+ All Categories
Home > Documents > Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was...

Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was...

Date post: 08-May-2020
Category:
Upload: others
View: 5 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
14
Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical post mortem human subject table top and indenter tests. The tissue conditions for the table top tests were eviscerated, denuded and intact. The loading configurations were diagonal belt, hub, distributed and crisscross belt. The validation was carried out by comparing predicted chest deflections and posterior reaction force by measured deflections and forces. The indenter tests were carried out on the denuded tissue condition. For the indenter tests the validation was carried out by comparing predicted chest deflections at various locations with measured post mortem human subject deflections. In the table top validation the chest effective stiffness predicted with the model for the various tissue and loading conditions were all within the 95% confidence interval of the mechanical test results. For the model evaluation by means of the indenter tests generally the correct displacement trend was predicted. The thorax model was used to carry out a force and energy analysis. For the whole thorax the greatest amount of energy for the diagonal belt, distributed and crisscross loading conditions was absorbed by the skin and fat. For the hub loading condition the greatest amount of energy was absorbed by the internal tissues of the chest. For the ribs the greatest amount of energy was for the intact thorax loaded by the diagonal belt and the primary energyabsorbing structures were ribs 8 – 10 and the left clavicle. For the distributed loading condition, the greatest amount of energy was absorbed in left and right ribs 8. For the hub loading condition, the greatest amount of energy was absorbed by left and right ribs 2 – 4. For the crisscross loading condition, the greatest amount of energy was absorbed by left and right ribs 8 – 10. Keywords chest injuries, human body model, PMHS, energy, maximum principal strain I. INTRODUCTION In automobile crashes thoracic injuries are very common. It was found that the thorax was the most frequently seriously (AIS 3+) injured body part in automobile frontal accidents [1]. For vehicle occupants age 45+ the parts of the thorax that were most frequently injured were lungs and ribs. Rib fractures were found to be sustained by almost 40% of the elderly passengers [2]. Rib fractures and flail chest are the most frequent types of thoracic injuries for both drivers and passengers, followed by pulmonary, liver and arterial injuries. The prevention of these injuries remains a major concern. Thoracic injuries are sustained when the chest is dynamically loaded at high energy levels. Typically the chest of a belted occupant in a 56 km/h full front rigid wall crash is compressed 30 – 60 mm in 0.1 seconds at a force level of 4 – 6 kN [3]. Therefore a need exists to study human thoracic response to dynamic loading under various impact conditions. Such conditions involve loading through restraint systems, e.g., blunt loading from airbags and/or steering system, seatbelt alone or in combination with airbags. Thoracic response under various loading conditions has been evaluated using post mortem human subjects (PMHS) [45]. These studies have been time consuming and the vast majority of them have been conducted with PMHS representing the older population. Thoracic response evaluations can be done more efficiently with finite element (FE) models of the human body. The mathematical human body models can improve our understanding of injury mechanisms and predict injury risks. The models can enable evaluation of physical variables mechanically related to injury, e.g. energy and Bengt. Pipkorn Autoliv Research, Vårgårda Sweden (corresponding author +46 (0)322 626341, [email protected] ). Richard Kent is professor in Mechanical and Aerospace Engineering at University of Virginia. Validation of a Human Body Thorax Model and its Use for Force, Energy and Strain Analysis in Various Loading Conditions Bengt Pipkorn 1 , Richard Kent 2 IRC-11-56 Ircobi Conference 2011 - 210 -
Transcript
Page 1: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

Abstract  A  finite element model of  a human  chest, modified THUMS model, was  validated by means of 

mechanical post mortem human subject  table  top and  indenter  tests. The  tissue conditions  for  the  table  top tests were eviscerated, denuded and intact. The loading configurations were diagonal belt, hub, distributed and criss‐cross belt. The validation was carried out by comparing predicted chest deflections and posterior reaction force by measured deflections and forces. The indenter tests were carried out on the denuded tissue condition. For  the  indenter  tests  the  validation  was  carried  out  by  comparing  predicted  chest  deflections  at  various locations with measured post mortem human subject deflections. 

 In the table top validation the chest effective stiffness predicted with the model for the various tissue and 

loading  conditions were all within  the 95%  confidence  interval of  the mechanical  test  results. For  the model evaluation by means of the indenter tests generally the correct displacement trend was predicted. 

 The  thorax model was  used  to  carry  out  a  force  and  energy  analysis.  For  the whole  thorax  the  greatest 

amount of energy for the diagonal belt, distributed and criss‐cross loading conditions was absorbed by the skin and fat. For the hub loading condition the greatest amount of energy was absorbed by the internal tissues of the chest. For the ribs the greatest amount of energy was for the intact thorax loaded by the diagonal belt and the primary energy‐absorbing structures were ribs 8 – 10 and the left clavicle. For the distributed loading condition, the greatest amount of energy was absorbed in left and right ribs 8. For the hub loading condition, the greatest amount of energy was absorbed by  left and right ribs 2 – 4. For the criss‐cross  loading condition, the greatest amount of energy was absorbed by left and right ribs 8 – 10.  Keywords  chest injuries, human body model, PMHS, energy, maximum principal strain  

I. INTRODUCTION In  automobile  crashes  thoracic  injuries  are  very  common.  It  was  found  that  the  thorax  was  the most 

frequently seriously (AIS 3+) injured body part in automobile frontal accidents [1]. For vehicle occupants age 45+ the parts of the thorax that were most frequently  injured were  lungs and ribs. Rib fractures were found to be sustained by almost 40% of the elderly passengers [2]. Rib fractures and flail chest are the most frequent types of  thoracic  injuries  for  both  drivers  and  passengers,  followed  by  pulmonary,  liver  and  arterial  injuries.  The prevention of these injuries remains a major concern. 

