13
Abstract The recent refinement of highrate optical tracking allows dramatically detailed thoracic deformation measurements to be taken during PMHS sled tests. These data allows analysis of restraint belt geometry and the threedimensional thoracic deformations generated by belt impingement. One consequence of this new capability is a better understanding of complementary thoracic characterization experiments such as tabletop tests and how the thoracic response can be interpreted for applications involving more complex loading mechanisms. This paper reports a detailed evaluation of the timing, magnitude, and direction of the applied belt forces, and the resulting thoracic deformations in two previously performed tests series involving frontal sled tests and tabletop beltloading tests. In the sled tests, the posteriorly directed component (SAEx) of the belt tension (F B ) is F Bx = 0.70 F B at the shoulder, but only F Bx = 0.14 F B where the belt engages the anterolateral torso inferiorly. The corresponding components on the table top are F Bx = 0.60 F B (shoulder) and F Bx = 0.48 F B (lower). When these components are crossplotted with chest deflection, pronounced consequences of thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s inertia can be seen in the effective thoracic stiffness. Keywords deformation, geometry, models, safety belts, thorax I. INTRODUCTION Blunt chest trauma from motor vehicle crashes continues to be a major cause of death worldwide, and although significant improvements in restraint designs have reduced the overall rate of mortality from these injuries, continued improvement of the existing injury models is needed. Recent advances in measuring multiple, detailed threedimensional (3D) displacements in the PMHS tests allows for a more precise characterization of dynamic restraint belt geometries and thoracic skeletal motion that arises from belt loading tests [1]. Additionally, quantitative comparisons can now be made between the thoracic responses of PMHS in dynamic sled tests and those obtained from tabletop tests. It is important to note that while spinefixed tabletop test conditions deliver realistic belt loads, it does not incorporate the kinematic changes or inertial effects experienced by the thorax in the fullscale frontal sled tests. Thoracic deformation from anterior loading is generally accepted as the best available predictor of chest injury in frontal crashes [2][3]. The National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) specifies a maximum allowable value of chest deformation as recorded by the Hybrid III in frontal crash tests (CFR 49, Part 571, Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 208). The relevancy of these compression values become even more important when considering the rapidly aging population of drivers in developed countries who may tolerate lower, but not well validated, levels of compression. The forces associated with specific levels of chest compression have been the subject of numerous thoracic characterization studies, each having its own set of boundary and loading conditions. Specifically, thoracic characterization tests on either volunteers or PMHS can be divided into two subsets: specimens in a vertical or occupantlike orientation [4][5], or subjects tested in a horizontal posture [1][6][7][8][9][11]. The differences between the two orientations can include the position of the internal viscera with respect to the sternum, the inertial effects of these internal viscera on the posterior side of the anterior chest wall, and the corresponding geometric effects on the shape and curvature of the R. S. Salzar is the Principal Scientist at the Center for Applied Biomechanics (CAB) at the University of Virginia (phone: (434) 2967288 x135; FAX: (434) 2963453; [email protected] ). D. J. Lessley is a Research Scientist at the University of Virginia. Dr. M. Sochor is an Associate Professor of Emergency Medicine at the University of Virginia. G. Shaw is a Senior Scientist at the University of Virginia. R. W. Kent is a Professor of Mechanical and Aerospace Engineering at the University of Virginia. J. R. Crandall is the Nancy and Neal Wade Professor of Engineering and Applied Science at the University of Virginia. Thoracic Response to ShoulderBelt Loading: Comparison of TableTop and Frontal Sled Tests with PMHS Robert S. Salzar, David J. Lessley, Mark Sochor, Greg Shaw, Richard W. Kent, Jeff R. Crandall IRC-11-54 Ircobi Conference 2011 - 193 -

Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

Abstract   The recent refinement of high‐rate optical tracking allows dramatically detailed thoracic deformation measurements to be taken during PMHS sled tests.   These data allows analysis of restraint belt geometry and the  three‐dimensional  thoracic deformations generated by belt  impingement.   One consequence of  this new capability is a better understanding of complementary thoracic characterization experiments such as table‐top tests  and  how  the  thoracic  response  can  be  interpreted  for  applications  involving  more  complex  loading mechanisms.   This paper reports a detailed evaluation of  the  timing, magnitude, and direction of  the applied belt  forces, and the resulting thoracic deformations  in two previously performed tests series  involving  frontal sled tests and table‐top belt‐loading tests.  In the sled tests, the posteriorly directed component (SAE‐x) of the belt tension (FB) is FBx = 0.70 FB at the shoulder, but only FBx = 0.14 FB where the belt engages the anterolateral torso  inferiorly.   The corresponding components on the table top are FBx = 0.60 FB (shoulder) and FBx = 0.48 FB (lower).    When  these  components  are  cross‐plotted  with  chest  deflection,  pronounced  consequences  of thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s inertia can be seen in the effective thoracic stiffness.  

