Einfluss der Muskelaktivität auf die Kinematik des menschlichen Körpers und die Deformationseigenschaften des Muskels

Ziel dieser Arbeit war es, die Validität eines numerischen
Finite-Elemente Menschmodells anhand von Freiwilligenversuchen zu
überprüfen und Materialmodelle für relaxierte und aktivierte
Muskeln zu optimieren bzw. zu parametrisieren. Das verwendete
Modell wurde im Rahmen des EU-Forschungsprojekts HUMOS für den
Einsatz in der Fahrzeug-Crash-Simulation entwickelt. Aufgrund
fehlender bzw. nicht geeigneter Studien in der Literatur wurden
zwei Versuchsanordnungen entwickelt, um Daten für die Validierung
aktiver Menschmodelle zur Verfügung stellen zu können. Für die
Validierung der Kinematik wurde eine Pendelanordnung entworfen.
Dabei wird ein Freiwilliger mit relaxierter und voraktivierter
Muskulatur mit einem 5kg/10kg schweren Pendel frontal, dorsal und
lateral angestoßen. Für die Aufnahme der Probandenbewegung kam ein
Bewegungsanalysesystem (Motion Analysis) mit acht
Hochgeschwindigkeitskameras zum Einsatz. Die Muskelaktivität von
Nacken-, Abdomen- und Rückenmuskeln wurde mittels
Oberflächenelektroden erfasst. Muskelantwortzeiten dienten dazu,
Muskelelemente in der Simulation anzusteuern. Anhand gemittelter
Bewegungsamplituden sollte ein Vergleich der Gesamtkinematik
zwischen Versuch und Simulation die Validität des Modells im
Niedrigenergiebereich zeigen. Der zweite Versuchsaufbau ist ein
Fallprüfstand, bestehend aus einem vertikalen Fallrohr und einem
Fallkörper, dem sog. Impaktor. Dieser trifft aus unterschiedlichen
Fallhöhen auf den relaxierten bzw. angespannten Muskelbauch (M.
biceps brachii, M. rectus femoris, M. biceps femoris). Ein im
Impaktor installierter Beschleunigungsaufnehmer registriert die
Akzelerationen beim Auftreffen auf den Muskel. Die
Beschleunigungsverläufe repräsentieren muskelaktivierungsabhängige
Deformationscharakteristiken, anhand derer eine
Parameteridentifikation des entsprechenden Materialmodells
durchzuführen ist. Die Versuchsergebnisse lassen sich
folgendermaßen zusammenfassen: - Es zeigen sich höhere
Bewegungsamplituden in Versuchen mit relaxierter Muskulatur, eine
charakteristische Kopfkinematik sowie Muskelantwortzeiten zw. 15ms
und 90ms. - Der Impaktor zeigt mehrere Rebounds bei aktivierter
Muskulatur (mehrere Beschleunigungsspitzen) und nur eine
Beschleungigungsspitze bei relaxierte Muskulatur. Die Simulationen
der dargestellten Versuche mit dem aktuellen HUMOS-Modell zeigen: -
Das aktuelle Modell ist auch ohne Muskelansteuerung zu steif.
Ursache dafür ist in der unzureichenden Abbildung der Abdomen-,
Thorax- und Nackenweichteile zu sehen. - Die Abbildung aktivier
Kinematik unter Verwendung von Hill-Muskelelementen ist
grundsätzlich möglich. - Das aktivierungsabhängige
Deformationsverhalten von Muskelweichteil ist mit einem
linear-viskoelastischen Material zu reproduzieren. Eine Ableitung
konsistenter und interpretierbarer mechanischer Kenngrößen
(E-Modul) aus den Modellparametern ist allerdings nicht möglich.
Die Abbildung einer aktiven Kinematik ist derzeit mit dem
verwendeten Modell nicht möglich. Eine detaillierte Modellierung
der Weichteile sowie eine umfangreiche Validierung des Modells ist
Voraussetzung für eine sinnvolle Applikation des Menschmodells.