WYKORZYSTANIE NUMERYCZNEGO MODELU CZŁOWIEKA STOSOWANEGO W ANALIZIE WYPADKÓW DO SYMULACJI ZŁAMANIA KOŃCZYN GÓRNYCH

Transkrypt

1 Mgr inż. Marcin MILANOWICZ Centralny Instytut Ochrony Pracy Państwowy Instytut Badawczy ul. Czerniakowska 16; Warszawa WYKORZYSTANIE NUMERYCZNEGO MODELU CZŁOWIEKA STOSOWANEGO W ANALIZIE WYPADKÓW DO SYMULACJI ZŁAMANIA KOŃCZYN GÓRNYCH Streszczenie: W referacie przedstawiono opis modyfikacji numerycznego modelu człowieka polegającej na umożliwieniu symulowania złamania kości kończyn górnych. Opisano dwie przykładowe rekonstrukcje sprawdzające możliwość symulacji złamania kończyny górnej. Pierwszy wypadek dotyczy upadku człowieka z drabiny, a drugi złamania przedramienia w wyniku uderzenia klapą kontenera. Na tej podstawie zwrócono uwagę na wady i zalety zmodyfikowanego modelu człowieka. THE USE OF NUMERICAL HUMAN MODEL USED IN ACCIDENTS ANALYSIS FOR SIMULATION OF UPPER EXTREMITIES FRACTURES Abstract: The paper presents description of modified numerical human model. The modification makes possible to simulate fractures of upper extremities. Two accidents reconstructions are described in the paper. The reconstructions were conducted in order to verify model correctness. Based on results of reconstructions advantages and disadvantages of the model are shown in the paper. Słowa kluczowe: numeryczny model człowieka, analiza wypadków, złamania kończyn Keywords: numerical human model, accidents analysis, fractures of upper extremities 1. WPROWADZENIE Z uwagi na dużą liczbę wypadków przy pracy, dochodzącą rokrocznie do ok. 90 tys. [1], w Centralnym Instytucie Ochrony Pracy Państwowym Instytucie Badawczym (CIOP-PIB) prowadzone są prace nad wykorzystaniem symulacji numerycznej do analizowania przebiegu i skutków wypadków przy pracy związanych z zagrożeniami mechanicznymi. Do zdarzeń takich zaliczają się np. upadki, przygniecenia, potrącenia itp. Do rekonstruowania tych wypadków stosowany jest pakiet Madymo wykorzystujący dwie metody obliczeniowe: elementów skończonych oraz układów wieloczłonowych [2]. Początkowo prace skupiały się na podejmowaniu prób rekonstrukcji wypadków z wykorzystaniem dostępnego w bibliotece pakietu Madymo modelu człowieka pieszego [3-4]. Model ten zaprojektowany jest do analizowania wypadków związanych z potrąceniem pieszego przez samochód. Dlatego już pierwsze próby wykazały braki modelu istotne z punktu widzenia rekonstruowania wypadków przy pracy. Istotną wadą modelu był brak możliwości symulacji złamań kończyn górnych. Potrzeba rozwinięcia modelu człowieka o możliwość symulacji złamań kończyn 443