 Keywords  deformation, geometry, models, safety belts, thorax 

I. INTRODUCTION Blunt  chest  trauma  from motor vehicle  crashes  continues  to  be  a major  cause  of  death worldwide,  and 

although  significant  improvements  in  restraint designs have  reduced  the overall  rate of mortality  from  these injuries,  continued  improvement  of  the  existing  injury  models  is  needed.    Recent  advances  in  measuring multiple,  detailed  three‐dimensional  (3D)  displacements  in  the  PMHS  tests  allows  for  a  more  precise characterization of dynamic restraint belt geometries and thoracic skeletal motion that  arises from belt loading tests [1].  Additionally, quantitative comparisons can now be made between the thoracic responses of PMHS in dynamic sled tests and those obtained from table‐top tests.  It is important to note that while spine‐fixed table‐top test conditions deliver realistic belt  loads,  it does not  incorporate the kinematic changes or  inertial effects experienced by the thorax in the full‐scale frontal sled tests.  Thoracic  deformation  from  anterior  loading  is  generally  accepted  as  the  best  available  predictor  of  chest 

injury  in  frontal  crashes  [2][3].    The  National  Highway  Traffic  Safety  Administration  (NHTSA)  specifies  a maximum allowable value of chest deformation as recorded by the Hybrid III in frontal crash tests (CFR 49, Part 571, Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 208).  The relevancy of these compression values become even more important when considering the rapidly aging population of drivers in developed countries who may tolerate lower, but not well validated, levels of compression. The forces associated with specific levels of chest compression have been the subject of numerous thoracic characterization studies, each having  its own set of boundary and loading conditions.  Specifically, thoracic characterization tests on either volunteers or PMHS can be divided  into two subsets: specimens  in a vertical or occupant‐like orientation [4][5], or subjects tested  in a horizontal posture [1][6][7][8][9][11].  The differences between the two orientations can include the position of the  internal viscera with respect to the sternum, the  inertial effects of these  internal viscera on the posterior side of  the  anterior  chest wall,  and  the  corresponding  geometric effects on  the  shape  and  curvature of  the 

R. S. Salzar  is the Principal Scientist at the Center for Applied Biomechanics (CAB) at the University of Virginia (phone: (434) 296‐7288 x135; FAX: (434) 296‐3453; [email protected]).   D. J. Lessley  is a Research Scientist at the University of Virginia.   Dr. M. Sochor  is an Associate Professor of Emergency Medicine at the University of Virginia.  G. Shaw is a Senior Scientist at the University of Virginia.  R. W. Kent  is a Professor of Mechanical and Aerospace Engineering at the University of Virginia.   J. R. Crandall  is the Nancy and Neal Wade Professor of Engineering and Applied Science at the University of Virginia.

Thoracic Response to Shoulder‐Belt Loading: Comparison of Table‐Top and Frontal Sled Tests with PMHS 

Robert S. Salzar, David J. Lessley, Mark Sochor, Greg Shaw, Richard W. Kent, Jeff R. Crandall              

IRC-11-54 Ircobi Conference 2011

- 193 -

Page 2: Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

restraint  belt.    These  differences  in  testing  orientation  and  boundary  conditions  will  lead,  admittedly,  to different  force‐deflection  profiles  resulting  in  different  characterization  models,  and  could  change  the interpretation of any existing thoracic injury criteria.  L’Abbe et al. [10] performed diagonal belt tests on supine volunteers at sub‐failure  levels with both muscle 

tensing and relaxed.  Here, while volunteer testing provides the most biofidelic models, the internal viscera are not  in  the same position as  that of a vehicle occupant.   Cesari et al.  [11] used diagonal belt  loading on both PMHS and volunteers, and  found with  the use of  chestbands  that  the  location of maximum  chest deflection occurred  in areas other than the mid‐sternum.   Kent et al. [6] performed both diagonal belt and hub tests on fifteen supine PMHS, and found distinct differences  in thoracic stiffness between the two  loading regimes.    In this study, Kent also pointed out the differences between dynamic hub loading and belt loading that involve an impact between a moving hub and a stationary chest, and the relative velocity of the belt and the chest at the start of loading.  While the inertial load generated by the hub impact significant changes the perceived stiffness of the thorax over that of the belt load, the effect of organ position and initial velocity at the start of load is not considered.  Kent [7] performed detailed thoracic compression tests on three supine PMHS on a flat surface using diagonal 

belt  loads.      To  study  the  effects  of  posterior  boundary  conditions  on  a  supine  PMHS,  Salzar  et  al.  [12] performed  thoracic characterization  tests on  three  supine PMHS with  rigid‐spine  fixation,  thus  removing any external dynamic response that a thorax may experience during belt loading.  This  study  reanalyzes  two previously performed  test  series  [5][12]  in an attempt  to quantify  the observed 

differences  in thoracic responses between restrained PMHS  in  full‐scale  frontal sled tests and PMHS  in quasi‐static spine‐fixed thoracic characterization tests on a horizontal table‐top device.   Both the table‐top and sled test configurations load the anterior thorax with a diagonal shoulder belt restraint, but do so in different inertial reference  frames.    In  the  sled  tests,  the  occupant  is  decelerated  from  a  predetermined  velocity  using  a deceleration pulse representative of a real‐world frontal impact.  While this configuration is more realistic, it is also more complex since significant, but not fully quantified, inertial components from the anterior thoracic wall and the internal viscera contribute to the restraint loads and affect the thoracic deformation pattern during the deceleration.   In addition, flexion of the spine during the impact generates dynamic changes in the torso pitch that influence the interaction of the shoulder belt with the body.  Meanwhile, the table‐top test configuration is less complex by design and uses  idealized but well defined boundary conditions and  tailored belt  load  time‐histories.   The table‐top experiments allow viscoelastic characterization to the chest  to be performed, but do not permit determination of all inertial components or the changing interactions that occur with forward pitch of the thorax.   This study provides an  initial  investigation of the effects of belt geometry and the relationship between applied compressive  loads  to  the  thorax and  stiffness, as well as  the  inertial effects of  the anterior chest wall and internal viscera on thoracic deformations and resulting rib fracture patterns.  