 Thoracic injuries are sustained when the chest is dynamically loaded at high energy levels. Typically the chest 

of a belted occupant in a 56 km/h full front rigid wall crash is compressed 30 – 60 mm in 0.1 seconds at a force level of 4 – 6 kN [3]. Therefore a need exists to study human thoracic response to dynamic loading under various impact conditions. Such conditions  involve  loading  through  restraint systems, e.g., blunt  loading  from airbags and/or steering system, seatbelt alone or in combination with airbags. Thoracic response under various loading conditions has been evaluated using post mortem human subjects (PMHS) [4‐5]. These studies have been time consuming and the vast majority of them have been conducted with PMHS representing the older population. Thoracic response evaluations can be done more efficiently with finite element (FE) models of the human body. The mathematical human body models can improve our understanding of injury mechanisms and predict injury risks. The models  can enable evaluation of physical  variables mechanically  related  to  injury, e.g. energy and 

Bengt. Pipkorn Autoliv Research, Vårgårda Sweden (corresponding author +46 (0)322 626341, [email protected]). Richard Kent is professor in Mechanical and Aerospace Engineering at University of Virginia.

Validation of a Human Body Thorax Model and its Use for Force, Energy and Strain Analysis in Various Loading Conditions 

Bengt Pipkorn1, Richard Kent2 

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 210 -

Page 2: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

strain  [6].  Also,  the models  can  be  used  to  evaluate  complex  chest  deformation  patterns  that  can  not  be assessed using mechanical anthropometric  test devices  (ATDs) with a  single‐point  slider at  the  sternum as  is used  in  the Hybrid‐III dummy.  It was  found  in  testing with post mortem human subjects  (PMHS)  loaded by a single diagonal belt that maximum chest deflection was observed at points other than mid sternum [7]. 

 There  is  a  considerable  number  of mathematical  human  body models  developed.  The models  are  both 

isolated  chest models  [8]  and whole body models  [9‐11]. The models  are developed  to understand  thoracic structural responses and injuries under various impact loads. Gross motions and stress or strain distributions of the body at impact can be predicted. The models reproduce anatomical geometry and biomechanical properties of  the  human  body  such  as  the  stiffness  of  the  bone  and  the  flexibility  of  the  skin.  Each  joint  is modeled anatomically with  the major  ligaments  and  tendons  and  contact  interfaces between  the proximal  and distal ends of the  joint. Ribs have typically been modeled as homogeneous  isotropic,  linear elastic‐plastic materials, sometimes  with  different  types  of  element  for  trabecular  and  cortical  bone.  The  costal  cartilage  and  the ligaments have been modeled as homogeneous, isotropic linear elastic materials; the thoracic vertebrae as rigid bodies; the muscles and the diaphragm as linear elastic membranes; and the entire interior thoracic volume as an  incompressible  viscoelastic  material  (or  each  organ  as  a  hyperelastic  material).  These  all  represent simplifications of reality. Even if human models can be built and biomaterials can be applied, one of the greatest challenges remains; their proper validation. Experimental tests on PMHS and on PMHS body segments are the data  that  are  available.  In  addition  there  is  a  need  to  take  human  variability  into  account.  In  a  table  top sensitivity  study using a  thorax model  it was  found  that  the  thorax orientation had  the  largest effect on  the force‐deflection response [12]. In addition it was found that the costal cartilage model played an important role in the response to diagonal belt loading. 

 Human body models have been validated by means of sled, impactor and belt compression tests over range 

of  impact  energies  [13‐15].  The  aim  of  this  study  is  to  stepwise  validate  a  thorax  model  by  comparing predictions  from  the  model  with  results  from  PMHS  tests  for  various  tissue‐  and  loading  conditions.  An extended  aim  is  to  use  the model  to  evaluate  the  force  flow  through‐  and  the  energy  absorbed by  various structures or the thorax for various loading conditions.  

II. METHODS 

The upper body part of THUMS developed by Toyota Central R&D Labs., Inc. and Toyota Motor Corporation, was used as the thorax model [16]. The original model was updated with a number of  in‐house modifications. The  complete  chest  was  remeshed,  rhomboideus  muscle  elements  were  added  and  material  data  were modified.  The  ribs  were modeled  using  a  combination  of  solid  and  shell  elements.  The  cortical  bone was modeled with shell elements and the trabecular (spongy) bone was modeled with solid elements. In The original THUMS  the  trabecular bone was modeled with 1 solid element through the thickness of the ribs while  in the modified THUMS the trabecular bone was modeled with 3 solid elements. The skin of the original THUMS was modeled with one element through the thickness while in the modified THUMS the skin was represented by 2 solid elements. For  the complete original THUMS  the number of nodes and elements were 66617 and 87282 respectively while for the complete modified THUMS the number of nodes and solid elements were 110 100 and 156 522 respectively. The ribs of the original THUMS consisted of 1022 shell elements and 3128 solid element. For the ribs of the modified THUMS the number of shell elements was 18512 and the number of solid elements was 15276. In the original THUMS there was a failure criterion defined for the cortical bone which was excluded in the modified THUMS. The rohmboideus muscle was added due to the fact that the muscle was missing in the original model and the muscle is an important connection between the scapula and the rest of the body. 

