Projekti / Programi
Modeliranje anatomskih struktur za analizo obremenitev in poškodb udeležencev v prometnih nezgodah
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.11.02 |
Tehnika |
Konstruiranje |
Specialna konstrukcijska znanja |
| Koda |
Veda |
Področje |
| B115 |
Biomedicinske vede |
Biomehanika, kibernetika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
biomehanika, strojništvo, medicina, modeliranje, analiza prometnih nezgod, poškodba, tkivo, simulacija, dinamika sistemov teles, metoda končnih elementov, eksperimentalne metode, trčni preizkus, natezni preizkus
Raziskovalci (13)
Organizacije (3)
Povzetek
Predlagani projekt predstavlja nadaljevanje predhodno zaključenega temeljnega projekta »Modeliranje anatomskih struktur za analizo obremenitev in poškodb udeležencev v prometnih nezgodah (šifra ARRS: J2-9536)«.
V svojem dosedanjem delu je raziskovalna skupina uspela razviti model človeškega telesa na osnovi dinamike sistema teles (DST).
Za podrobnejše analize obremenitev in poškodb v prometu raziskovalna skupina razvija model vratu na osnovi metode končnih elementov (MKE), namenjen za sklopljene analize MKE-DST. MKE-model omogoča lokaliziran opis deformacijsko-napetostnega stanja tkiv za različne obremenitvene primere, ki nastopijo pri trku.
Pregled literature ter dosedanji lastni raziskovalni izsledki so pokazali nekonsistentnost in nezanesljivost razpoložljivih podatkov o mehanskih lastnostih mehkih tkiv. Slabo raziskan je vpliv hitrosti deformacij tkiva in vpliv priprave vzorcev tkiva na izmerjene mehanske lastnosti, hkrati pa tudi ne obstajajo standardizirani postopki za njihovo določanje. Med raziskavami obstajajo precejšnje razlike v zvezi z odvzemom in shranjevanjem vzorcev za preizkušanje, velikosti vzorcev, postopku predobremenitve ter merilni tehniki.
Projekt je osredinjen na modeliranje anatomskih struktur, ki vplivajo na gibanje in obremenitve ter lahko utrpijo poškodbe v pogojih trka. Poseben poudarek je posvečen vratni regiji.
Opravljeni bodo natezni preizkusi na mehkih tkivih vratne hrbtenice, katerih cilj je določiti parametre materialnih lastnosti na podlagi izmerjene napetostno‑deformacijske krivulje. Analiziran bo vpliv hitrosti deformacije in starosti darovalca na obnašanje mehkih tkiv. Preizkusi bodo potekali na namensko zasnovanem preizkuševališču ter v fizioloških pogojih.
Za izbrana mehka tkiva bo razvit konstitutivni model za popis obnašanja in nastanka poškodb. Pri tem bo raziskovalna skupina aplicirala metode in znanja s sorodnih, tehniško usmerjenih raziskav, ki jih je opravila v preteklosti oz. jih tekoče izvaja. Ugotovljene mehanske lastnosti izbranih mehkih tkiv bodo vključene v lastni MKE-model vratu. Model vratu, ki vključuje zgornji del prsnega koša in glavo, bo dopolnjen tako, da bo omogočal skaliranje geometrije in materialnih lastnosti tkiv. To bo omogočilo prilagajanje modela individualnim človeškim karakteristikam, kot so telesna konstitucija, starost in spol.
Za verifikacijo MKE modela vratu bodo izvedeni trčni preskusi na naletni progi. Trčni preizkusi bodo opravljeni za reprezentativne tipe telesne konstitucije, z variacijo smeri in intenzivnosti trka.
Nadgrajena bo samostojna aplikacija za analizo nastanka in poteka prometnih nezgod, z namenom večje integracije modela človeškega telesa. Dosedanji potek raziskav kaže, da aplikacija učinkovito podpira temeljne raziskave v okviru raziskovalnih aktivnosti, ob upoštevanju specifičnih zahtev, ki se pojavljajo pri modeliranju anatomskih struktur.
Raziskovalno skupino sestavljajo strokovnjaki različnih tehniških in medicinskih profilov, in sicer z Univerze v Ljubljani, Inštituta za kovinske materiale in tehnologije ter Vehicle Safety Institute (TU Graz). Partnerje v skupini odlikujejo tesne povezave z industrijo in bogate izkušnje pri vodenju ter izvedbi temeljnih in aplikativnih projektov.