II. METHODS 

Specimen and Specimen Preparation Eight male PMHS with approximately 50th percentile stature and mass were subjected to the same simulated 

40  km/h  (11.1  m/s)  frontal  crash  on  a  deceleration  test  sled.    In  comparison,  three  male  PMHS  with approximately 50th percentile stature and mass (subject 419/Table‐top 3 was larger than 50th percentile in both stature and weight but used in this study due to his relatively young age) were subjected to table‐top thoracic characterization tests with a rigid spine boundary condition and diagonal belt loading in the range of 0.5 to 1.5 m/s.  Specimen anthropometry is shown in Table 1.  All PMHS  specimens were  screened  for Hepatitis A, B, C, and HIV and  for pre‐existing pathology with  the 

potential  to  influence  thoracic  properties.    Pre‐test  radiographs  and  CT  scans  were  taken  to  verify  that specimens with  acute or healed  rib  fractures or other pre‐existing  thoracic  trauma were excluded  from  this study.  All test procedures were approved by the University of Virginia cadaver institutional review board.   

IRC-11-54 Ircobi Conference 2011

- 194 -

Page 3: Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

Table 1. Specimen description for sled and table‐top tests.  (±1 standard deviation is included). Test  

Number (Specimen 

ID) 

Sex  Age (yr) 

Ave. Age (yr) 

Weight(kg) 

Ave. Weight (kg) 

Stature(mm) 

Ave. Stature (mm) 

Chest Depth (mm) 

Ave. Chest Depth (mm) 

T1294 (411) 

M  76  70  1780  239 

T1295 (403) 

M  47  68  1770  230 

T1358 (425) 

M  54  79  1770  239 

T1359 (426) 

M  49  76  1840  266 

T1360 (428) 

M  57  64  1750  237 

T1378 (443) 

M  72  81  1840  218 

T1379 (433) 

M  40  88  1790  270 

T1380 (441) 

M  37 

    

54±14 

78 

    

76±8 

1800 

    

1792±33 

225 

    

240±18 

Table‐Top 1 (412) 

M  62  68  1753  224 

Table‐Top 2 (413) 

M  54  68  1753  217 

Table‐Top 3 (419) 

M  31 

  

49±16 

90 

  

75±13 

1930 

  

1812 ±102 

244 

  

228±14 

 Test Fixtures The sled test fixture was designed to provide a reasonable approximation of real world frontal  impact crash 

loading of  a belted occupant while providing  repeatable  test  conditions  that  yielded  thoracic  response data suitable  for  analysis  [13].    Specifically,  the  design  objectives  for  the  test  fixture  included  approximating  the shoulder  and  anterior  ribcage  loading  in  a manner  representative  of  a  frontal  crash  of  a  typical mid‐sized passenger  car  (Figure  1a).    The  restraint  webbing,  replaced  for  each  test,  was  manufactured  by  Narricut (International twill pattern 13195, 6‐8% elongation, 26.7 kN minimum tensile strength.   Note that the vehicle occupant represented in the sled tests is a right‐side vehicle passenger.  The table‐top device employed in this test series involves rigidly fixing alternating vertebral bodies of the test 

specimens  using  aluminum  mounts  that  allowed  free  motion  of  the  posterior  costo‐vertebral  and  costo‐transverse  joints [12].   These mounts were attached to the test device through a series of threaded rods that allowed specifying the desired degree of kyphosis or lordosis at locations in the spine.  For these tests, the spine curvature and the torso position were set to the observed spinal posture at the time of peak chest deflection observed  in  the  corresponding  sled  tests  (Figure  1b).    The  belt  used  in  the  table‐top  tests  was made  of polyethylene fiber‐reinforced composite (Spectra®, E = 97 GPa), and was not replaced between tests.  This belt material was used rather than actual seatbelt webbing to isolate the thoracic response from a combined effect that included belt stretch.    The technique to position the belt on each sled test is outlined in the previous work [5], and this protocol was repeated for the table‐top tests and outlined in Kent et al. [6] and Salzar et al. [12].  Because each specimen was loaded multiple times during the test series, the thorax was thoroughly palpated 

after each test to check for any observable injury or loss of stability.  If a fracture was identified, the testing on that specimen was stopped.   This procedure was performed previously by Kent et al. [6], where no significant loss of stiffness was noted in subsequent testing of the same PMHS thorax as long as minimal rib fractures have occurred.  Note that the vehicle occupant represented in the table‐top tests is a left side‐vehicle driver.  

IRC-11-54 Ircobi Conference 2011

- 195 -

Page 4: Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

(a) 

 

(b) 

 Figure 1.  (a) Sled test configuration simulating a frontal collision; (b) Table‐top configuration with fixed spine boundary condition and no initial velocity of the thorax. “A” is the belt loading cable and location of the belt load cells, “B” is the arm force limiting cable to maintain arm posture, “C” and “D” show posterior load cell 

locations, and “E” is the vertical displacement carriage that loads the belt.  Instrumentation For  both  test  series,  kinematic  data,  including  torso  deformations,  were  collected  at  1000  Hz  using  an 

optoelectric stereophotogrammetric system (OSS) consisting of 16 Vicon MXTM cameras that track the position of retro‐reflective spherical markers in a calibrated 3D space.  This system had been calibrated to have accuracy to within ±1 mm  [5].   Additional  instrumentation on both  test  series  included multiple strain gages, sternum accelerometers, and seat belt load cells.  A matrix of the test device input velocities is shown in Table 2.  For the table‐top tests, this input velocity is 

the speed at which the loading carriage displaces, and not the rate of compression of the sternum.  Similarly, for the sled tests, the input velocity is the sled velocity at impact and not the chest compression rate; however, the compression rates were comparable between the two conditions and are detailed later in this paper.  