 The material model used for the modified THUMS ribs was an elasto‐plastic model. For the cortical bone the 

Young’s modulus was 10.2 GPa, yield stress was 65 MPa. For the trabecular bone the Young’s modulus was 40 MPa, and  the yield  stress was 1.8 MPa. No  strain‐rate dependency was defined. The column vertebrae were modeled with rigid bodies connected by spring elements. The intervertebral disks were modeled with an elastic material model. The ligaments were represented by spring elements. The sternum was modeled with a similar material model as the ribs and the cartilage was modeled using an elasto‐plastic material. The spino‐costal joint was  defined with  spring  elements  and  the  sterno‐costal  joint was defined with  solid  elements.  The  internal 

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 211 -

Page 3: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

organs were modeled with viscoelastic solid elements but were simplified as a large balloon‐like structure inside the rib cage. The geometry and detailed description of the table top compression tests were presented by Kent et  al.  [4‐5]. 67  tests on 15 PMHS were used  to develop  the  chest  effective  stiffness  for  the  various  loading conditions and  tissue states.   The chest deflection of  the PMHS was generated at approximately 900 mm/ms which  was  a  rate  similar  to  that  experienced  by  restrained  PMHS  in  48  km/h  frontal  sled  tests  [4].  Each mechanical compression test was replicated with the mathematical model.  

 Three tissue states were replicated in the thorax model. The states were intact, denuded and eviscerated. In 

the denuded tissue state all superficial solids and shells from the intact model were deleted. In the eviscerated tissue state all intra‐ribcage solids and shells were deleted. 

 Four  types of  loading conditions were replicated with the thorax model. The  loading conditions were hub, 

diagonal belt, distributed and criss‐cross belt. The hub was modeled as a cylindrical rigid body with a diameter of 152 mm. The distributed belt loading was represented with 203 mm width and 2 mm thick shells, the loaded area  approximately  between  the  2:nd  rib  and  7:th  rib.  Single  diagonal  belt  and  double  diagonal  belt were represented by 50 mm width  and 2 mm  thick  shell  to pass over  the  shoulder and  cross  the anterior  thorax approximately 30 degrees tilted to the saggital plane. 

 The  single belt model was  similar  in  size  and orientation  to  an  automotive  seatbelt. Penalty  contact was 

defined between the loader and thorax with 0.7 in friction coefficient, due to the fact that a sheet of sandpaper was attached to the anterior thorax side of load in order to prevent the loader from sliding along the surface of the thorax [4‐5].  

 The thorax was positioned on the table by initially positioning the thorax a small distance above the table and 

letting the thorax move to and  impact the table under the influence of gravity. The positioning procedure was repeated for each tissue state. Once the initial position was defined for each tissue state the diagonal belt, hub, distributed, and criss‐cross belt was added.  In  addition  to  the  diagonal  belt,  hub,  distributed  and  criss‐cross  belt  validation  of  the  thorax model  an 

indenter evaluation of the thorax model was carried out (Figure 1). The responses of 5 male cadaver torsos were evaluated by dynamic anterior  loading by  rigid  rectangular  indentors designed  to approximate a  section of a shoulder belt  [17].  Indentor  load and  three‐dimensional deflection measurements were  recorded  in order  to quantify  regional  force‐deflection  and  mechanical  coupling  of  the  anterior  ribcage.    Triaxial  deflection measurements were  taken at nine measurement  locations  (measurement  sites). However, all measurements were  not  taken  in  all  tests.  The  average  deflection  for  the  5  cadaver  torsos was  computed.  The  tests were replicated with  the modified  THUMS  thorax model  validated  by means  of  the  table  top  tests.  The  indentor displacements varied somewhat between the tests. Therefore the deflection measurements were normalized to 1  based  on  the  indentor  displacement.  Equation  1  was  used  for  the  calculation  of  the  normalized  values illustrated in the presentation of load site deflection:  

Calculated value = (measurement site deflection)/(indentor site deflection)                (1)  

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 212 -

Page 4: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

                                         Figure 1. Indenter locations (squares) and displacement measurement locations (figures 1 – 10)  

The thorax model was used to predict cross section resulting force, maximum principal strain and energy for each rib (entire rib) and clavicles for the various tissue states and  loading configurations. The predicted  strain energy for coastal cartilage, sternum, internal organs and skin and fat was also evaluated. 

III. RESULTS 

Results Table Top Validation 

The PMHS chest stiffness was scaled to correspond to a 50th percentile male human.  The predicted effective chest stiffness was within the experimental range for all tissue states and all loading configurations (Figure 2). In addition the same trend was shown for the various tissue states for all loading conditions. The intact conditions showed the greatest chest stiffness while the eviscerated condition showed the  lowest chest stiffness. For the distributed loading conditions the predicted chest stiffness for all tissue conditions was lower than the average PMHS stiffness. 

 

Summary of Stiffness Trends (Mean and Range Shown)

0100200300400500600700800900

10001100120013001400

Int Den Evis Int Den Evis Int Den Evis Int Den EvisTissue Condition

Effe

ctiv

e St

iffne

ss (N

/cm

)

15.2 cm

20.3 cm

5 cm Ynotch

PMHS

Modified THUMS

 Figure 2. Chest effective stiffness for a 50th percentile male. The triangles are test results from PMHS data and circles are modified THUMS predictions. 15 PMHS were tested 

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 213 -

Page 5: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

Results Indenter Evaluation 

The  force‐deflection  values were  normalized  to  the  standard  anthropometry  of  the  50th  percentile male weighing 75 kg  [18]. The displacements  in  the  indenter  test  results were normalized  to 1 by equation 1. Full displacement of the indenter was 0 and no displacement was 1.  

