MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ KRĘGOSŁUPA SZYJNEGO CZŁOWIEKA W SYTUACJI UDERZENIA PIŁKĄ W GŁOWĘ

Transkrypt

1 Aktualne Prblemy Bimechaniki, nr 1/ Marek GZIK, Dagmara TEJSZERSKA, Wjciech WOLAŃSKI, Paweł POTKOWA Katedra Mechaniki Stswanej, Plitechnika Śląska w Gliwicach MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ KRĘGOSŁUPA SZYJNEGO CZŁOWIEKA W SYTUACJI UDERZENIA PIŁKĄ W GŁOWĘ Streszczenie: W artykule przedstawin badania, których celem była analiza bciążeń wewnętrznych struktur kręgsłupa szyjneg w sytuacji uderzenia piłką różnej masie w głwę. D celów analizy sfrmułwan mdel człwieka uwzględniając: głwę, kręgsłup szyjny, tułów raz mięśnie. Mdel sfrmułwan w systemie WrkingMdel2D, cenę zagrżeń urazami przeprwadzn w parciu jakściwą analizę trzymanych wyników. 1. WSTĘP Urazy kręgsłupa szyjneg pważnych knsekwencjach dla zdrwia sób pszkdwanych najczęściej są spwdwane wypadkami kmunikacyjnymi. Drugą równic liczną grupę stanwią upadki z wyskści, d których również zaliczyć mżna skki d płytkiej wdy. Wypadki sprtwe, chć knsekwencje mniej dtkliwe stanwią również liczną reprezentację. Kręgsłup szyjny jest dcinkiem ze względu na swje usytuwanie najmniej chrninym i najbardziej narażnym na urazy. Uszkdzenia na wyskści kręgów szyjnych, jeżeli łączą się z urazem rdzenia kręgweg częst skutkują tetraplegią (prażeniem funkcji kńczyn górnych i dlnych), a w wielu przypadkach śmiercią [2]. W pracy pdjęt się próby identyfikacji bciążeń wewnętrznych kręgsłupa w sytuacji uderzenia głwy piłką. Ruch głwy, jej bciążenie za sprawą stawu szczytw ptyliczneg jest transmitwany na kręgsłup szyjny. Analizie pddan przypadek uderzenia z bku wymuszająceg ruch w płaszczyźnie człwej. 2. ZAŁOŻENIA PRZYJĘTE W PROCESIE MODELOWANIA W celu wyknania analizy numerycznej ddziaływań pmiędzy kręgami, pwstał dwuwymiarwy mdel człwieka. Mdel uwzględnia isttne dla bimechaniki elementy układu szkieletw mięśniweg, pmija natmiast wpływ układu krwinśneg, pkarmweg, ddechweg raz skóry. Mdel (rys.l) sfrmułwan w parciu następujące załżenia [1]: - głwa, kręgi, tułów traktwane są jak bryły sztywne, płączne przegubw raz elementami sprężyst - tłumiącymi (równległe płączenie liniwej sprężyny raz liniweg elementu tłumiąceg), dzwierciedlającymi naturalne płączenia. - mdel uwzględnia sąsiadujące tkanki miękkie, - ddziaływanie tkanek miękkich dwzrwane jest przez elementy sprężyst - tłumiące, - analizie pddan ruch górnych części ciała człwieka w płaszczyźnie człwej, - tułów traktwan, jak nieruchmą pdstawę.

2 30 M. Gzik, D. Tejszerska, W. Wlański, P. Ptkwa Przyjęte masy elementów mdelu raz mmenty bezwładnści zestawin w tabeli 1. Tabela 1. Parametry pszczególnych brył sztywnych [1] Masa [kg] I 2 [g*mm 2 Głwa 5 25 *10 6 Cl 0, ,4 C2 0, ,8 C3 0, ,45 C4 0, C5 0, ,25 C6 0, ,95 Cl 0, ,8 3. SYMULACJE NUMERYCZNE Symulacje numeryczne przeprwadzn w celu kreślenia wewnętrznych ddziaływań w kręgsłupie szyjnym, jakie pjawiają się na skutek uderzenia w głwę piłkami różnych dyscyplin przy różnych prędkściach. Przyjęt następujące masy piłek: 0,27kg siatkwa, 0,43kg nżna raz 3kg piłka lekarska. Mdel umżliwia analizę ddziaływań wewnętrznych sił dynamicznych, jakie się pjawiają w elementach płączenia kręgów szyjnych przy uderzeniu piłkami różną prędkścią.

