Experimentelle Untersuchungen zur Verletzungsmechanik der Halswirbelsäule beim Frontal- und Heckaufprall

Summary

Simulated vehicle crashes (head-on and rear-front crashes) were carried out with free falling human torsi (53 in all) with various ages, male and female. Measurements were taken of the translatorial and rotational decelerations of the torsi's heads as well as of test speed and sled deceleration. Precise controls of the torsi were made by x-rays before as well as after the impacts. After the experiments each torso was inspected macroscopically and dissected. In most cases frozen sections few millimetres in thickness were made. Pictures of the impact injuries were taken by photo and x-rays and the findings were correlated with the technical data which had been recorded by oscillographs.

The sagittal rotation during anteflexion took place in the lower part of the cervical spine at the 6th vertebra, rotation of the head was at C₁. In these areas there are concentrated those vulnerations, that have to be regarded as dangerous, mostly even as fatal according to the ACIR-injury scale.

The sagittal rotation during retroflexion also took place in the lower part of the cervical spine at C₆. All vulnerations that could be found in the retroflexion tests without head-rest (dangerous to fatal) could totally be avoided by mounting a head-rest in height of the head's center of gravity.

The morphological findings demand the construction of vehicle occupant restraint systems, that minimize flexion of the cervical spine to a tolerable degree: safety belts with a force limitation that allows a defined displacement of the upper torso in order to limitate anteflexion of the head; an air-bag for head-on crashes; seat backs with integrated head rests that are high enough to support the head right at the center of gravity.

Our model description (Fiala et al., 1970) that says that the neck can be regarded as an elastic pole with joints at C₆ and C₁, has been varyfied by the analysis of the technical and biological data.

The measured loads of the anteflexion tests cannot be regarded as tolerance limits since none of the torsi tested stayed without any injury.

The measured loads of the retroflexion tests can be regarded as well defined tolerance limits since there were two groups of tests with only slightly differing impact conditions. In one group there appeared vulnerations in each case, whereas in the other group vulnerations were not found at all. (Tolerance limits: speed difference >25 km/hr, body deceleration >15 g.)

Further declarations on the forces within the cervical spine as a reaction to the measured head decelerations cannot be made at present. It shall be done with help of an analogue simulation by a mathematical model.

Zusammenfassung

Menschliche Torsen (insgesamt 53) verschiedenen Alters und Geschlechts wurden im freien Fall simulierten Fahrzeugunfällen (Frontal- und Heckaufprall) unterworfen. Es wurden die translatorischen und rotatorischen Verzögerungen der Torsenköpfe sowie die Versuchsgeschwindigkeit und Bremsverzögerung gemessen. Eine ausgiebige röntgenologische Kontrolle der Torsen erfolgte vor und nach den Versuchen. Nach Beendigung des Experimentes wurden die Torsen makroskopisch inspiziert und dann präpariert. In der Mehrzahl der Fälle wurden Sägeschnitte von wenigen Millimetern Dicke angefertigt. Die Unfallbefunde wurden fotografisch und röntgenologisch dokumentiert und in Beziehung zu den grafisch registrierten technischen Daten gesetzt.

Die Rotation in sagittaler Richtung erfolgte bei der Anteflexion im unteren Halsbereich um den sechsten Halswirbel, die Kopfrotation um C₁. Hier lagen auch die Schwerpunkte der Verletzungen, die nach der ACIR-Verletzungsskala als gefährlich, in der Mehrzahl jedoch als tödlich zu bezeichnen waren.

Die Rotation in sagittaler Richtung erfolgte bei der Retroflexion im unteren Halsbereich um C₆. Die bei der Retroflexion ohne Kopfstütze eingetretenen Verletzungen (gefährlich bis tödlich) konnten durch Anbringung einer Kopfstütze in Höhe des Kopfschwerpunktes vollständig verhindert werden.

Aus den morphologischen Befunden ergibt sich für die Konstruktion von Rückhaltesystemen für Fahrzeuginsassen die Forderung nach einem System, das in der Lage ist, die Biegung der Halswirbelsäule auf ein tolerierbares Maß zu begrenzen: Sicherheitsgurte mit Kraftbegrenzung, die eine eingeschränkte Vorlage des Oberkörpers erlauben; Air-bags für Frontalunfälle, um die Anteflexion des Kopfes zu begrenzen; in die Sitzlehne integrierte Kopfstützen, die eine genügende Höhe aufweisen, um den Kopf im Schwerpunkt abzustützen.

Unsere Modellvorstellung (Fiala et al., 1970), nach der der Hals vereinfacht als elastischer Stab mit Gelenken bei C₆ und C₁ angenommen werden kann, hat sich nach der Analyse der technischen und biologischen Daten bestätigt.

Die bei der Anteflexion ermittelten Belastungswerte können nicht als Toleranzgrenze betrachtet werden, da keiner der untersuchten Torsen ohne Verletzung blieb.

Bei der Retroflexion können die Belastungswerte alt gut definierte Grenzen angesehen werden, da bei den in zwei Gruppen mit unterschiedlicher Belastung durchgeführten Versuchen in der höher belasteten Gruppe immer Verletzungen auftreten, jedoch keinerlei Befunde in der zweiten Gruppe ermittelt wurden (Grenzwerte: Diff. Geschwindigkeit >25 km/Std, Rumpfverzögerung >15 g).

Eine weitergehende Aussage über die bei den gemessenen Kopfverzögerungen im Hals wirkenden Kräfte kann noch nicht gemacht werden. Sie soll aber mit Hilfe einer analogen Situation über ein mathematisches Modell noch ausgeführt werden.