Räumliche Charakterisierung der menschlichen Halswirbelsäule in vivo
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Author(s):
M.Sc., Dipl.-Ing. (FH) Klaus Guenzel - Université Louis Pasteur Strasbourg – France, Institut de mécanique des solides et des fluides
Industry:
Education
Products:
DIAdem, Real-Time Module, LabVIEW, Real-Time, CompactRIO
The Challenge:
Es galt hier, Biomechanik im Kontext der Fahrzeugsicherheit, die Kinematik der Halswirbelsäule präzise mit einer mobilen Messtechnik zu erfassen.
The Solution:
Entwicklung eines portablen Datenloggers zur Aufnahme der Kinematik von Kopf und Hals unter Einsatz von NI compactRIO und Labview Realtime.
"Für eine Forschungsarbeit zur Biomechanik der menschlichen Halswirbelsäule wurde ein potenter, kleiner portabler Datenlogger benötigt. NI CompactRIO diente uns als Herzstück. Dies aufgrund der hervorragenden Hardwarespezifikationen und der vielfältigen Möglichkeiten der Datenauswertung."
Kurzfassung
Die im Rahmen einer Forschungsarbeit durchgeführte mechanische Charakterisierung der menschlichen Halswirbelsäule erforderte die Neuentwicklung einer speziellen Messkette. Am Markt ließ sich keine Hardware finden, die die Implementierung mit den geforderten Spezifikationen in einer Art zuließ, wie es mit NI compactRIO möglich war. Die hier vorgestellte Lösung ist ein kleiner, mobiler und frei konfigurierbarer Logger auf Basis eines NI CompactRIO 9004 und eines NI 9205-Moduls. Diese wurden mit einem weiteren Modul zur Speisung der benutzten Sensoren zu einer physikalischen Einheit verbunden. Mit dieser Einheit, den Messverstärkern und Sensoren wurde eine vollständige Messkette geschaffen, die es erlaubt, die 3D-Kinematik des Kopf-Halssystems zu messen. Sie konnte dank der LabVIEW Real-Time-Lösung bezüglich der Einzelparameter wie Kanalanzahl, Einzelabtastraten, Schreiben der Daten etc. optimal auf die Messaufgabe abgestimmt werden.
Die wichtigste Eigenschaft der entwickelten Einheit ist, dass sie aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Gewichts bei Fahrversuchen eingesetzt werden kann. Sie lässt sich vom Messpersonal sehr gut händisch transportieren und eröffnet so das Feld für eine Vielzahl von innovativen Probandentests in Fahrzeugen.
Die Lösung hält dank robuster Komponenten wie dem CompactRIO der auftretenden Schockbelastung hervorragend stand.
Für die Erfassung von mechanischen Größen im Bereich der Biomechanik kann davon ausgegangen werden, dass mit dem vorliegenden Komplettsystem eine weltweit neuartige Messplattform geschaffen wurde. Diese hat sich bereits bestens in zahlreichen Versuchen bewährt.
Mechanische Charakterisierung der Dynamik des Kopf-Halssystems
In der Biomechanik, hier im Kontext des Fahrzeuginsassenschutzes, bedient man sich physikalischer und numerischer Modelle. Erstere sind die so genannten Dummys, die bei Crashtests dazu dienen, mechanische Belastungen mit Hilfe einer großen Anzahl von Sensoren messtechnisch aufzunehmen. Numerische Modelle stellen ein deutlich jüngeres Tool dar. Die hier angesprochenen Simulationsmodelle werden vor allem für die Unfallrekonstruktion verwendet, aber auch für die Simulation von Full-Scale- und Komponenten-Crashtests.
Alle diese Modelle haben gemein, dass zugrunde liegende mechanische Charakteristika per Versuch ermittelt werden müssen und, dass es einer Validierung des Gesamtmodells bedarf, bevor dieses eingesetzt werden kann.
Die mechanische Charakterisierung des Kopf-Halssystems dient dazu, für eben diesen Bereich des menschlichen Körpers mechanische Parameter zu finden sowie grundständige Validierungsstrategien zu erarbeiten. Das „global goal“ der Arbeit ist die Erhöhung der Biofidelität, also der Menschenähnlichkeit, des durch Dummys und Simulationsmodelle abgebildeten Kopf-Halssystems.
Die zur mechanischen Charakterisierung der Dynamik des Kopf-Halssystems durchgeführten Tests bestehen aus stationären Probandenversuchen und Fahrversuchen. Bei beiden Arten dieser Tests erfolgt eine mechanische Anregung des Kopf-Halssystems, die zu einer kinematischen Antwort führt. Diese wird mit der mobilen DAQ-Einheit aufgezeichnet und im Postprocessing zur umfassenden Systemidentifikation verwendet.
Neue Testmethoden, neue DAQ-Lösungen
Das Projekt beinhaltet neuartige Tests: Die mobilen Messungen, bei denen Probanden in Fahrzeugen bewegt werden und die Messwerterfassung an der Seite der Testperson dabei ist. Mobile Lösungen zur Messwerterfassung in Fahrzeugen sind zwar seit langem auf dem Markt erhältlich. Diese Geräte sind jedoch hauptsächlich für Messungen in den Bereichen Akustik, Verbrennungsmotoren und Fahrdynamik ausgelegt. Die Lösung auf Basis des CompactRIO stellt aufgrund ihrer Kompaktheit, der kleinen Leistungsaufnahme und des geringen Gewichts einen innovativen Ansatz dar. Im Bereich der Fahrzeugsicherheit stellt dieses DAQ-System, gebaut speziell für Tests mit Probanden, ein Novum und eine sehr kostengünstige Lösung dar.
Gerade die dank Labview Realtime vorhandene Variabilität und die Möglichkeit der direkten Weiterverarbeitung der Messdaten mit NI DIAdem führten zu einer sehr effizienten Paketlösung.
Die entwickelte DAQ-Lösung weist folgende Haupteigenschaften auf:
- Softwaremäßige Projektumsetzung in LabVIEW Real-Time
- Speicherung von Sensorsignalen über einen Zeitraum von mehr als 300 sec.
- Schockfestigkeit der mobilen Einheit
- Kompaktheit, geringe Masse und minimaler Energieverbrauch der Einheit
- Netzwerkbasiertes Auslesen
- Weiterverarbeitung der Daten in LabVIEW DIAdem
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