Projekti / Programi
Modeliranje anatomskih struktur za analizo obremenitev in poškodb udeležencev v prometnih nezgodah
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.11.01 |
Tehnika |
Konstruiranje |
Osnovna in sistemska znanja |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T115 |
Tehnološke vede |
Medicinska tehnologija |
| B115 |
Biomedicinske vede |
Biomehanika, kibernetika |
analize prometnih nezgod, biomehanika, numerično modeliranje
Raziskovalci (14)
Organizacije (3)
Povzetek
Vsebina predlaganega projekta zajema problematiko matematičnega modeliranja človeškega telesa. Cilj projekta je nadaljnji razvoj računalniško podprtega modela človeškega telesa, namenjenega za analizo obremenitev in poškodb udeležencev v prometnih nezgodah. Model na osnovi dinamike sistemov teles bo modificiran z uporabo matematične formulacije, ki je numerično stabilnejša in zahteva krajše računske čase. V pasivni model človeškega telesa bo vključen model mišičja, kar bo omogočalo upoštevanje vpliva mišične aktivnosti na odziv telesa potnika pri trku. V okviru projekta bo vzpostavljena metodologija podrobnega modeliranja anatomskih struktur človeškega telesa, ki bo aplicirana na primeru vratne hrbtenice. Podrobno modeliranje vratne hrbtenice po metodi končnih elementov zahteva pridobitev ustreznih podatkov o materialnih lastnostih posameznih tkiv. Zaradi omejene uporabnosti podatkov v razpoložljivi literaturi je predvidena izgradnja preskuševališča za meritve dinamičnega odziva vratne hrbtenice ter modifikacija preskuševališča za trčne preskuse. Izvedene meritve bodo omogočile bazo podatkov za verifikacijo in optimiranje razvitega modela človeškega telesa. Pričakuje se, da bo izvedba projekta prispevala k izboljšanju poznavanja poškodbenih mehanizmov in zanesljivejšemu vrednotenju obremenitev in poškodb udeležencev v prometnih ter drugih nezgodah.
Pomen za razvoj znanosti
Projekt vsebinsko prispeva k poglobitvi in razširitvi znanja o poškodbah udeležencev prometnih nezgod, posebej v primeru nihajne poškodbe vratne hrbtenice. Projekt zajema vplivne dejavnike pri nastanku prometnih nezgod in njihovo povezavo s karakterizacijo izpostavljenih anatomskih struktur.
Na podlagi podrobnega pregleda literature in lastnih raziskovalnih izsledkov so bili identificirani ključni problemi pri modeliranju človeškega telesa za analizo prometnih nezgod. Ugotovljena je bila nekonsistentnost in nezanesljivost razpoložljivih podatkov o mehanskih lastnostih anatomskih struktur. Pretežno neraziskan je vpliv hitrosti deformacij tkiva in vpliv priprave vzorcev tkiva na izmerjene mehanske lastnosti, prav tako pa tudi ne obstajajo standardizirani postopki za njihovo določanje. Naštete pomanjkljivosti se odražajo v manjši uporabni vrednosti komercialnih programskih paketov z možnostjo modeliranja človeškega telesa pri trku.
V okviru projekta je bila razvita in vzpostavljena metodologija za sistematično ugotavljanje mehanskih lastnosti anatomskih struktur.
Zasnovano in izdelano je bila preskuševališče za meritve obnašanja mehkih tkiv v pogojih trka vozila, ob popolnem, računalniško podprtem nadzoru relevantnih dejavnikov. Zmogljivosti strojne in programske opreme preskuševališča dopuščajo simulacijo različnega časovnega poteka obremenitev tkiv, ki lahko nastopi pri trku. Senzorična oprema omogoča sledenje nastanka poškodb v mehkih tkivih.
Uspešno so bile odpravljene težave pri geometrijskem modeliranju anatomskih struktur za različna področja uporabe, kot so trčna biomehanika in simulacije operativnih posegov. Zapletene oblike in naključne nepravilnosti povzročajo zgostitev mreže končnih elementov, kar prispeva k daljšim računskim časom in manjši zanesljivosti simulacij. Robusten geometrijski model omogoča nadomestitev linijskih končnih elementov s ploskovnimi in volumskimi, ki nudijo kvalitetnejši opis napetosti, deformacij, ter interakcije različnih vrst tkiva, posebej pri kompleksnih anatomskih regijah kot so vratna hrbtenica ali notranji organi. S tem je dana osnova za ugotavljanje poškodbenih mehanizmov, kritičnih obremenitev in določitev novih poškodbenih kriterijev.
Raziskava potrjuje pravilnost individualiziranega pristopa k modeliranju človeškega telesa in velik pomen ustrezne verifikacije modela, ki pa je zaradi specifičnosti problematike in objektivnih okoliščin težavna. Izveden je bil sklop trčnih preskusov za verifikacijo sklopljenega modela človeškega telesa. Pri tem je bil uporabljen nov način fiksiranja preskušanca, pri katerem je vratna struktura ostala neprekinjena. S pomočjo temeljite priprave biomehanskih podatkov ter identifikacijo izbranih parametrov modela je bila razlika med izmerjenim in simuliranim odzivom človeškega telesa pri pogojih trka minimizirana.