3 Mdelwanie bciążeń kręgsłupa szyjneg człwieka. 31 Siły w kręgsłupie szyjnym C1 -C2 C2-C3 C3-C4» V C4-C5 C5-C6 '"""'.'l m/s 10m/s 15m/s 20m/s 25m/s Rys. 2. Maksymalne wartści sił działające na kręgsłup pdczas uderzenia głwy piłką siatkwą (przy różnych prędkściach piłki w chwili uderzenia) Siły w kręgsłupie szyjnym C1 - C2 C2-C3 "Si D) S' S. C3-C4 C4 - C5 C5-C m/s 10m/s 15m/s 20m/s B^im/s] Rys. 3. Maksymalne wartści sił działające na kręgsłup pdczas uderzenia głwy piłką nżną (przy różnych prędkściach piłki w chwili uderzenia)

4 32 M. Gzik, D. Tejszerska, W, Wlański, P. Ptkwa Siły w kręgsłupie szyjnym m/s 10m/s 15m/s Rys. 4. Maksymalne wartści sił działające na kręgsłup pdczas uderzenia głwy piłką lekarską (przy różnych prędkściach piłki w chwili uderzenia) Na klejnych wykresach przedstawin analizę prównawczą ddziaływań w kręgsłupie pdczas uderzenia różnymi piłkami. Siły w kręgsłupie szyjnym pwstałe na skutek udzerzenia piłkąz prędkścią5m/s lekarska siatkw a nżna Rys. 5. Maksymalne wartści sił działające na kręgsłup pdczas uderzenia różnymi piłkami przy prędkści 5 m/s

5 Mdelwanie bciążeń kręgsłupa szyjneg człwieka... Sity w kręgsłupie szyjnym pwstałe na skutek udzerzenia piłką z prędkścią 10m/s C1 - C2 S' C2-C3 U) > S* s C3 - C4 C4-C5 CL C5 - C lekarska siatkwa nżna Rys. 5. Maksymalne wartści sił działające na kręgsłup pdczas uderzenia różnymi piłkami przy prędkści 10 m/s Siły w kręgsłupie szyjnym pwstałe na skutek udzerzenia piłkąz prędkścią 15m/s >, C1 -C2 i J" C2 - C3 i/i 0 01 V C3-C4 I j*: f " " 1 C4-C5 CL C5 - C6 r- u ^ -) Sita [N] 0 lekarska E3 siatkwa nżna Rys. 6. Maksymalne wartści sił działające na kręgsłup pdczas uderzenia różnymi piłkami przy prędkści 15 m/s Na wykresach przedstawin maksymalne wartści sił z przebiegów występujące w chwili ekstremalneg wychylenia głwy. dynamicznych,

6 34 M. Gzik, D. Tejszerska, W. Wlański, P. Ptkwa siły w kręgsłupie szyjnym pwstałe na skutek udzerzenia piłką z prędkścią 25m/S Site [NI Rys. 7. Maksymalne wartści sił działające na kręgsłup pdczas uderzenia piłką siatkwą raz nżną przy prędkści 25 m/s 4. PODSUMOWANIE W pracy przedstawin płaski dynamiczny mdel człwieka, który zstał wykrzystany d analizy zachwania elementów budwy anatmicznej, jak również d analizy sił dynamicznych w elementach łączących kręgi w sytuacji uderzenia piłką w głwę. Otrzymane wyniki należy traktwać jak wartści jakściwe. Weryfikację mdelu przeprwadzn w parciu ruch głwy, który w mdelu dpwiadał rzeczywistemu ruchwi głwy w płaszczyźnie człwej. Otrzymane wyniki wskazują śrdkwą cześć dcinka szyjneg za najbardziej narażną na urazy. Isttne dla mżliwści wystąpienia urazów są prędkści piłki w chwili uderzenia. Przy małych prędkściach jedynie piłka lekarska (masa 3kg) wywłuje niebezpieczne siły w kręgsłupie. P przekrczeniu 15m/s siły wywłane uderzeniem piłek siatkwej raz nżnej również mgą spwdwać pważne w skutkach urazy. Badania są realizwane w ramach prjektu nr. 4 T07B finanswaneg przez Ministerstw Nauki i Szklnictwa Wyższeg LITERATURA [1] Gzik M.: Mdelwanie i symulacja dcinka szyjneg kręgsłupa człwieka, Rzprawa dktrska, Gliwice [2] Kiwerski J.: Urazy kręgsłupa dcinka szyjneg i ich następstwa, Wydawnictw Lekarskie PZWL, Warszawa HUMAN CERVICAL SPINE LOAD MODELLING DURING HEAD IMPACT BY BALL Summary: Mdeling researches cncerning analysis f human cervical spine lading during head impact by different types f ball are presented in this paper. In rder t btain human cervical spine respnse tw dimensinal dynamical mdel f upper human parts was created using Wrking Mdel 2D.