche fallen zu lassen.
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. Zudem kann es schwierig sein, beim Aufprall eine konstante Geschwindigkeit der Platte aufrechtzuerhalten.
Ein drittes mögliches Testverfahren ist der Druckluft-Linearimpaktor, 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-Dummy-Hals für Crashtests 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.
Aufgrund seiner Einfachheit und Robustheit verwendet Mips das Verfahren des senkrechten Falls auf eine abgewinkelte Aufpralloberfläche.
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 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 Prozent.
Aus einer numerischen Analyse des Aufpralls zweier Helme zur Simulation von Unfällen beim American Football im Jahr 2001 ging hervor, dass der Hals beim Vergleich des Aufpralls mit und ohne Hals tatsächlich die Eigenschaften der Winkelbeschleunigung veränderte. In der Untersuchung entsprachen die Aufprallsituationen allerdings nahezu einem radialen Aufprall auf den Helm, bei dem der Hals die einzige Ursache für die Rotation des Kopfes ist. Mit anderen Worten, es gab keine oder nur eine geringe Tangentialkomponente beim Aufprall.
Eine Studie aus dem Jahr 2012 zeigte, dass die Komponenten der Winkelbeschleunigung bei einem Vergleich zwischen dem Aufprall auf den Helm mit dem Ganzkörpermodell und nur dem Kopf um ganze 40 Prozent abweichen können. Die Wissenschaftler verwendeten das Modell des menschlichen Körpers mit der Bezeichnung Total Human Model for Safety (THUMS) und simulierten einen schrägen Aufprall auf den lateralen Teil (im Schläfenbereich) des Helms. Sie schlugen 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.
Eine weitere Studie aus dem Jahr 2009 rekonstruierte mit MADYMO-Modellen des menschlichen Körpers 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 erhöht und die Simulation mit einem Ganzkörpermodell mit der ausschließlichen Simulation des Kopfes verglichen. Die Wissenschaftler führten 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.
Es kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass der Hals im Allgemeinen die Bewegung des Kopfes beeinflusst. Außerdem kann argumentiert werden, dass ein Testverfahren mit Aufprallwinkeln definiert werden kann, bei denen die Auswirkung des Halses während der kurzen Dauer (5–10 Millisekunden) des Kontakts des Helms mit der Aufprallfläche gering ist.
Experimentelle Tests an menschlichen Leichen haben gezeigt, dass der obere Bereich des menschlichen Halses biegsam ist und für einen bestimmten Verschiebungs- oder Rotationswert als vom Kopf abgekoppelt betrachtet werden könnte. Bewegung in einem menschlichen Gelenk, die nicht zu einer Kraft oder einem Moment führt, wird als Neutralzone definiert. Die Neutralzone, in welcher der obere Halsbereich eine Rotation des Kopfes ohne umfangreiche Last zulässt, liegt je nach Rotationsachse im Bereich von 10 Grad.
Somit kann sich, wenn wir keine Muskelaktivität berücksichtigen, der Kopf etwa 10 Grad drehen, ohne dass ein Effekt auf die Kinematik bei der horizontalen Belastung des Kopfes eintritt. Bei einem typischen Aufprall des Helms auf Asphalt dreht sich der ungehindert fallende Kopf während der ersten 10 Millisekunden des Aufpralls etwa 10 Grad. Aufgrund dessen könnte man argumentieren, dass die Zeit nicht ausreicht, um den Kopf in dieser spezifischen Aufprallrichtung durch den Hals maßgeblich zu beeinflussen.
Des Weiteren müssten bei der Konzeption eines neuen Testverfahrens folgende Aspekte bei der Frage, ob ein Testhals hinzugezogen werden soll oder nicht, berücksichtigt werden:
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 Millisekunden) 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.