Whiplash op de computer kan

auto's veiliger maken

 

Door Jan Ummels

 

Elk jaar komen er in Nederland zon 15.000 tot 30.000 whiplash-slachtoffers bij. Whiplash (letterlijk zweepslag) is een nekletsel dat vaak leidt tot klachten van langdurige aard. De slachtoffers ondervinden hiervan niet alleen veel lichamelijk ongemak, maar hebben vaak ook problemen met verzekeringen. Dit niet alleen vanwege de onbekendheid met het fenomeen, maar ook omdat de precieze oorzaak van de klachten nog slecht begrepen wordt. Ir. Marko de Jager heeft bij de faculteit Werktuigbouwkunde een computermodel gemaakt dat nabootst wat de nek bij een botsing te verduren krijgt. Donderdag 30 mei promoveert hij op het proefschrift Mathematical Head-Neck Models for Acceleration Impacts. Promotoren zijn prof.dr.ir. Jac Wismans en prof.dr.ir. Jan Jansen.

 

Het computermodel dat door De Jager is ontwikkeld, geeft inzicht in het ontstaan van nekletsel bij botsingen en helpt ontwerpers bij het ontwikkelen van veiliger autos. Meestal is whiplash het gevolg van een achteraanrijding in een file of bij een verkeerslicht. Hierdoor kan al bij een botsing met lage snelheid nekletsel ontstaan, doordat hoofd en nek snel naar achteren bewegen en vervolgens weer naar voren schieten. Dit heen-en-weer slingeren duidt men dan aan met de term whiplash. Volgens de promovendus is het ondertussen duidelijk dat deze typische vorm van nekletsel ook kan ontstaan door andersoortige botsingen of door bijvoorbeeld een ongelukkige val in huis of op het sportveld.

 

Vage klachten

Whiplash leidt tot klachten als een pijnlijke nek, hoofdpijn, vergeetachtigheid, duizeligheid en tintelingen in de vingers. Een groot probleem is dat deze klachten vaag zijn. Ze zijn moeilijk aan te tonen. Gaat men naar een arts dan vindt deze zelden beschadigingen in de nek. Zelfs niet met de modernste high tech hulpmiddelen, zoals MRI (magnetic resonance imaging). Hierdoor wordt een letsel als whiplash slecht begrepen en dat maakt het bepalen van een behandeling moeilijk.

Gezien de ernstige sociale en financiële gevolgen van whiplash stelt De Jager met klem dat meer inzicht dringend gewenst is. Buitenlandse studies geven te kennen dat de meeste patiënten in twee tot drie maanden genezen. Eenderde van de slachtoffers houdt echter klachten die tot volledige arbeidsongeschiktheid kunnen leiden. Uitkeringen aan whiplash-patiënten voor schadeloosstelling en arbeidsongeschiktheid zijn hoog. Daarbij nemen ze sterk in aantal toe. Schattingen van de kosten in 1994 in Nederland kwamen tot een bedrag van ruim 600 miljoen gulden.

 

Computermodel

In samenwerking met de Rijksuniversiteit Limburg en TNO-Botsveiligheid in Delft, is door De Jager aan de TUE een computermodel van de menselijke nek gemaakt. Dit is een wiskundige beschrijving van de vorm en de mechanische eigenschappen van de nek. Hiermee kan de computer berekenen welke krachten op de nek inwerken en welke bewegingen deze maakt bij een botsing. Het model is tot stand gekomen met het computerprogramma MADYMO van TNO, dat speciaal geschikt is voor botsveiligheidsanalyses van voertuigen en passagiers. Dit programma wordt door de meeste autofabrikanten gebruikt bij het ontwerpen van veiliger autos, zodat het model direct toepasbaar is voor de industrie.

Bij het onderzoek van De Jager is ervoor gekozen eenvoudig te beginnen en later de complexiteit van het computermodel te vergroten. Omdat iedere nek anders is, is noodgedwongen een soort gemiddelde nek nagebouwd. De nek, of halswervelkolom, bestaat uit zeven wervels, die verbonden worden door verschillende structuren, opgebouwd uit zachte weefsels. Zoals een tussenwervelschijf, bindweefselbanden en spieren. Al deze onderdelen kunnen schade oplopen. Volgens De Jager speelt hierbij het hoofd de voornaamste rol. Dit vanwege het grote gewicht (ruim vier kilo bij een volwassen man). Bij een botsing oefent het zware hoofd grote krachten uit op de beweeglijke nek en dit maakt de nek bijzonder kwetsbaar.