 In the upper  left  indenter evaluation the Indenter displacement was 36 mm. For the upper  left  indenter all 

rib  displacement  predictions  but  2 were within  the  range  of  the  PMHS  displacements  (Figure  3).  The  two displacement  predictions  that were  not within  the  range  of  the  PMHS  displacements were  right  rib  6  and sternum at rib 1. Greatest predicted and measured displacement was for sternum at rib 5. Smallest predicted and measured  displacement was  for  right  rib  7.  Greatest  difference  between  the  predicted  deflection  and measured deflection was 6 mm. It was for the left rib 5. 

 

Upper Left Indenter

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Right R

ib 3

Right R

ib 5

Right R

ib 6

Right R

ib 7

Sternu

m at R

ib 1

Sternu

m at R

ib 5

Left R

ib 3

Left R

ib 5

Left R

ib 6

Left R

ib 7

PMHSModified THUMS

INDENTER

 Figure 3. Upper left indenter normalized average displacement measurements for 5 cadaver torsos for right ribs 3, 5, 6, 7 and sternum at ribs 1 and 5 and left ribs 3, 5, 6 and 7. The range of the measurements is shown 

 For the sternum indenter evaluation the indenter displacement was 34 mm. All predicted rib displacements 

but one were within the range of the of the PMHS displacements. The prediction that was not within the range of the PMHS displacement was for right rib 6. The PMHS displacements were similar for the left and right side (Figure 4). For the PMHS there was a maximum at left and right rib 6. For the modified THUMS predictions the displacements were also similar  for  the  left and right side. However  the predicted maximum was  for  left and right rib 5. Greatest difference between the predicted and measured deflection was 7 mm.  It was for the  left and right rib 6. 

 

Sternum Indenter

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Right R

ib 3

Right R

ib 5

Right R

ib 6

Right R

ib 7

Sternu

m at R

ib 1

Sternu

m at R

ib 5

Left R

ib 3

Left R

ib 5

Left R

ib 6

Left R

ib 7

PMHSModified THUMS

INDENTER

 Figure 4. Sternum indenter normalized averaged displacement measurements for 5 cadaver torsos for right ribs 3, 5, 6, 7 and sternum at ribs 1 and 5 and left ribs 3, 5, 6 and 7. The range of the measurements is shown 

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 214 -

Page 6: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

For the lower right indenter evaluation the indenter displacement was 36 mm. For the model, 3 predicted rib displacements were within  the range of  the PMHS displacements  (Figure 5). The rib displacement predictions that were not within the range of the PMHS displacements were for right rib 3, 5, 7, sternum at rib 1, left rib 6 and 7. Greatest difference between predicted and measured displacement was 9 mm. It was for right rib 3 and left rib 6. 

 

Lower Right Indenter

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Right R

ib 3

Right R

ib 5

Right R

ib 6

Right R

ib 7

Sternu

m at R

ib 1

Sternu

m at R

ib 5

Left R

ib 3

Left R

ib 5

Left R

ib 6

Left R

ib 7

PMHSModified THUMS

INDENTER

 Figure 5.  Lower  right  indenter normalized average displacement measurements  for 5  cadaver  torsos  for 

right ribs 3, 5, 6, 7 and sternum at ribs 1 and 5 and left ribs 3, 5, 6 and 7. The range of the measurements is shown 

 

Results force, energy and strain analysis for various loading conditions 

The predicted cross section resulting force, maximum principal strain and energy for each rib and clavicles were evaluated. For the evaluation cross sections for each rib were defined at approximately the most  lateral point of each rib. For the clavicle the cross sections were defined at approximately the midpoint of the bone. The predicted energy used in the evaluation was the strain energy for each rib and clavicles. 

 The cross section force, energy and maximum principal strain were evaluated at 40 mm of chest deflection 

for diagonal belt, hub, distributed and criss‐cross loading condition. The evaluation was carried out for the intact tissue condition.  

For the diagonal belt  loading configuration the greatest cross section forces were for the  left clavicle, right rib 1 and  right  rib 8  ‐11  (Figure 6). For  the hub  loading configuration generally  the cross section  forces were small. The greatest cross section force was for left and right rib 1.  For the distributed loading configuration the greatest force was predicted for left rib 1, 4, 8 and right rib 1 and 8.  For the criss‐cross loading configuration the greatest forces were predicted for left and right rib 1, 8, 10 and 11 and right rib 1, 4, 8, 10 and 11. The forces for the major part of the ribs were between 30 ‐ 100 N.  

 

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 215 -

Page 7: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

Cross Section Force Left Rib Including Clavicle

0

50

100

150

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Forc

e (N

)

Diagonal BeltHubDistributedCriss-Cross

Intact

Rib Clavicle 

Cross Section Force Right Rib Including Clavicle

0

50

100

150

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Forc

e (N

)

Diagonal BeltHubDistributedCriss-Cross

Intact

RibClavicle

 Figure 6. Cross section force for rib 1 –  12 and clavicle for intact chest for diagonal belt, hub, distributed and criss‐cross belt loading 

For the diagonal belt in the intact tissue configuration the greatest strain energy (entire rib) was for right rib 8 – 10 and for the left clavicle (Figure 7). Low force was obtained for all ribs on the left hand side. For the hub configuration  the greatest energy absorbed was  for  rib 3  ‐ 5  for both  left and  right  side. For  the distributed configuration the energy absorbed for the ribs was generally  low and distributed evenly between the  left and right  ribs. For  the criss‐cross configuration greatest energy was absorbed  for  rib 8  ‐10  for both  left and  right side.  In addition for the criss‐cross  loading configuration a significant amount of energy was absorbed by both clavicles. 