Table 2.  Matrix of Table‐top and Sled Test Conditions Test Number  Waveform   Input Device Velocity 

(m/s) Target Chest Compression 

Table‐top 1.2  Ramp and hold  0.5  10% of chest depth Table‐top 1.3  Ramp and hold  1.0  15% of chest depth Table‐top 2.2  Ramp and hold  0.5  10% of chest depth Table‐top 2.3  Ramp and hold  1.0  15% of chest depth Table‐top 2.8  Ramp and hold  1.5  40% of chest depth Table‐top 3.3  Ramp and hold  0.5  15% of chest depth Table‐top 3.4  Ramp and hold  1.0  20% of chest depth Table‐top 3.9  Ramp and hold  1.5  40% of chest depth 

Sled 1 (T1294) – Sled 8 (T1380)  11.1  NA  

Initial pre‐test  shoulder belt  centerline positions  relative  to  the  sternum  and  ribs were maintained  across both test series for consistency, and are detailed in the original studies found in [5] and [12].   Local Belt Force Determination The  optical  displacement  data  can  be  post‐processed  to  reference  any  local  or  global  coordinate  system, 

depending on what motion  is being analyzed.   For example, motion of the occupant  in relation to the vehicle can be obtained by fixing the reference coordinate system to the rigid vehicle.  In this study, the motion of the sternum with respect to the spine is obtained by using a local coordinate system fixed to the body of the eighth thoracic vertebra  (T8).   For  the  fixed‐spine  table‐top  tests,  the  local T8 coordinate system  is  the same as  the global  coordinate  system  for  the  table.    In  the  case  of  the  sled  tests,  the  local  coordinate  system  of  T8  is 

A

B

CD

E

IRC-11-54 Ircobi Conference 2011

- 196 -

Page 5: Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

dynamic and follows the motion of the occupant during the test, resulting in the belt force components and the relative motion  of  the  sternum with  respect  to  T8  in  local  SAE‐x,  y,  and  z  components.    For  this  study,  all displacement  results are  therefore  in  the occupant SAE  coordinate  system, with  the  local  coordinate  system origin centered in the T8 vertebral body.  This optical displacement data  is also used  in this study to separate the  in‐line upper and  lower diagonal belt forces  into  local x, y, and  z  force components.   For  the  table‐top  tests,  loads cells were placed between  the loading carriage and the cables that engage the diagonal belt.  However, as the belt wraps around the torso, the local force applied in the x‐direction changes with the relative angle of the belt (Figure 2a,b).  That is, as the belt wraps  around  the  torso, much  of  the  in‐line  force  (tension)  recorded  by  the  load  cells  acts  in  tangential directions to the sternum (y and z directions) rather than normal to the sternum (x direction).  Using the optical markers placed at intervals along the belt, it is possible to estimate the compressive x‐component of force being applied to the sternum, as it changes with time during the test.    

(a)

  

(b) 

 

Figure 2.  Schematics of diagonal belt and optical markers with assigned coordinates. (a) Anterior view of belted thorax; (b) Inferior view of thorax. 

 Using the position data from the optical belt markers, the coordinate time histories are recorded.   For each 

time  increment, a vector defining a  chord between markers on  the upper diagonal belt and markers on  the lower diagonal belt can be defined:  

                  kzzjyyixxU )()()( 2121211 −+−+−=                                                                    (1)  This can be further defined as a unit vector of the connecting chord:  

                                       2

212

212

21

2121211

)()()()()()(

zzyyxxkzzjyyixxu

−+−+−

−+−+−=                                                               (2) 

 Multiplying the in‐line belt force tension (FB) measured in the upper shoulder belt and lower anterolateral belt load cells by the posteriorly directed component (SAE‐x) of the unit vectors in the upper shoulder belt and the lower  anterolateral  belt  yields  an  approximate  resultant  compressive  force  being  applied  across  these  two regions of the thorax.  Summing these two x‐component forces approximates the total compressive force being applied to the thorax:  

                                                      LowerBx

UpperBx

TotalB FFF +=                                                                             (3) 

 

IRC-11-54 Ircobi Conference 2011

- 197 -

Page 6: Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

III. RESULTS Using this geometry of the belt as it wraps across the thorax, the rate and magnitude of compressive loading 

applied to the thorax can be calculated and compared to the rate and magnitude of loading recorded by the in‐line belt load cells.  The geometric effect of the belt curvature as it wraps around the torso and anchors to the vehicle during the 

sled tests is shown in Table 3 and Figure 3.  Peak in‐line belt forces for the upper diagonal belt were 6751 N, and 5595 N for the lower diagonal belt.  When separated into local x, y, and z components acting on the thorax, the average peak x‐component force in the upper diagonal belt was 4786 N, and 805 N on the lower diagonal belt.  The average onset rate of in‐line force acting on the upper diagonal belt was 150.5 N/ms, and 123.2 N/ms on 

the  lower diagonal belt.   Using the geometric  information obtained from the optical markers placed along the belt, the x‐component load rate of the upper diagonal belt force is estimated at 125.4 N/ms, and 7.7 N/ms for the  lower belt  load rate.   Again, the y‐ and z‐component belt forces act  in tangent to the sternum and do not contribute directly to any thoracic compression.  