2 wynikała z częstości występowania urazów tego typu. Dane Głównego Urzędu Statystycznego wskazują, że w latach urazy kończyn górnych wystąpiły u 40% osób poszkodowanych w wypadkach przy pracy, do których doszło na terenie Polski. W związku z tym w CIOP-PIB opracowano modele kończyn górnych umożliwiające symulację złamań kości [5]. Opracowane modele zaimplementowano do modelu człowieka i dzięki temu powstał zmodyfikowany model człowieka pracownika. Na świecie podobne rozwinięcia modelu człowieka Madymo prowadzono na przykład na University College Dublin, gdzie opracowano numeryczny model mózgu (University College Dublin Brain Trauma Model) implementowany do modelu człowieka [6]. Tematem referatu jest sprawdzenie poprawności działania modelu człowieka pracownika pod kątem możliwości symulacji złamania kości kończyn górnych. W celu sprawdzenia poprawności działania modelu przeprowadzono wiele symulacji odzwierciedlających rzeczywiste wypadki. 2. OPIS MODELU Modyfikacja numerycznego modelu człowieka polegała między innymi na zastąpieniu oryginalnych modeli kończyn górnych nowymi opracowanymi w CIOP-PIB modelami umożliwiającymi symulację złamań kości (rys. 1). Oryginalny model człowieka wykonany jest z wykorzystaniem metody układów wieloczłonowych. Składa się on z członów powiązanych ze sobą za pomocą połączeń kinematycznych, tworząc tzw. łańcuch kinematyczny. Poszczególne człony mają określone wymiary, masę, momenty bezwładności oraz środek ciężkości odpowiadające 50-centylowemu mężczyźnie. Część z połączeń kinematycznych symuluje stawy człowieka. Zakres ruchów w poszczególnych stawach jest ograniczony do obrotów wokół 1, 2 lub 3 osi w zależności od stawu. Obroty te są również ograniczone do pewnych kątów, tak aby symulowały rzeczywiste stawy człowieka. Model wyposażony jest także w wiele wirtualnych czujników umożliwiających obliczenie wielkości fizycznych, takich jak przyspieszenia oraz siły w czasie trwania symulacji. Wielkości te wykorzystywane są do szacowania prawdopodobieństwa wystąpienia urazów [7]. Rys. 1. Model człowieka z zaimplementowanymi modelami kończyny górnej umożliwiającej symulację złamań Zaimplementowany numeryczny model kończyny górnej składa się z dwóch części ramienia, dwóch części przedramienia oraz ręki i umożliwia symulację złamania kości ramiennej oraz kości przedramienia. Człon ramienia połączony jest z członem przedramienia za pomocą połączenia o 2 stopniach swobody, symulując staw łokciowy. Człon przedramienia na swym dalszym końcu połączono z członem ręki również połączeniem o 2 stopniach swobody, symulując w ten sposób staw promieniowo-nadgarstkowy (rys. 1). Symulacja złamań jest możliwa dzięki zastosowaniu dodatkowych połączeń kinematycznych w członach ramienia 444

3 i przedramienia. Człony te składają się z dwóch równych części połączonych ze sobą za pomocą połączeń kinematycznych o 3 stopniach swobody (2 i 4, rys. 1). Każda część stanowi odrębny człon, tzn. ramię składa się z dwóch członów połączonych ze sobą w miejscu, w którym symulowane będzie złamanie. Rys. 2. Łańcuch kinematyczny modelu kończyny górnej: 1 połączenie symulujące staw ramienny; 2 połączenie dwóch członów ramienia symulujące miejsce złamania kości; 3 połączenie symulujące staw łokciowy; 4 połączenie dwóch członów przedramienia symulujące miejsce złamania kości; 5 połączenie symulujące nadgarstek; 6-10 człony wraz z reprezentacją geometryczną symulujące: 6-7 ramię; 8-9 przedramię; 10 rękę Rys. 3. Obciążenie kończyny górnej: A kończyna przed przyłożeniem obciążenia; B kończyna po przyłożeniu obciążenia (obciążenie przekroczyło wartość graniczną, widoczne złamanie kończyny) Połączeniom nadano ograniczenia ruchowe tak, że połączone fragmenty kości tworzą sztywną całość (rys. 3, A). W trakcie obciążania kończyny pozostaje ona sztywna do momentu, kiedy przekroczona zostanie wartość siły lub momentu siły powodująca złamanie kości. Po przekroczeniu tej wartości połączenie zostaje zerwane, symulując w ten sposób złamanie kości (rys. 3, B). Wartości wielkości, po przekroczeniu których występuje prawdopodobieństwo złamania kości obliczono na podstawie wyników badań eksperymentalnych opisanych w publikacjach naukowych. W przypadku ramienia wykorzystano wyniki badań [8], mających na celu określenie sił i momentów zginających, przy których dochodzi do złamania kości ramiennej. We wspomnianej pracy przeprowadzono testy trzypunktowego zginania ludzkich ramion z wykorzystaniem maszyny wytrzymałościowej. Obciążenie przykładane było w połowie długości ramienia. Do określenia wytrzymałości przedramienia wykorzystano wyniki badań dwóch zespołów badaczy [9-10]. W obu przypadkach przedramię potraktowano jako całość, tzn. nie rozważano oddzielnie wytrzymałości kości promieniowej i łokciowej. W pracach tych przedramiona obciążane były w połowie długości, podobnie jak w badaniach ramienia. Wartości sił i momentów uzyskane ze wspomnianych publikacji naukowych zeskalowano dla 50-centylowego mężczyzny. Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli

4 Tabela 1. Mężczyzna 50 centyli Znormalizowane wartości sił i momentów sił, przy których występuje prawdopodobieństwo złamania kości Siła [N] kierunek przyśrodkowy/boczny Moment siły [Nm] kierunek przyśrodkowy/boczny Siła [N] kierunek przedni/tylny Moment siły [Nm] kierunek przedni/tylny Ramię Przedramię Na potrzeby prowadzenia symulacji złamania kończyny człowieka o innych wymiarach antropometrycznych opracowano algorytm umożliwiający przeskalowanie wartości granicznych. Poprawność działania tak zmodyfikowanego modelu zweryfikowano w oparciu o rekonstrukcję rzeczywistych wypadków przy pracy. 3. SYMULACJE ZŁAMANIA KOŚCI KOŃCZYNY GÓRNEJ W niniejszym rozdziale opisano przykłady symulacji złamania kończyn górnych w oparciu o rzeczywiste wypadki. Symulacje te przeprowadzono, aby sprawdzić poprawność działania zmodyfikowanego modelu człowieka pracownika. W tym celu wybrano tylko te wypadki, w których główne urazy, jakich doznali poszkodowani to złamania kończyn górnych. Na etapie wyboru ważne było, aby przebieg zdarzenia wypadkowego był łatwy do odtworzenia Wypadek 1: upadek z drabiny Pierwszy wypadek wydarzył się na terenie zakładu mięsnego. Zadaniem pracownika było sprzątnięcie pomieszczenia chłodni. Aby umyć sufit chłodni, pracownik wszedł na metalową drabinę, którą oparł o tor kolejki podwieszanej służącej do transportu półtusz. Gdy schodził, drabina utraciła stabilność i przesunęła się, powodując upadek pracownika z wysokości około trzech metrów. W wyniku upadku poszkodowany doznał złamania kości przedramienia oraz ramienia obu kończyn i doznał ogólnych potłuczeń. Przyczyną wypadku było użycie drabiny nieodpowiedniej do stosowania na śliskim podłożu oraz nieprawidłowa organizacja pracy. Czynności tego typu wykonuje się z poziomu podłoża z wykorzystaniem tzw. myjek wysokociśnieniowych. Rys. 4. Warunki początkowe symulacji Celem odtworzenia tego wypadku było sprawdzenie, czy w wyniku przeprowadzonych symulacji uda się uzyskać wyniki odwzorowujące podobne urazy. Symulację przeprowadzono z wykorzystaniem metody układów wieloczłonowych. Na potrzeby symulacji opracowano numeryczny model miejsca wypadku składający się z uproszczonego modelu toru kolejki do transportu półtusz, drabiny oraz podłoża. Następnie na drabinie ustawiono model człowieka (rys. 4). 446

5 MECHANIK 7/2013 Rys. 5. Przebieg wypadku faza początkowa Kolejnym krokiem było przeprowadzenie wielu symulacji, których wynik powinien jak najwierniej odwzorowywać rzeczywisty wypadek. Podczas tego etapu zmieniano ustawienie drabiny oraz modelu człowieka stojącego na niej. W efekcie tych prac udało się uzyskać wynik pokrywający się z opisem wypadku. Przebieg symulacji przedstawiono na rys. 5 i 6. Rys. 6. Przebieg wypadku faza końcowa (odstępy pomiędzy klatkami 50 ms) Kolejnym etapem było sprawdzenie, czy obliczone w wyniku symulacji wielkości fizyczne mają przełożenie na urazy, jakich doznał poszkodowany w rzeczywistym wypadku. W tym celu obliczane były głównie siły i momenty sił, a także przyśpieszenie środka ciężkości głowy, na podstawie którego obliczany jest wskaźnik HIC. HIC informuje o prawdopodobieństwie wystąpienia urazów głowy. Występują różne rodzaje wskaźnika HIC, w tym przypadku użyto tzw. HIC 15 ms. W tabeli 2 zestawiono tylko te wyniki, które wskazują na prawdopodobieństwo wystąpienia urazów. W kolumnie zawierającej opis urazów zamieszczono także stopień ciężkości wyrażony w skali AIS (AIS = 1 urazy lekkie, AIS = 6 urazy bardzo ciężkie prowadzące do śmierci). Tabela 2. Zestawienie wyników pierwszej symulacji upadku z drabiny Wskaźnik HIC15ms [-] Wartość Limit Głowa >1800 Opis wystąpienia urazów poważnie zagrażających życiu, śpiączka powyżej 24 h AIS 5 Szyja Siła poprzeczna (Fx) działająca na szyję [N] Moment siły (My) działający na szyję [Nm] > > złamania kręgosłupa, AIS 4-6 złamania kręgosłupa, AIS 4-6