Energy Left Rib Including Clavicle

0,00,10,20,30,40,50,60,70,8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Ene

rgy

(J)

Diagonal BeltHubDistributedCriss-Cross

Intact

RibClavicle

Energy Right Rib Including Clavicle

0,00,10,20,30,40,50,60,70,8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Ener

gy (J

)

Diagonal BeltHubDistributedCriss-Cross

Intact

RibClavicle

Figure 7. Energy absorbed  in rib 1 –  12 and clavicle for intact chest for diagonal belt, hub, distributed and criss‐cross belt loading 

For the diagonal belt  in the  intact tissue condition the greatest maximum principal strain was for  left rib 1 and 2 and right rib 1, 8, 9 and 10 and for the left clavicle (Figure 8). For the hub loading condition the greatest maximum principal  strain was  for  ribs 3  ‐ 5  for both  left and  right  side. For  the distributed and hub  loading conditions the maximum principal strain was generally more evenly distributed between the ribs than for the other  loading conditions. For  the criss‐cross belt  the greatest maximum principal strain was  for  rib 8  ‐ 10  for both left and right side. In addition there was significant strain for both the clavicles and rib 1 and 2.  

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 216 -

Page 8: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

Maximum Principal Strain Left Ribs Including Clavicle

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Stra

in

Diagonal BeltHubDistributedCriss-Cross

Intact

RibClavicle

Maximum Principal Strain Right Ribs Including Clavicle

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Stra

in

Diagonal BeltHubDistributedCriss-Cross

Intact

RibClavicle

Figure 8. Maximum Principal Strain in rib 1 –  12 and clavicle for intact chest for diagonal belt, hub, distributed and criss‐cross belt loading  

For  the diagonal belt  in  the  intact  tissue condition a  significant amount of  the energy  (strain energy) was absorbed by the skin and fat and  internal organs (Figure 9). For the hub  loading condition greatest amount of energy was absorbed by  the  internal organs  followed by  the  ribs. For  the distributed and  criss‐cross  loading conditions greatest amount of the energy was absorbed by the skin and fat and the organs. 

Energy All Ribs, Internal Organs, Skin and Fat

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

Ene

rgy

(J)

Diagonal BeltHubDistributedCriss-Cross

Intact

All Ribs CostalCartilage

Sternum Internal Organs

Skin & Fat 

Figure 9. Energy absorbed by ribs, costal cartilage, sternum, internal organs and skin and fat for intact chest for diagonal belt, hub, distributed and criss‐cross belt loading 

IV. DISCUSSION For the table top analysis generally good agreement between model predictions and mechanical test results 

was obtained  (Figure 2). The highest stiffness  for the  intact thorax condition was obtained for the distributed loading  condition.  The  distributed  loading  condition  loaded most  ribs  and  also  the  clavicles  (Figure  6).  The stiffness of the chest  in the criss‐cross  loading configuration was greater than the stiffness of the chest  in the diagonal belt loading configuration. It was due to the fact that the criss‐cross belt loaded the lower ribs 8 – 11 on both left and right side in addition to loading the left and right clavicles and rib 1. The diagonal belt loaded the left clavicle, left and right rib 1 and right rib 8 – 11. 

 In the table top validation the predicted effective chest stiffness in the distributed loading configuration was 

consistently lower than the average PMHS stiffness. A reason may be that there was a discrepancy between the mathematical distributed loading model and the mechanical counterpart (Figure 2). In the indenter evaluation it was observed that for the upper left indenter and sternum indenter there was a weaker coupling between the left and right side of the thorax for the mathematical model than for the PMHS. When the upper left side and sternum was  loaded with  the  indenter  there was generally  smaller deflection on  the  right  side of  the  thorax (right ribs 3 – 7) for the mathematical model than for the PMHS. For the lower indenter, however, there was a stronger coupling between the left and right side for the mathematical model than was observed for the PMHS. Which means, when the lower right side was loaded with the indenter there was generally greater deflection on the left side of the thorax (left ribs 3 – 7) for the mathematical model than for the PMHS. 

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 217 -

Page 9: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

 The modified THUMS chest model predicted the PMHS chest stiffness in the table top tests. In the indenter 

validation  there was  some  small discrepancies between  the model predictions and  the PMHS  test  results.  In particular  the  discrepancies  were  for  the  lower  indenter.  However  the  trends  predicted  in  the  indenter simulations  were  similar  to  those  observed  in  the  PMHS  indenter  tests.  The  indenter  tests  were  local deformation of  the  chest  that  is  generally not  the  case  in  frontal  car  crashes  in which  the  load  generally  is distributed  by  a  belt  and  an  airbag.   However,  the  indenter  evaluation  contributed  to  the  validation  of  the model. 

 Limitation of  the  table  top  test  configuration  include  the use of  a  constrained back  condition which may 

result  in different  response  than a  thorax  loaded only by  its  inertia, as  it  is  in most  frontal  car  crashes. One possible effect of the posterior boundary is an increase in stiffness due to constraint of the costovertebral and costotransverse articulations. However, it is likely to be small compared to interspecimen variability. 