Table 3.   Local applied compressive load rates on sternum vs. load rates as applied to belts. Test Number 

Sled Velocity (m/s) 

Peak Total Belt Force ‐upper (N) 

Peak x‐comp Belt Force ‐upper (N) 

Peak Total Belt Force ‐lower (N) 

Peak x‐comp Belt Force ‐lower (N) 

Upper Diagonal Belt Load Rate – Total (N/ms) 

Upper Diagonal Belt Load Rate – Thorax  ‐ x (N/ms) 

Lower Diagonal Belt Load Rate – Total (N/ms) 

Lower Diagonal Belt Load Rate – Thorax  ‐ x (N/ms) 

T1294  11.21  5919.6  4512.6  5111.9  806.3  138.5  114.8  118.5  12.5T1295  11.19  5592.7  2871.3  5070.6  2264.8  148.7  111.5  134.7  3.0T1358  11.12  7288.7  5557.1  5962.2  716.1  158.0  127.5  121.5  13.8T1359  11.22  7687.2  5235.9  6226.6  674.1  165.5  140.9  132.5  0.24T1360  11.32  5826.2  3898.1  5473.3  613.2  131.7  123.9  118.5  8.1T1378  11.24  6726.0  5056.7  5142.8  427.2  137.8  125.2  111.3  6.8T1379  11.00  8206.9  6318.6  6534.8  721.5  183.2  149.3  141.3  14.5T1380  11.03  6764.5  4837.7  5237.9  217.9  140.5  109.9  107.4  2.5Average  11.17  6751.5  4786.0  5595.0 805.1 150.5  125.4  123.2  7.7St. Dev.  0.11  939.2  1052.3  569.7 619.6 17.4  14.0  11.9  5.5

  

(a) 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

25 50 75 100 125

Time (ms)

Forc

e (N

)

T1294 T1295T1358 T1359T1360 T1378T1379 T1380

(b) 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

25 50 75 100 125

Time (ms)

Forc

e (N

)

     

     

IRC-11-54 Ircobi Conference 2011

- 198 -

Page 7: Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

 (c) 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

25 50 75 100 125

Time (ms)

Forc

e (N

)

 (d) 

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

25 50 75 100 125Time (ms)

Forc

e (N

)

Figure 3. Comparison between the upper (a) and lower (c) belt force time histories and the upper (b) and lower (d) x‐component belt forces as applied to the thorax.   In  contrast,  the  geometric  effect  of  the  belt  curvature  as  it wraps  around  the  torso  and  anchors  to  the 

carriage of  the  table‐top  test device  is shown  in Table 4.   During  the  fastest nominal  loading  tests  (1.5 m/s), peak in‐line belt forces for the upper diagonal belt were 5514 N, and 5394 N for the lower diagonal belt.  When separated  into  local x, y, and z components acting on the thorax, the average peak x‐component force  in the upper diagonal belt was 3320 N, and 1739 N on the lower diagonal belt. 

 Table 4.  Peak in‐line belt forces and peak compressive x‐component forces for the table‐top tests. Test Number (Table‐top) 

Peak Force Total Upper  Diag. (N) 

Average (N) 

Peak Force Total Lower Diag. (N) 

Average (N) 

Peak Force x‐comp Upper  Diag. (N) 

Average (N) 

Peak Force x‐comp Lower Diag. (N) 

Average (N) 

1.2  636.5  513.4  480.6  245.3 2.2  828.3  659.3  626.0  361.5 3.3  1956.6 

1140.5± 713.3 

1721.9 

964.9± 659.6 

1598.2 

901.6± 607.6 

854.8 

487.2± 323.6 

1.3  1458.7  1741.6  1097.5  820.8 2.3  2143.1  1707.1  1320.2  273.8 3.4  3346.9 

2316.2± 955.9 

3054.7 

2167.8± 768.3 

2731.9 

1716.5± 886.4 

1505.2 

866.6± 617.0 

2.8  5645.4  5525.6  4147.4  2684.8 3.9  5382.8 

5514.1± 185.7  5263.5 

5394.6± 185.3  2493.8 

3320.6± 1169.3  793.2 

1739± 1337.6 

 The average onset rate of  in‐line force acting on the upper diagonal belt was 79.7 N/ms, and 51.8 N/ms on 

the lower diagonal belt (Table 5, Figure 4).  Note that though the specimen used in Table‐top 3 was significantly younger and larger than the others (50th percentile males), the largest force response was obtained during the ramp and hold  test of Test 2.8.   Using  the geometric  information obtained  from  the optical markers placed along the belt, the x‐component load rate of the upper belt force is estimated at 77.2 N/ms, and 26.3 N/ms for the lower belt load rate.    

        

IRC-11-54 Ircobi Conference 2011

- 199 -

Page 8: Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

 Table 5.   Local applied compressive load rates on sternum vs. load rates as applied to belts. 

Test No. (Table‐top) 

Measured Velocity (m/s)  

Upper Diag. Belt Load Rate –  In‐line (N/ms) 

Ave. Upper Diag. Belt Load Rate (N/ms) 

Upper Diag. Belt Load Rate – x comp. (N/ms) 

Ave. Upper Diag. Belt Load Rate ‐x comp.  (N/ms) 

Lower Diag. Belt Load Rate  – In‐line (N/ms) 

Ave. Lower Diag. Belt Load Rate (N/ms) 

Lower Diag. Belt Load Rate   ‐ x comp. (N/ms) 

Ave. Lower Diag. Belt Load Rate ‐x comp. (N/ms) 

1.2  0.514  10.2 8.9  8.4 4.6 2.2  0.538  23.2 16.7  19.8 10.1 3.3  0.523  26.5

20.0± 8.6 

21.7 

15.8± 6.4 

23.6

17.3± 7.9 

  15.4 

10.0± 5.4 

1.3  0.898  40.2 30.5  45.4 21.5 2.3  0.884  59.6 36.4  49.3 7.8 3.4  0.828  54.9

51.6± 10.2 

  44.2 

37.0± 6.9 

49.6

48.1± 2.4 

  23.2 

17.5± 8.5 

2.8  1.10  95.3 75.8  90.4 43.8 3.9  1.11  64.0

79.7± 22.1  27.8 

51.8± 34.0  64.2

77.2± 18.5  8.8 

26.3± 24.7 

 (a) 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 50 100 150Time (ms)

Forc

e (N

)

Table-top 1.2Table-top 1.3Table-top 2.2Table-top 2.3Table-top 2.8Table-top 3.3Table-top 3.4Table-top 3.9

 

(b) 

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 50 100 150Time (ms)

Forc

e (N

)

 (c) 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 50 100 150

Time (ms)

Forc

e (N

)

(d) 

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150

Time (ms)

Forc

e (N

)

Figure 4.     Comparison between  the upper  (a) and  lower  (c) belt  force  time histories and  the upper  (b) and lower (d) x‐component belt forces as applied to the thorax. 