Raziskave v okviru projekta prispevajo k izboljšavi MKE simulacij napetostno-deformacijskega odziva ter poškodb realnih struktur. Na osnovi nateznih preskusov se razvija sistem za določitev evolucijske enačbe in parametrov materialnega modela s pomočjo genetskega algoritma. Dosedanji razvojni rezultati so bili uspešno uporabljeni in verificirani za primer kovinskih materialov.
Razvoj okolja za interaktivno simulacijo vozne dinamike in upravljanja vozil predstavlja pomemben segment projektnih aktivnosti. Podpira različne vidike obravnave prometne nezgode, od zagotavljanja vhodnih podatkov za simulacijo dinamičnega odziva človeškega telesa, do kontrole in analize rezultatov. Modularna struktura okolja omogoča povezljivost uporabniškega vmesnika z bazo podatkov o vozilih in lastnostih človeškega telesa, modelov vozil in modela človeškega telesa.
Podroben študij anatomije in lastnosti mehkih tkiv je pokazal neposredno uporabno vrednost tudi pri razvoju kirurških tehnik za zdravljenje poškodb, nastalih zaradi prometnih nezgod in drugih vzrokov.
Pomen za razvoj Slovenije
Negativni učinki posledic prometnih nezgod predstavljajo veliko obremenitev slovenske družbe in gospodarstva, saj so prometne nezgode pogost vzrok smrti in invalidnosti delovno sposobnih prebivalcev. Velike stroške povzroča tudi dolgotrajna rehabilitacija poškodavancev, dolgotrajni sodni postopki ter visoki odškodninski zahtevki. Vsebina projekta je usmerjena k boljšemu razumevanju in zanesljivejšemu vrednotenju poškodb udeležencev v prometnih nezgodah, kar prispeva k objektivnejši in hitrejši analizi nezgodnih primerov v praksi.
Projekt je zasnovan večdisciplinarno ter je učinkovito izpolnil zastavljene cilje.
Projektne aktivnosti so povezale strokovnjake različnih področij ter prispevale k premostitvi institucionalnih in komunikacijskih ovir. Projekt deluje integrativno ter vzpodbuja sinergijske učinke pri aktivaciji raziskovalnih in drugih potencialov v slovenski družbi. Predstavitev dosedanjih rezultatov projektnih aktivnosti je vzbudila velik interes in potrebo po nadaljnjem širjenju projektnih vsebin. Na sodelujoče v projektu je bilo naslovljenih več zahtevkov za izdelavo ekspertnih mnenj v primerih analize prometnih nezgod, ki zahtevajo poglobljeno obvladovanje temeljnih znanj s področja biomehanike, tehnike vozil, računalniških simulacij in medicine.
Rezultat raziskav na področju razvoja programskih orodij za simulacijo ter prikaz dinamike vozil in človeškega telesa je prilagodljiva in prenosljiva programska aplikacija, ki je široko uporabna na več področjih. Ker omogoča interaktivno simuliranje vozne dinamike, je primerna za spremljanje obnašanja vozil pri poučevanju, pri analizah v fazi snovanja vozil in pri analizah sposobnosti obstoječih vozil. Skupaj z vključenim razvitim modelom človeškega telesa je na ta način možno tudi neposredno ugotavljanje obremenitev potnikov v vozilih.
Člani projektne skupine so bili vključeni v razvoj jeklene varnostne ograje, katerega cilj je
ublažitev poškodb udeležencev v prometnih nezgodah. Za zahtevne MKE simulacije so bili
pripravljeni podrobni geometrijski in numerični modeli različnih tipov vozil na osnovi
specializiranih baz podatkov. Raziskava analize dinamike vožnje in upravljanja pri
različnih pogojih je pokazala, da lahko realni potek trka vozila v varnostno ograjo bistveno
odstopa od določil v mednarodnih standardih, ki predpisujejo testiranje varnostnih ograj.
Zasnovana je bila nova izvedba distančnikov in stebričkov varnostne ograje. Simulacije trkov kažejo, da nov predlagan koncept varnostne ograje omogoča ugodnejšo absorpcijo kinetične energije in manjše poškodbe potnikov v vozilih pri trku.
V slovenskem prostoru je mogoče rezultate teh analiz uporabiti na več področjih tehnike in medicine (raziskava in napovedovanje poškodb, ergonomija, pasivna varnost vozil, varnost cestne infrastrukture) ter tudi v zavarovalništvu (analiza stroškov prometnih nezgod), pri delu služb, kot so policija, pravosodje in vzdrževanje cest ter pri pedagoškem delu za izobraževanje in vzgajanje novih strokovnjakov s področja varnosti v prometu.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2008,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