 The  results  from  the  indenter  test evaluation  indicate  that  there  is  a need  to  continue  the evaluation of 

sternum and costal cartilage stiffness. However, there is an uncertainty in the PMHS test results due to the fact that there were few PMHS specimens evaluated.  

 The in‐house modifications to the model were carried to improve the stability of the chest model and also to 

reduce  the  stiffness  of  the  thorax model  in  the  hub  loading  and  diagonal  belt  loading  configurations.  The rohmboideus muscle was  added due  to  the  fact  that  the muscle was missing  in  the original model  and  the muscle  is an  important connection between  the scapula and  the chest.  In  the model strain  rate effects were excluded. Adding such effects will increase the thorax stiffness when loaded at high energy levels. 

 The forces for the major part of the ribs were between 30 – 100 N (Figure 6).The failure force for ribs was in 

an experimental study found to vary from 48 to 147N [19]. Therefore the forces for some of the ribs were in a force  range  in which  a  fracture  can occur. However,  the  forces  applied  in  the  experimental  study were not necessarily the same as the cross‐section forces predicted by the model. 

 In  the diagonal belt configuration  there were high  levels of maximum principal strain on  right  rib 1  in  the 

mathematical model. The reason was that there was a strong coupling between rib 1 and the sternum. Rib 1 was  pulled  by  the  sternum  resulting  in  high  levels  of maximum  principal  strain  (Figure  10).  In  the  indenter evaluation  it was observed that there was a stronger coupling between  left and right side of the thorax  in the model than in the PMHS. In another study it was found that the properties of costal cartilage play an important role in the thorax response to diagonal belt loading [12]. Therefore the strain and energy absorption by right rib 1 predicted by  the model can be  somewhat higher  than what was sustained by  the PMHS  in  the mechanical tests.  

    

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 218 -

Page 10: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

   

 Figure 10. chest deformation pattern for intact chest for diagonal belt loading at 0% and at 35% chest deflection 

 One study concluded that the potential for seat belt related rib fractures declined with increasing body mass 

index  [20].   The simulations  results suggest a potential mechanism  for such a decline:  the  fat and skin of  the occupant  have  a  significant  energy‐absorbing  effect  (Figure  9)  that may  off‐load  the  ribs. More  research  is needed to fully understand the phenomenon. 

 For  the  hub  loading  condition  the  energy  absorbed  by  the  skin  and  fat was  small  (Figure  9).  In  the  hub 

configuration the hub was loading a small area at the middle of the sternum. The fat layer that was compressed by the hub was relatively thin therefore the energy absorbed was small.   

 In the table top PMHS tests a number of tests for all loading conditions were run beyond the elastic limit of 

the chest and numerous  rib  fractures were sustained by  the PMHS  [4].   Those  tests were replicated with  the mathematical model and the predicted maximum principal strain and energy absorbed pattern were compared to  the  fracture pattern  in  the PMHS  tests. Maximum chest deflection was between 35 – 42%. The predicted maximum principal strain and energy absorbed by each rib was extracted for the same chest deflection for each loading configuration. 

 In the PMHS test with the diagonal belt loading condition at 35% chest deflection, the greatest number of rib 

fractures was obtained  for  left  rib 3 – 6  (Figure 11). For  the diagonal belt condition high maximum principal strain was predicted for left and right rib 1, for right rib 2 and for left rib 9 and 10. Significant energy absorption was predicted for right rib 2 and for left rib 9 and 10. While the general asymmetry of the loading is reflected in both the fracture patterns and in the principal strain distribution, the concentration of rib fractures around left rib  3  –  6  was  not  predicted  by  the maximum  principal  strain  or  by  the  energy  absorbed.  This may  be  a consequence of the use of constant cortical shell thickness  in the ribs of the modified THUMS model. Cortical shell thickness has been shown to vary both  longitudinally and circumferentially  in the ribs and this variability does influence the model response and rib fracture pattern [21‐24]. 

 In the PMHS test with the hub loading condition at 43% chest deflection, the greatest number of rib fractures 

was obtained for left and right rib 2 – 5 (Figure 12). Maximum principal strain was predicted for left and right rib 1  and  left  and  right  rib  3  –  5.  Greatest  predicted  energy  absorbed  was  for  left  and  right  rib  3  –  6.  The concentration of rib fractures around rib 2 – 5  in the PMHS test was not predicted by the maximum principal 

Region of high strain in right rib

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 219 -

Page 11: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

strain of the energy absorbed.  

 Diagonal Belt

-0,04 -0,03 -0,02 -0,01 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04Max Principal Strain

Rib 1

Rib 10

Left Right

 

Hub

-0,04 -0,03 -0,02 -0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04

Max Principal Strain

Rib 1

Rib 10

Left Right

 Diagonal Belt

-3 -2 -1 0 1 2 3Energy (J)

Rib 1

Rib 10

Left Right Hub

-3 -2 -1 0 1 2 3Energy (J)

Left RightRib 1

Rib 10

 Figure 11. Rib fracture locations in PMHS tests for diagonal belt loading at 35% chest deflection and modified THUMS predicted maximum principal strain and energy for ribs 1 – 10. S50 is the distance around the rib cage from the mid‐sternal line to the fracture location 

Figure 12. Rib fracture locations in PMHS tests for hub loading at 43% chest deflection and modified THUMS predicted maximum principal strain and energy for ribs 1 – 10. S50 is the distance around the rib cage from the mid‐sternal line to the fracture location 

 In the PMHS test with the distributed  loading condition at 35% chest deflection the greatest number of rib 

fractures were obtained  for  left rib 3 – 8  (Figure 13). Highest predicted maximum principal strain was for  left and right rib 1 and 5  ‐10. Highest predicted energy absorbed by each  rib was  for  left and right rib 4 – 8. The concentration  of  rib  fractures  around  rib  3  –  8 was  not  predicted  by maximum  principal  strain  or  energy absorbed. 