 The effective stiffness of the thorax from a diagonal belt  load  is shown  in Figure 5 for both the sled tests as 

well as the table‐top tests.  These graphs compare the deflection of the sternum in the local x‐direction with the x‐component  of  the  belt  forces  as  calculated  from  the  belt  load  cells  and  the  known  geometry  of  the  belt around the thorax.     

IRC-11-54 Ircobi Conference 2011

- 200 -

Page 9: Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

  (a) 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

-20 0 20 40 60Displacement (mm)

Forc

e (N

)

T1294 T1295

T1358 T1359

T1360 T1378

T1379 T1380

 (b) 

 Figure  5.    Thoracic  stiffness  relating  sternum  displacement  (x‐direction)  to  thoracic  forces  applied  in  the  x‐direction in (a) the sled tests, and (b) the table‐top tests.  Note the small inertial spike in force at the start of the loading.  The thoracic  injuries  induced during testing were  limited to the skeletal structures.     The soft tissues (heart, 

aorta, lungs and mediastinal structures) were uninjured during this test series. The individual rib fractures were plotted using the University of Michigan rib fracture  location method (Figure 6) [14].   Table 6 overlays the rib fractures sustained in the sled tests versus the fractures sustained in the table‐top tests. 

IRC-11-54 Ircobi Conference 2011

- 201 -

Page 10: Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

 Figure 6. University of Michigan rib fracture location method [14]. 

 Table 6.  Sled test and Table‐top rib fracture locations. Δ = rib fracture in table‐top test.  X = rib fracture in sled test.  * AL = anterolateral, PL = posterolateral 

Rib #  Right Posterior 

Right PL  

Right  Lateral 

Right AL 

Right Anterior 

Left Anterior 

Left AL 

Left Lateral 

Left PL 

Left Posterior

1  Δ              X     

2        Δ X X X  X X X X  Δ  ΔX X       

3      X  Δ X X X X 

X    ΔΔΔ X X X X 

     

4        ΔΔ X X X X X X 

X X  X X  ΔΔΔ X X X 

X     

5      Δ  ΔΔX X X X X X 

X X  X X X  Δ X X  X      

6      X  X X X ΔΔΔ X X 

    Δ X  X X    X 

7        ΔΔΔX X X X 

    Δ  X X X    X 

8        ΔΔΔ X      Δ  X    X 

9      Δ  Δ X Δ  Δ      X    X 

10    Δ  Δ          X     

11    Δ                 

12                    X 

 There were a  total of 72 rib  fractures which  fell  into  the 5 anatomical regions  for  the combined sled  tests.  

Shaw et al. [5] had previously reported 84 individual rib fractures for the 8 sled test subjects.  However, if there were two fractures of the same rib and both fractures fell into the same region these fractures were considered to be from the same insult.  The total number of individual rib fractures for the table‐top tests was 33 [12].  For comparison  between  test  configurations,  it  is  important  to  remember  that  the  sled  tests model  the  right passenger  position  and  the  table‐top  tests model  the  left  driver  position.    The  percentage  of  rib  fractures observed  in  the right anterolateral region of  the  table‐top subjects rib cage were 52%  (17/33) and  in  the  left anterolateral  region  of  the  sled  tests were  17%  (12/72).  The  percentage  of  left  anterolateral  rib  fractures observed for the table‐top and right anterolateral rib fractures observed for the sled tests were 33% and 42%, respectively.  The sled tests produced 13 percent of the right anterior region rib fractures whereas the table‐top tests produced 3% of the left anterior region rib fractures.  The left anterior region observed rib fractures were 7% for the sled tests and 3% for the right anterior region observed in the table‐top tests.  The table‐top tests did not produce  any  rib  fractures  in  the  left  lateral, posterolateral, or posterior  regions, whereas  the  sled  tests 

IRC-11-54 Ircobi Conference 2011

- 202 -

Page 11: Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

produced 19% of the rib fractures in the left lateral and left posterior regions.  Note that the sled tests produced sternal fractures in 7/8 tests (subject 441 did not have a sternal fracture).  The table‐top tests did not produce any sternal fractures. 