 

Botsing

Het eenvoudige model is een sterke vereenvoudiging van de werkelijkheid. Om de betrouwbaarheid hiervan te toetsen is gebruik gemaakt van botsproeven die tussen 1980 en 1985 in de Verenigde Staten zijn uitgevoerd. Met mannelijke vrijwilligers zijn bij lage, veilige snelheden botsproeven gedaan, waarbij nauwkeurig de bewegingen van het hoofd en de nek zijn gemeten. Frontale botsingen van zon 35 kilometer per uur bleken voor de vrijwilligers nog veilig te zijn. Achteraanrijdingen zijn niet uitgevoerd omdat dit te gevaarlijk is. De Jager geeft aan dat dit een beperking voor de toetsingsmogelijkheden voor deze modellen is. Botsproeven bij 100 kilometer per uur kunnen nu eenmaal niet met mensen uitgevoerd worden, geeft hij te kennen.

Het computermodel is getoetst door dezelfde frontale botsing van 35 kilometer per uur na te rekenen en de bewegingen van model en vrijwilliger te vergelijken. De bewegingen blijken redelijk goed overeen te komen, deelt de promovendus mee.

 

Doorrekenen

De computer kan snel rekenen, omdat het model eenvoudig is. Het leent zich hierdoor uitstekend voor toepassing in computermodellen van bijvoorbeeld een auto met chauffeur. Bij het ontwerpen van veilige autos is het volgens De Jager gewenst dat afzonderlijke onderdelen van zon samengesteld model eenvoudig zijn. Dit om de computer zo snel mogelijk te laten rekenen. De ontwerper kan dan in korte tijd vele ontwerpvarianten laten doorrekenen om te bepalen welke airbag of hoofdsteun de passagier de meeste bescherming biedt bij botsingen. Dit gaat sneller en goedkoper dan met echte botsproeven in het laboratorium. Computermodellen vervangen zo een deel van het experimentele werk, stelt De Jager. Uiteindelijk hoeven nog slechts enkele experimenten uitgevoerd te worden om de computerberekeningen te bevestigen.

Volgens De Jager is het eenvoudige model ongeschikt om de precieze oorzaak van letsels te achterhalen. Het is nodig dat daarvoor de onderdelen van de nek die beschadigd kunnen worden, als afzonderlijke elementen in het model zijn opgenomen. Eerst dan kan de computer de krachten op en de vervormingen van deze onderdelen berekenen en vergelijken met de toelaatbare grenzen, om te bepalen of letsel optreedt.

 

Multibody techniek

Als tussenstap naar zon gedetailleerd nekmodel is eerst een model van een bewegingssegment van de nek gemaakt. Het gedrag van het gemaakte model blijkt goed met de experimentele gegevens overeen te stemmen. Een aantal van deze modellen is daarna aaneengeschakeld tot een gedetailleerd model van de hele nek, zegt De Jager. Hij legt uit dat het gedetailleerde model bestaat uit wervels verbonden door tussenwervelschijven, bindweefselbanden, facetgewrichtjes en spieren. Dit model bevat alle onderdelen die van belang zijn voor een goede beschrijving van de beweging van hoofd en nek.

De Jager: Het behoort hiermee tot de meest gedetailleerde hoofd-nek modellen. Het heeft als voordeel dat het met een efficiënte, zogenaamde multibody techniek ontwikkeld is. De andere modellen zijn ontwikkeld met een eindige-elementen techniek, die veel meer rekentijd vergt, waardoor die modellen minder praktisch en duurder in gebruik zijn. Bovendien ontbreken bij die modellen de spieren, terwijl mijn model aantoont dat spieren essentieel zijn voor een goede beschrijving van de hoofd-nek bewegingen bij een botsing. Bij de zijdelingse botsing functioneren de spieren wel goed, omdat de buiging van de nek niet te groot wordt. De verwachting is dat de spieren ook goed werken bij botsingen waarbij de voor/achterwaartse beweging van het hoofd beperkt wordt door een airbag of hoofdsteun. Bovendien geeft het gedetailleerde model inzicht in het ontstaan van nekletsel, omdat het nauwkeurig kan nagaan welke weefsels het zwaarst belast worden bij verschillende botsingen.

Het gedetailleerde model kan, net als het eenvoudige model, gebruikt worden voor het veiliger maken van autos. Uiteindelijk kan deze kennis gebruikt worden bij het narekenen van een echt ongeluk, om zo de arts te helpen bij de diagnose van nekklachten van whiplash-patiënten. Omdat hiervoor een aanvullend experimenteel onderzoek noodzakelijk is, wordt binnenkort een vervolgproject opgestart tussen de TUE, de Rijksuniversiteit Limburg en TNO.....

 

Bron: Tue.nl