6 Moment siły (My) działający na przedramię lewe [Nm] Moment siły (Mz) działający na przedramię prawe [Nm] Przedramiona > >80 złamania kości przedramienia złamania kości przedramienia Jak wynika z informacji zamieszczonych w tabeli 2, zarówno w modelu przedramienia lewego, jak i prawego zarejestrowano momenty sił przekraczające wartości graniczne, co wskazuje na wystąpienie wysokiego prawdopodobieństwa złamania kości obu przedramion. Okazało się także, że w tym przypadku oprócz wymienionych urazów, występuje wysokie prawdopodobieństwo poważnego urazu głowy oraz szyi, co jest niezgodne z opisem wypadku. Przyczyną wystąpienia dodatkowych urazów może być fakt, że model człowieka jest modelem pasywnym, tzn. spada bezwładnie na podłoże. Poszkodowany prawdopodobnie próbował wykonywać ruchy, które pozwoliły ochronić jego głowę i szyję przed urazami. Przeprowadzono zatem serię dodatkowych symulacji mających na celu zbadanie wpływu ruchów kończyn górnych na urazy. Jednym z wariantów było wyciągnięcie kończyn górnych przed model człowieka w celu przeniesienia obciążenia wynikającego z uderzenia o posadzkę na kończyny górne (rys. 7). Rys. 7. Sprawdzenie wpływu ustawienia kończyn górnych modelu na urazy. Model spadający bezwładnie (po lewej) oraz model ze zmienioną pozycją kończyn górnych (po prawej) Okazało się, że takie ułożenie ciała skutkuje wystąpieniem wysokiego prawdopodobieństwa złamania zarówno kości przedramion, jak i ramion w obu kończynach. Jednocześnie zarejestrowane wielkości wskazują na prawdopodobieństwo wystąpienia lekkich urazów szyi i głowy, co jest zgodne z opisem wypadku. Wyniki analizy urazów zestawiono w tabeli 3. Tabela 3. Zestawienie wyników drugiej symulacji upadku z drabiny Wskaźnik Wartość Limit Opis Głowa HIC 15ms [-] Prawdopodobieństwo wystąpienia wstrząsu mózgu niezagrażającego życiu AIS 3/4 Szyja Siła poprzeczna (Fx) działająca na szyję [N] 3300 Siła wzdłużna (Fz) działająca na szyję [N] 4000 Moment siły (My) działający na szyję [Nm] Prawdopodobieństwo wystąpienia lekkiego urazu więzadła lub mięśni AIS

7 Moment siły (Mz) działający na ramię lewe [Nm] Moment siły (My) działający na ramię prawe [Nm] Moment siły (Mz) działający na przedramię lewe [Nm] Moment siły (Mz) działający na przedramię prawe [Nm] Ramiona > >245 Przedramiona > >80 Wysokie prawdopodobieństwo złamania kości ramiennej Wysokie prawdopodobieństwo złamania kości ramiennej Wysokie prawdopodobieństwo złamania kości przedramienia Wysokie prawdopodobieństwo złamania kości przedramienia 3.2. Wypadek 2: uderzenie klapą kontenera w kończynę górną Drugim przykładem jest wypadek związany z uderzeniem kończyny górnej przez klapę kontenera na odpady. Pracownik stojąc na podwyższeniu (podnóżku), zamykał klapę kontenera. W pewnym momencie ześlizgnął się z podnóżka, w wyniku czego lewa kończyna znalazła się pomiędzy zamykaną klapą a stałą zabudową kontenera. Wypadek skutkował złamaniem obu kości lewego przedramienia. Na potrzeby symulacji opracowano uproszczony model kontenera składający się z ruchomej klapy oraz stałej części pojemnika kontenera. Model człowieka ustawiono w taki sposób, aby po uruchomieniu symulacji noga ześlizgnęła się z podnóżka, na którym stoi. Jednocześnie prawa kończyna zamyka klapę kontenera (rys. 8). Rys. 8. Warunki początkowe symulacji Zmieniając ustawienia klapy oraz modelu człowieka, udało się uzyskać przebieg wypadku zbliżony do jego opisu (rys. 9). Rys. 9. Przebieg wypadku faza końcowa (odstępy pomiędzy klatkami 50 ms) 449