 

IV. DISCUSSION In the past, knowledge of belt forces during either a sled or component test was  limited to  load cell sensor 

data at a point along the belt.  Even a rough estimation of applied forces from the belt to a thorax was difficult since  the  curvature  of  the  belt  changes with  displacement, which made  characterizing  this  curvature  very challenging.  New, optical‐based methods of measuring displacements have dramatically increased the amount of useful  information obtained during  testing,  including detailed motions of  the skeletal structures  that were previously not possible to observe.  For this investigation, detailed displacement measures along the belts allow an  estimation  of  in‐line  and  normal  forces  being  applied  to  the  torso  by  the  belts.    Knowledge  of  these component forces reveals different distributions of forces between the upper and lower diagonal belts, changes in the rate of  loadings from previously reported  load cell  load rates, and  local stiffness values at the sternum that have been previously estimated from sternum deflections and (at best) posterior reaction loads.  By examining only the belt tensions, one may have concluded that the upper and lower shoulder belt forces 

are rather well balanced.  However, by examining the change in belt angles with respect to the thorax, it is seen that the upper diagonal belt has a much  large contribution  to the compressive  forces on the thorax than the lower diagonal belt.  For the table‐top tests, this difference is less pronounced.  The upper and lower belt tensions in the table‐top 

configuration is well balanced from the standpoint of both the applied forces measured at the load cells, as well as when compensating for the geometric effects of the belt curvature.  While  the  primary  purpose  of  the  table‐top  test  configuration  was  for  the  characterization  of  thoracic 

response  from belt  loadings,  certain obvious  limitations of  the  table‐top  test have been  long debated.    The differences  in  occupant  position  between  a  full  scale  sled  and  a  table‐top  test  can  result  in  differences  in internal viscera location and motion.  A PMHS in a prone position, as in the table‐top tests, will have its internal viscera away from the  internal anterior chest wall from the effects of gravity.   During chest compression, the mechanical  effects  of  organ  compression may  only  become  significant  after  chest  compression  is  sufficient enough to engage the organs directly.  Initial mechanical response of the thorax during the first few millimeters of compression may be more compliant due to this lack of viscera contact.   This effect has been acknowledged by researchers using the table‐top device, with attempts to separate out the thoracic stiffness components of skin and external flesh, rib cage, and viscera being performed [7].     The second difference between  the sled and  table‐top  tests  is  the presence and direction of  inertial  forces 

acting on the anterior thoracic wall from the internal viscera.   In a frontal sled test, these inertial forces acting on the anterior chest wall and the viscera may act to stiffen the response of the thorax to belt loading.  Indeed, initial results from this study are consistent with [5], and show an outward bulging of the thorax with respect to the spine which may be due to inertial loading.  The fact is that the internal viscera and the entire anterior thoracic wall is accelerated on the sled resulting in 

significantly more  inertial‐based  loads on  the  thorax  than  is produced by  the  limited portion of  the anterior thorax  in  the area of  the belt  that  is accelerated on  the  table‐top.   With  the  internal viscera not against  the internal anterior chest wall  in the table‐top test, the  loading of the thorax by the diagonal belt only  loads the internal viscera after the initial few mm of chest compression.  Of course, the flexion of the whole torso during sled tests may also contribute to this observed bulging of the 

thorax  [5].   As  the  torso pitches  forward  initially,  the  thorax  is compressed  in  the  superior‐inferior direction.  This compression would work to reduce the volume  in the thoracic cavity for the  internal viscera, resulting  in forces that would deflect the thorax out in the direction of least resistance.  

IRC-11-54 Ircobi Conference 2011

- 203 -

Page 12: Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

The differences  in thoracic stiffness observed between the table‐top and sled tests may be the result of the occupant orientation and the difference in body forces acting in the two test conditions.  Thoracic stiffness from the  table‐top  involves  the  intact  torso  or  skin/flesh/skeleton,  and,  at  some  point,  internal  viscera.    Upon loading, sternum deflection  is  immediate and results  in a positive stiffness being recorded.   Thoracic stiffness recorded during the sled tests does not display the same trends.  Upon impact, the inertial forces acting on the anterior thorax and the viscera work to increase the distance between the sternum and the spine, at the same time substantial forces are achieved in the belt.  Only once the external belt forces exceed the internal inertial forces does  the  sternum begin  to  compress  towards  the  spine.   The effect of  this  tendency  for  the  chest  to expand initially upon the thoracic stiffness is profound.  During the first milliseconds of a forward collision, the effective  initial  stiffness  of  the  thorax  is  negative.    Since  the  initial  chest  compression  is  negative  (outward displacement),  restraint  designers  would  gain  a  few  additional  millimeters  of  travel  before  actual  chest compression begins, potentially altering current restraint designs.  The differences in fracture locations between the sled and table‐top tests were qualitatively minimal, with a 

large number of fractures occurring in ribs 2, 3, and 4 on the right anterolateral thorax on the sled tests (right passenger  position),  and  on  the  left  anterolateral  thorax  on  the  table‐top  tests  (left  driver  position).    It  is important to note that these  locations of fracture are on the unloaded side of the thorax, and may be due to excessive deflection on the unloaded side noted by chest‐band data collected by Shaw et al. [5].  A  limitation of this study can be  traced to  the  limitations of  the original sled test and table‐top  test series; 

that is, the results of only eight PMHS sled test specimens and three table‐top specimens were analyzed here.  Additional  table‐top  tests should be performed  to  raise  the confidence  level of  the  resulting data.   However, while variations between  individual  tests exist  in each  test configuration, each  test configuration produced a characteristic  response  that  was  unique  to  it.    For  example,  in  the  sled  tests,  the  posteriorly  directed component (SAE‐x) of the belt tension (FB) is FBx = 0.70 FB at the shoulder, but only FBx = 0.14 FB where the belt engages  the anterolateral  torso  inferiorly.   The corresponding components on  the  table  top are FBx = 0.60 FB (shoulder)  and  FBx  =  0.48  FB  (lower).    When  these  components  are  cross‐plotted  with  chest  deflection, pronounced consequences of  thoracic anterior wall deformation patterns and of  the  internal viscera’s  inertia can  be  seen  in  the  effective  thoracic  stiffness.    In  all  table‐top  tests,  FBx  builds monotonically  with  chest deflection.  In a sled test the relationship is more complex, with an initial period of chest expansion as FBx builds.  The  chest  regains  its  initial  shape  after  approximately  1  –  3  kN  of  upper  FBx  and  exhibits  chest  deflection thereafter.  These  findings  in no way diminish  the  importance  of using both  sled  and  table‐top  test  fixtures  in  PMHS 

testing.  Of course, the controlled, well defined boundary conditions of the table‐top device is ideal for thoracic characterization, as the  input  loading to the thorax can be easily tailored to yield the  information required for viscoelastic  characterization,  such  as  step‐hold  waveforms  where  both  the  instantaneous  and  long‐term response can be carefully assessed. 