 In the PMHS test with the criss‐cross belt loading condition at 29% chest deflection the greatest number of 

rib  fractures was obtained  for  left and right rib 2 – 7  (Figure 14). Highest predicted maximum principal strain was for left and right rib 1 and 7 ‐10. Highest predicted energy absorbed by each rib was for left and right rib 7 – 10. The concentration of rib fractures around rib 2 – 7 was not predicted with the maximum principal neither 

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 220 -

Page 12: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

strains nor energy absorbed.  

 Distributed

-0,04 -0,03 -0,02 -0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04Max Principal Strain

Rib 10

Rib 1Left Right Criss-Cross

-0,04 -0,03 -0,02 -0,01 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04Max Principal Strain

Left RightRib 1

Rib 10

 Distrbuted

-3 -2 -1 0 1 2 3Energy (J)

Rib 1

Rib 10

Left Right Criss-Cross

-3 -2 -1 0 1 2 3Energy (J)

Left RightRib 1

Rib 10

Figure 13. Rib fracture locations in PMHS tests for distributed loading at 35% chest deflection and modified THUMS predicted maximum principal strain and energy for ribs 1 – 10. S50 is the distance around the rib cage from the mid‐sternal line to the fracture location 

Figure 14. Rib fracture locations in PMHS test for Criss‐Cross loading at 29% deflection and modified THUMS predicted maximum principal strain and energy for ribs 1 – 10. S50 is the distance around the rib cage from the mid‐sternal line to the fracture location 

 For  the diagonal belt and criss‐cross belt configurations, greatest predicted energy absorbed and greatest 

maximum principal strain was for rib 8 – 10. In the PMHS tests greatest number of rib fractures was around rib 3 ‐ 7. One explanation for the discrepancy between model predictions and mechanical PMHS test results may be that the belt in the model was located somewhat lower on the chest than in the PMHS tests resulting in greater energy and strains in rib 8 – 10. An alternative explanation may be that there was significant difference in thorax geometry between the PMHS and THUMS resulting  in a difference  in the belt  load path between THUMS and PMHS. Another parameter that can influence the stiffness of the thorax is the rib angle [2].  The rib angle of the PMHS  tested was  not  known.  Therefore  a  rib  angle  comparison  between  THUMS  and  the  PMHS  cannot  be carried out. Rib curvature, skew, and taper have been proven to be of minor importance [25]. 

 Generally there was high predicted maximum principal strain for rib 1 and 2. In the model the same cortical 

bone thickness was used for rib 1 and 2 as for the other ribs. However, the cortical bone thickness of a human can be greater for rib 1 and 2. Therefore increasing the cortical bone thickness for rib 1 and 2 in the model may 

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 221 -

Page 13: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

reduce  maximum  principal  strain  of  rib  1  and  2  and  make  the  predicted  peak  maximum  principal  strain distribution more similar to the distribution of fractures of the PMHS  in the table top tests. In future research analysis a sensitivity analysis will be carried out to evaluate the influence of rib 1 and 2 cortical bone thickness and belt routing over the chest on both chest stiffness prediction and peak energy and strain predictions. 

 The table top rib fracture prediction evaluation with modified THUMS indicates that a combination of energy 

absorbed and maximum principal strain may be  feasible  to prediction  injury  in  the distributed and criss‐cross loading configuration. It may not be feasible for the diagonal belt and hub loading configuration. However, the evaluation will be  carried out  for other PMHS data  sets. Additional PMHS  rib  fracture data  is needed before these issues can be fully elucidated.  

V. CONCLUSIONS  

The  validated mathematical  thorax model  predicted  PMHS  force  deflection  characteristics  for  diagonal  belt, hub, distributed and criss‐cross loading conditions and eviscerated, denuded and intact tissue conditions.  For the  intact thorax condition  loaded with the diagonal belt the highest cross sectional force was for the  left clavicle, right rib 1 and right rib 8‐11. The greatest amount of energy was absorbed by rib 8 – 10 and the  left clavicle. Peak maximum principal strain was predicted for left and right rib 1, left rib 2, left clavicle and right rib 8‐ 10.  For the distributed loading condition, the highest cross sectional force was for left and right rib 4 and 8. Greatest amount  of  energy  was  absorbed  in  left  and  right  rib  8.  Predicted  maximum  principal  strain  was  evenly distributed between the ribs.   For  the hub  loading condition, highest predicted cross  sectional  forces were  for  left and  right  rib 1. Greatest amount of energy absorbed and peak strain levels were predicted for left and right rib 2 – 4.  For  the  criss‐cross  loading  condition  highest  predicted  cross  sectional  forces were  for  rib  8  –  11.  Greatest amount of energy absorbed and peak strain levels were for left and right rib 8 – 10.  Greatest amount of energy for the diagonal belt, distributed and criss‐cross loading condition was absorbed by the skin and fat. For the hub loading condition greatest amount of energy was absorbed by the internal tissues of the chest.  