8 Podobnie jak w przypadku symulacji odzwierciedlającej pierwszy wypadek, przeprowadzono ocenę prawdopodobieństwa wystąpienia złamania kończyny górnej. Okazało się, przy że uderzeniu opadającą klapą występuje wysokie prawdopodobieństwo wystąpienia złamania kości lewego przedramienia. Wyniki analizy zestawiono w tabeli 4. Tabela 4. Zestawienie wyników symulacji uderzenia klapą kontenera w kończynę górną Wskaźnik Wartość Limit Opis Przedramiona Moment siły (Mz) działający na przedramię lewe [Nm] > 80 złamania kości przedramienia 4. PODSUMOWANIE Rozwinięcie modelu człowieka o możliwość symulacji złamań kończyn górnych polegało na opracowaniu własnych modeli kończyn górnych oraz zaimplementowaniu ich do modelu człowieka dostępnego w bibliotece pakietu Madymo. W celu zweryfikowania poprawności działania modelu przeprowadzono rekonstrukcje wypadków, w wyniku których poszkodowani doznali złamania kości przedramienia bądź ramienia. Jak wskazują wyniki symulacji, w obu przypadkach udało się tak dobrać warunki początkowe, aby w rezultacie zarejestrowane przez wirtualne czujniki wielkości fizyczne miały przełożenie na wysokie prawdopodobieństwo wystąpienia złamania kończyn górnych. Przy wykorzystaniu modelu należy jednak pamiętać, że w przypadku rzeczywistego wypadku człowiek może wykonywać ruchy, które mogą wpłynąć na przebieg i skutki wypadku. Wartości graniczne sił i momentów sił, po przekroczeniu których symulowane jest złamanie kości modelu są obliczone na podstawie danych uzyskanych w wyniku testów eksperymentalnych na ludzkich kończynach opisanych w publikacjach naukowych. W związku z tym można mówić jedynie o pewnym prawdopodobieństwie wystąpienia złamania kości przy danych warunkach. Przy ocenie urazów należy wziąć pod uwagę wysokość i masę człowieka oraz uwzględnić zmiany wytrzymałości kości wynikające z przebytych chorób. Niemniej jednak zmodyfikowany model może być wykorzystywany do analizowania przebiegu i przyczyn wypadków, w których poszkodowany doznał m.in. złamania kości kończyn górnych. Publikacja opracowana na podstawie wyników II etapu programu wieloletniego pn. Poprawa bezpieczeństwa i warunków pracy w latach dofinansowywanego w zakresie badań naukowych i prac rozwojowych ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Koordynator programu: Centralny Instytut Ochrony Pracy Państwowy Instytut Badawczy. LITERATURA [1] Główny Urząd Statystyczny, Wypadki przy pracy w 2012 r., GUS, Warszawa. [2] TASS. Dostęp na dzień : 450

9 [3] Milanowicz M., Budziszewski P.: Wykorzystanie technik symulacji komputerowej do rekonstrukcji wypadków przy pracy o charakterze mechanicznym, Mechanik [CD- ROM] 2010, nr 7, s [4] Milanowicz M., Budziszewski P.: Wykorzystanie symulacji komputerowej do rekonstrukcji wypadków przy pracy, Bezpieczeństwo Pracy, nr 3/2011, s [5] Milanowicz M.: Numeryczny model kończyny górnej człowieka z możliwością symulowania złamań dla potrzeb rekonstrukcji i zapobiegania wypadkom przy pracy, Mechanik [CD-ROM], 2012, nr 7, s [6] Doorly M.C., Horgan T.J., Gilchrist M.D.: Reconstruction of Head Injury Cases Arising from Falls Using the UCD Brain Trauma Model. Solid Mechanics and Its Applications, IUTAM Symposium on Impact Biomechanics: From Fundamental Insights to Applications. Springer Netherlands [7] MADYMO: Human Models Manual Release 7.4.2, TASS, [8] Kirkish S.L., Begeman P.C., Paravasthu N.S.: Proposed Provisional Reference Values for the Humerus for Evaluation of Injury Potential, SAE, no [9] Pintar A.F., Yoganandan N.: Response and tolerance of the human forearm to impact loading, SAE, 1998, no [10] Begeman P.C., Pratima K.: Bending strength of the human cadaveric forearm due to lateral loads, SAE, 1999, no. 99SC

10 452