V. CONCLUSIONS  

It has been assumed for some time that the inertial forces acting on the posterior aspect of the anterior chest wall  from  the  internal  viscera  affects  the  stiffness  of  the  thorax.    However,  before  the  ability  to measure detailed  geometric  interactions  of  the  thorax  and  belt,  the  effect  from  these  inertial  forces  could  not  be quantified.  Initial indications show a profound stiffening effect from these inertial forces, especially during the onset of shoulder‐belt loading in a frontal collision.   This thoracic response is quite different from the thoracic response  characterized by  this  author  [12]  and others  [9][10][11] using data obtained  from  a  table‐top  test device.  

VI. REFERENCES [1]  Lessley, DJ, Salzar, RS, Crandall, JR, Kent, RW, Bolton, JR, Bass, CR, Guillemot, H, Forman, JL. (2010) Kinematics of the thorax under dynamic belt loading conditions. International Journal of Crashworthiness, 15(2):175‐190. 

IRC-11-54 Ircobi Conference 2011

- 204 -

Page 13: Thoracic Response to Shoulder Belt of and with PMHS · 2016-10-04 · thoracic anterior wall deformation patterns due to flexion of the thoracic spine and the internal viscera’s

 [2] Lobdell, T., Kroell, C., Schneider, D., Hering, W., Nahum, A. (1973) Impact Response of the Human Thorax in Proceedings of the Symposium Human Impact Response Measurement and Simulation.  Edited by King W and Mertz H. General Motors Research Laboratories, Warren Michigan. Plenum Press New York, London, 1973, pp 201‐245.  [3] Kent, RW, Crandall, JR, Bolton, JR, Prasad, P, Nusholtz, G, Mertz, H. (2001) The influence of superficial soft tissues and restraint condition on thoracic skeletal injury prediction. Stapp Car Crash Journal, 45: 183‐203.  [4]  Forman, J, Lessley, DJ, Shaw, CG, Evans, J, Kent, RW, Rouhana, S, Prasad, P. (2006)  Thoracic response of belted PMHS, the Hybrid III, and the THOR‐NT mid‐sized male surrogates in low speed, frontal crashes.  Stapp Car Crash Journal, 50: 191‐215.  [5] Shaw, CG, Parent, DP, Purtsezov, S, Lessley, DJ, Crandall, JR, Kent, RW, Guillemot, H, Ridella, SA, Takhounts, E, Martin, P. (2009) Impact Response of Restrained PMHS in Frontal Sled Tests: Skeletal Deformation Patterns Under Seat Belt Loading. Stapp Car Crash Journal, 53, 1‐48.  [6] Kent, RW, Lessley, DJ, Sherwood, C. (2004) Thoracic response to Dynamic, Non‐Impact Loading from a Hub, Distributed Belt, Diagonal Belt, and Double Diagonal Belts. Stapp Car Crash Journal, 48: 495‐519.   [7] Kent, RW. (2008) Frontal thoracic response to dynamic loading: the role of superficial tissues, viscera and the rib cage. International Journal of Crashworthiness, 13(3): 289‐300.  [8] Shaw, CG, Lessley, DJ, Evans, J, Crandall, JR, Shin, J, Portier, P, Paoloni, G. (2007) Quasi‐static and dynamic thoracic loading tests: cadaveric torsos. IRCOBI Conference on the Biomechanics of Impact.  [9] Duma S; Stitzel J; Kemper A; McNally C; Kennedy E; Brolinson G; Matsuoka F. (2006) Acquiring Non‐Censored Rib Fracture Data During Dynamic Belt Loading. Biomedical Sciences Instrumentation, 42: 148‐153.  [10]  L’Abbe, R., Dainty, D., Newman, J., An experimental analysis of thoracic deflection response to belt loading, IRCOBI Conference on the Biomechanics of Impact, Bron, France, 1982, 184‐194.  [11] Cesari D, Bouquet R (1994) Comparison of hybrid III and human cadaver thorax deformations loaded by a thoracic belt.  Stapp Car Crash Conference, 38:65‐76.  [12]  Salzar, RS, Bass, CR, Lessley, DJ, Crandall, JR, Kent, RW, Bolton, JR. (2009) Viscoelastic response of the thorax under dynamic belt loading. Traffic Injury Prevention, 10(3): 290‐296.3  [13]  Shaw, CG, Parent, DP, Purtsezov, S, Lessley, DJ, Kerrigan, JR, Shin, J, Crandall, JR, Zama, Y, Ejima, S, Kamiji, K, Yasuki, T. (2009) Frontal Impact PMHS Sled Tests for FE TORSO Model Development. IRCOBI Conference on the Biomechanics of Impact.  [14]  Ritchie N, Wang S, Sochor MR, Schneider LW: “A Method for Documenting Locations of Rib Fractures for Occupants in Real‐World Crashes Using Medical Computed Tomography (CT) Scans” SAE 2006‐01‐0250.     

 

 

IRC-11-54 Ircobi Conference 2011

- 205 -