VI. References  1.  Carroll,  J.,  et  al.  Overview  of  Serious  Thorax  Injuries  in  European  Frontal  Car  Crash  Accidents  and 

Implications  for  Crash  Test  Dummy  Development.  in  International  Research  Council  on  the Biomechanics of Injury (IRCOBI). 2010. Hannover, Germany. 

2.  Kent, R., Structural Material Changes  in the Aging Thorax and Their Role  in Crash Protection for Older Occupants. Stapp Car Crash Journal, 2005. 

3.  Kent, R., et al. Age‐related Changes  in the Effective Stiffness of the Human Thorax Using Four Loading Conditions. in International Research Council On Biomechanics Of Injury (IRCOBI). 2003. 

4.  Kent,  R.,  L.  David,  and  S.  Chris,  Thoracic  Response  to  Dynamic,  Non‐lmpact  Loading  from  a  Hub, Distributed Belt, Diagonal Belt, and Double Diagonal Belts. Stapp Car Crash Journal, 2004. 

5.  Kent, R., D. Murakami, and S. Kobayashi. Frontal Thoracic Response  to Dvnamic Loading:  the Role of Superficial  Tissues, Viscera,  and  the Rib Cage.  in  International Research Council On Biomechanics Of Injury (IRCOBI). 2005. 

6.  Rouhana, S.W., P.G. Bedewi, and P. Prasad, Biomechanics of 4‐Point Seat Belt Systems in Frontal Impact. Stapp Car Crash Journal, 2003. 

7.  Ceasari, D. and R. Bouquet. Comparison of Hybrid III and Human Cadaver Thorax Deformations Loaded by a Thoracic Belt. in 38th Stapp Car Crash Conference. 1994: SAE 942209. 

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 222 -

Page 14: Abstract - IRCOBI · Abstract A finite element model of a human chest, modified THUMS model, was validated by means of mechanical ... The single belt model was similar in size and

8.  Kimpara, H., Development of a Three‐Dimensional F E Chest Model for the 5th Percentile Female. Stapp Car Crash Journal, 2005. 

9.  Baudrit, P., et  al., Comparative  Studies of Dummy  and Human Body Models Behavior  in  Frontal and Lateral Impact Conditions. Stapp Car Crash Journal, 1999. 

10.  Iwamoto, M.,  et  al.  Development  of  a  Finite  Element Model  of  the  Total  Human Model  for  Safety (THUMS) and Application to  Injury Reconstructlon.  in  International Research Council On Biomechanics Of Injury (IRCOBI). 2002. 

11.  Robins, S. Human Model for Safety ‐ A Joint Effort Towards the Development of Refined Human‐Like Car Occupatn Models. in 17th Inernational Technical Conference on the Enhanced Safety Vehicle. 2001. 

12.  Murakami, D., et al., Finite Element Analysis of Hard and Soft Tissue Contributions to Thoracic Response: Sensitivity Analysis of Fluctuations in Boundary Conditions. Stapp Car Crash Journal, 2006. 

13.  Oshita,  F.  and  M.  Kiuoshi.  Development  of  Finite  Element  Model  of  the  Human  Body.  in  7th International LS‐Dyna Users Conference. 2002. 

14.  Iwamoto, M. Ankel Skeletal Injury Predictions Using Anisotropic Inelastic Constitutive Model of Cortical Bone Taking into Account Damage Evolution. in Stapp Car Crash Journal. 2005. 

15.  Chawla, A.,  et  al. Validation  of  the  Cervical  Spine Model  In  THUMS.  in  19:th  International  Technical Conference on Enhanced Safety of Vehicles. 2005. Washington D.C. 

16.  Labs, T.C.R.D. THUMS (Total HUman Model for Safety) Occupant Model: Version 2.21‐040407. 2005. 17.  Shaw,  G.,  et  al.  Quasi‐Static  and  dynamic  thoracic  loading  tests:  cadaveric  torsos.  in  International 

Research Council On Biomechanics Of Injury (IRCOBI). 2007. 18.  Eppinger, R.H., R.M. Morgan, and J.H. Marcus. Side Impact Data Analysis. in 9th Internationa Technical 

Conference on Experimental Safety Vehicles. 1984. 19.  Charpail, E., T. Xavier, and P. Philippe, Characterization of PMHS Ribs: A New Test Methodology. Stapp 

Car Crash Journal, 2005. 20.  0'Brian‐Mitchell, B., et al. Analysis of Injury Trends  in Frontal University of Michigan Ciren Cases  in the 

Context of Crash Tests.  in 21st International Tehcnical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles. 2009. Stuttgart, Germany. 

21.  Choi,  H.Y.  and  I.  Lee.  FE  model  for  older  population  in  Japan  Society  of  mehcnaical  Engineering Conference. 2009. Fuoka, Japan. 

22.  Kent, R., et al. Progress on the development of the GHBMC thorac finite element model. in Proceedings 38:th  international Workshop on Human Subject  for Biomechanical Research. 2010. National Highway Traffic Safety Administration, U.S.D.O.T. 

23.  Stitzel, J., et al., Defining regional variation in the material properties of human rib cortical bone and its effect on fracture prediction. Stapp Car Crash Journal, , 2003. 

24.  Mohr, M., et al., Geometry of human ribs pertinent to orthopedic chest‐wall reconstruction. J. Biomech 40:1310‐1317, 2007. 

25.  Granik, G.  and  I.D.  Stein, Human  ribs:  Static  Testing  as  a Promising Medical Application.  J. Biomech, 1973. 6: p. 237‐240. 

  

IRC-11-56 Ircobi Conference 2011

- 223 -


Recommended