Untersuchung von Quetschrisswunden mittels computergestützter FE-Simulationen

Abstract

Quetschrisswunden entstehen durch stumpfe Gewalteinwirkung auf den menschlichen Körper und zählen zu den offenen Wundarten, die im Alltag häufig auftreten – etwa infolge von Stürzen, Kollisionen mit Gegenständen oder Unfällen im Sport- und Arbeitsumfeld. In einem Forschungsprojekt der Arbeitsgruppe Biomechanik und Unfallforschung am Institut für Rechtsmedi- zin der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München und des Instituts für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) wurde da- her der Verletzungsmechanismus von Quetschrisswunden näher untersucht. Die Forschungshypothese nimmt an, dass die Haut aufgrund der Dehnung aufreißt, die sich beim Anprall infolge der Kompression des Weichgewebes gegen den darunterliegenden Knochen orthogonal zur Richtung der Kraftein- wirkung entwickelt. Eine übersichtliche Darstellung der einzelnen Arbeitspakete wird in diesem Bericht wiedergegeben. Zu Beginn erfolgte eine Literaturrecherche zum Auf- bau und Materialverhalten der relevanten Weichgewebe (Haut, Fett- und Mus- kelgewebe) sowie zur Entstehung von Quetschrisswunden. Anschließend wur- den Fallturmexperimente an Weichgewebe vom Schwein durchgeführt, um Grenzwerte für das Auftreten von Quetschrisswunden unter stumpfer Gewalt- einwirkung zu bestimmen und experimentelle Daten zur Validierung der Mo- delle zu gewinnen. Auf Basis der Erkenntnisse wurden Materialmodelle für die drei Gewebetypen (Haut, Fett- und Muskelgewebe) entwickelt, in eine Finite- Elemente-Umgebung (FE-Umgebung) implementiert und in einem mehrstufi- gen Verfahren gegen Literaturdaten bzw. die resultierenden Versuchsdaten validiert. Zusätzlich wurde das Hautmodell um ein Versagenskriterium er- gänzt, um die Verletzungsentstehung abbilden zu können. Im Anschluss wurde der Einfluss unterschiedlicher Randbedingungen – wie Geometrie und Mate- rial des einwirkenden Objekts – auf das Verletzungsgeschehen analysiert. Die daraus abgeleitete Datengrundlage erlaubt eine Bewertung des Auftretens von Quetschrisswunden an potenziellen Unfallschwerpunkten. Abschließend wur- den die entwickelten Modelle in ein FE-Kopfmodell eines dreijährigen Kindes integriert. Damit wurde exemplarisch ein Unfallszenario, das dem Sturz gegen eine Tischkante ähnelt, simuliert und analysiert. Insgesamt leisten die Ergebnisse einen Beitrag zur Modellierung von Verlet- zungsmechanismen und können künftig in der Prävention zur Verbesserung von Sicherheitskonzepten in unterschiedlichen Anwendungsbereichen beitragen. Lacerations are a common type of open wound caused by blunt impact to the human body. They frequently occur in everyday situations, such as falls, colli- sions with objects, and accidents in sports or occupational settings. To im- prove the understanding of the underlying injury mechanism, a joint research project was conducted by the Biomechanics and Accident Analysis Group at the Institute of Legal Medicine of the Ludwig Maximilian University (LMU) Mu- nich and the Institute for Occupational Safety and Health of the German Social Accident Insurance (IFA). The project was based on the hypothesis that lacera- tions occur due to tensile strains that develop within the skin in the plane per- pendicular to the impact direction as the soft tissues are compressed against the underlying bone. This report provides an overview of the individual work packages. First, a com- prehensive literature review was conducted on the composition, mechanical behaviour, and injury mechanisms of the relevant soft tissues (skin, adipose tissue, and muscle tissue). Subsequently, drop tower experiments were per- formed on porcine soft tissue specimens to determine injury thresholds for the formation of lacerations under blunt impact and to generate experimental data for model validation. Based on these findings, material models for skin, adipose tissue, and muscle tissue were developed, implemented into a finite element (FE) framework, and validated through a multi-stage process using both literature data and results from the drop tower experiments. In addition, the skin model was extended by a failure criterion to enable the simulation of skin rupture and injury formation. The validated models were then used to investigate the influence of different boundary conditions, including the ge- ometry and material properties of the impacting object, on injury formation. The resulting data provide a basis for assessing the likelihood of the formation of laceration in potential accident scenarios. Finally, the developed models were integrated into an FE head model representing a three-year-old child. As an example application, the head model was used to simulate and analyse a fall scenario involving impact against a table edge. Overall, the project contributes to a better understanding and modelling of injury mechanisms. The findings may support future injury prevention efforts, particularly through the development of improved safety concepts across different fields of application.