Ocenjujemo, da bo realizacija predlagane vsebine projekta prispevala k poglobitvi in razširitvi znanja o poškodbah udeležencev prometnih ter drugih nezgod. Družbeni stroški mrtvih in poškodovanih udeležencev v prometnih nezgodah so izjemno visoki, saj so prometne nezgode daleč najpogostejši vzrok smrti ter invalidnosti delovno sposobnih prebivalcev. Velike stroške povzroča tudi dolgotrajna rehabilitacija poškodovancev, dolgotrajni sodni postopki ter visoki odškodninski zahtevki.
Pomen za razvoj znanosti
Izvedba projekta je pomembno prispevala k izboljšanju poznavanja in razumevanja mehanskih lastnosti mehkih tkiv. Raziskava je bila usmerjena v eksperimentalno karakterizacijo in numerično modeliranje anatomskih struktur, izpostavljenih mehanski obremenitvi posebej v pogojih trka vozil. Ligamenti vratne hrbtenice imajo pomembno vlogo pri stabilnosti in omejevanju nefizioloških pomikov glave in vratu. Vratni ligamenti so izpostavljeni možnosti poškodb že pri nižjih hitrostih trka od zadaj, kot tudi pri čelnih in bočnih trkih, zato je novo znanje na področju mehanskih lastnosti in odziva ligamentov velikega pomena. Naša študija se uvršča med deset obstoječih, v katerih so bili uporabljeni izolirani vzorci vratnih ligamentov. Odziv človeških vratnih ligamentov je značilno nelinearen ter odvisen od hitrosti obremenjevanja, temperature in starosti darovalca. Zaradi odsotnosti standardnih eksperimentalnih postopkov so podatki iz obstoječih študij težko primerljivi glede na različne pogoje obremenjevanja. Naša študija dopolnjuje eksperimentalne podatke za tri glavne vratne ligamente (ALL, PLL, LF). Natezni enoosni testi na skupno 46 vzorcih človeških ligamentov so bili opravljeni na namensko razviti napravi ter v fizioloških pogojih. Povprečna obremenitev pri porušitvi in linarna togost se je za ALL in PLL povečala s hitrostjo obremenjevanja, medtem ko ni bilo znatnega vpliva za LF, pri katerem je razmerje elastina in kolagena največje. V primerjavi z ostalimi študijami je bila sila porušitve do dvakrat manjša za LF in PLL. Večina obstoječih študij temelji na vzorcih starejših ljudi, kljub dokazanemu vplivu starostnih sprememb na mehanski odziv mehkih tkiv. Novejši prispevek na področju teorije hiperelastičnosti vključuje modeliranje območja poškodbe mehkega tkiva, skupaj z realističnim popisom obnašanja območja 'toe' in linearnega območja odvisnosti sila-raztezek. V raziskavi smo pridobili izmerjene podatke za modelne parametre in ovrednotili modele poškodb za ligamente vratne hrbtenice. Na podlagi analize treh starostnih skupin ((40, 40–60, )60 let) je bil ugotovljen vpliv starosti na zmanjšanje sile in deformacije pri porušitvi ter togosti za vse izbrane ligamente. Izsledki glede vpliva starosti so bili primerljivi za ALL, medtem ko je bil pri LF upad bistveno manj izrazit. Z ozirom na visoko stopnjo kontrole in upoštevanje relevantnih dejavnikov pri testiranju vzorcev, naša študija prinaša boljši vpogled v mehanske lastnosti vratnih ligamentov. Pridobljeni podatki omogočajo individualizirano modeliranje dinamike in poškodb vratne hrbtenice z vključitvijo tkiv. Togost ligamentov in pasivni mišični odziv vplivata na dinamiko glave z vratom in nastanek poškodb, predvsem pri trkih od zadaj z nižjo hitrostjo. V okviru projekta je bil razvit podrobni MKE-model vratne hrbtenice 50-percentilnega moškega. Model poleg skeletne osnove vključje anatomske strukture s pomembnejšim vplivom na dinamični odziv (16 parov vratnih mišic, 4 skupine vratnih ligamentov, medvretenčne ploščice, hrustanec in fasetni sklepi). Verifikacija modela je bila izvedena s pomočjo trčnih preskusov post mortem za pogoje po EuroNCAP (nizka, srednja, višja jakost trka). Za primere nestandardne drže je bil izmerjen natančen kinematični odziv vratne hrbtenice pri nastanku nihajne poškodbe. Analiza napetosti in deformacij je vključevala ALL, PLL, LF, CL med posameznimi vretenci glede na izraženost S-krivulje vratu. Deformacije CL v območju poškodbe kažejo na povečano tveganje poškodb pri nagibu trupa in glave naprej. Rezultati analize so v skladu s kliničnimi opažanji in hipotezo o poškodbi CL kot enem od vzrokov za nastanek simptomov nihajne poškodbe vratu. Raziskava omogoča na osnovi meritev verificirano analizo napetosti in deformacij v prizadetih anatomskih strukturah vratu za pogoje trka vozila. Rezultati numeričnih analiz in preizkusov predstavljajo zanesljive podatke pri izboljšanju aktivnih in pasivnih varnostnih sistemov vozil.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt je del širših in dolgoročnih prizadevanj, usmerjenih v postopno izboljšanje prometne varnosti. Prizadevanja na ravni EU se kažejo v trendu zmanjšanja števila smrtnih žrtev s 70 000 (1992) na 26 000 (2015). Družbena škoda kljub temu ostaja visoka in po ocenah znaša vsaj 100 milijard evrov. Prometna varnost v Sloveniji je malce pod povprečjem, in sicer je bilo v letu 2015 58 smrtnih žrtev na milijon prebivalcev, medtem ko je bila ta številka za EU 51,5, podobno velja tudi za družbeno in gospodarsko škodo zaradi prometnih nezgod. Visok nivo temeljnega znanja s področja zahtevnega numeričnega modeliranja raziskovalni skupini omogoča sodelovanje z industrijskimi podjetji (SMM, Gorenje, ST Ravne). Poseben pomen pripisujemo sodelovanju z malimi inovativnimi visokotehnološkimi podjetji z velikim potencialom za rast (TMG-BMC). Vsebina projekta je tesno vezana na varnost cestne infrastrukture in njene uporabe. Dejavnost raziskovalne skupine je med drugim usmerjena v podporo iniciativam DRSC in DARS na področju prometne varnosti, kot tudi izboljšanja varnostnih ograj in razvoja tunelskih niš. Projekt je velika promocija za Slovenijo. Člani skupine s FS so bili skupaj z avstrijskim partnerjem TU Graz povabljeni v mednarodni konzorcij za projekt v okviru programa Obzorje 2020 (MG-3.2-2017, Protection of all road users) 11 partnerjev iz šestih evropskih držav pod vodstvom uglednega instituta VTI (Švedska), kar je veliko priznanje raziskovalcem v projektni skupini, obenem pa potrjuje aktualnost raziskav in pravilnost odločitve ARRS ter avstrijske FWF za podporo projektu. Rezultati projekta in pridobljena oprema so omogočili krepitev mednarodnega sodelovanja z Univerzo na Reki (HR) ter status partnerja pri bilateralnem projektu: Development of evolutionary procedures for characterization of biological tissues behavior (BIOMAT, številka projekta - IP-2014-09-4982 Croatian Science Foundation). Med cilji bilateralnega projekta je razširiti metodologijo karakterizacije materialov v tehniški praksi na področje mehkih tkiv in biomaterialov za uporabo v medicini. V obdobju trajanja projekta so prvi študentje uspešno zaključili interdisciplinarni program magistrskega študija Sistemi prometne varnosti (SPV), ki poteka na Fakulteti za strojništvo UL. Program vključuje vsebine biomehanike, sodne medicine, zahtevnih numeričnih simulacij, varnosti vozil ter analize prometnih nezgod. Ocenjujemo, da je vsebina projekta pomembno prispevala h kakovosti študijskega programa, saj so med nosilci programa tudi člani raziskovalne skupine. Projekt je velikega pomena pri izobraževanju kadrov za potrebe razvojnih oddelkov v avtomobilskih podjetjih ter njihovih dobaviteljih, v logistiki, zavarovalništvu, podjetjih za načrtovanje in upravljanje cestne infrastrukture in pristojnih državnih službah. Izsledki projekta omogočajo učinkovitejšo in zanesljivejšo analizo prometnih nezgod, pri čemer člani projektne skupine aktivno delujejo kot sodni izvedenci cestno-prometne in medicinske stroke ter so s strani Policije in Javne agencije RS za varnost prometa redno naprošeni za pomoč pri preiskavi težjih primerov prometnih nezgod. S predstavitvijo rezultatov strokovni javnosti pripomorejo k razvoju zavarovalniške panoge in večji učinkovitosti pravosodnega sistema. Ocenjujemo, da je projekt v Slovenijo prinesel kakovosten in tehnološki napredek na področju prometne varnosti, obenem pa prispeval k dodatni vključitvi raziskovalcev in strokovne javnosti v aktualne tokove v mednarodnem prostoru.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
