kth.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Influence of nonlinear soft tissue modeling on the external and internal forces during lateral hip impacts
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Biomedical Engineering and Health Systems, Neuronic Engineering.ORCID iD: 0000-0001-6923-4751
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Biomedical Engineering and Health Systems, Neuronic Engineering.ORCID iD: 0000-0003-0125-0784
2021 (English)In: Journal of The Mechanical Behavior of Biomedical Materials, ISSN 1751-6161, E-ISSN 1878-0180, Vol. 124, article id 104743Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Soft tissues in the hip region, which are typically considered the natural shock-absorbers during falls, attenuate the applied forces to the underlying hard tissue. The soft tissue thickness is, therefore, a significant parameter in the force attenuation. Another factor that could affect the assessment of the force attenuation in numerical simulations is the choice of constitutive model and material parameters for the soft tissue. Several constitutive models and parameters for muscle and adipose tissue were suggested in the published literature; however, the biofidelity of the proposed models for the lateral impacts has not been assessed yet. To achieve this purpose, we used a previously developed human body model named THUMS v4.02 and modified the mechanical properties and geometry of the soft tissues in the hip region. The simulations consisted of regional hip models and wholebody models. The biofidelity of the constitutive models of muscle and adipose tissue was determined objectively using the CORrelation and Analysis (CORA) rating. Moreover, the potential force attenuating effect of the adipose tissue thickness was investigated in the regional models. We collected and fitted several available nonlinear material models for muscle and adipose tissue and implemented them. The CORA ratings for several constitutive models for adipose tissue in the regional model were above 0.8. Among the muscle constitutive models, three Ogden models consistently rated above 0.58 for the whole-body model. Moreover, the impact forces in the selected adipose tissue model attenuated 47 N for every 1 mm increase in thickness. Overall, the choice of the nonlinear material model for the adipose and muscle tissue influences the external and internal force, and the difference between the material models is more pronounced when the thickness of the soft tissue increases.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier BV , 2021. Vol. 124, article id 104743
Keywords [en]
Constitutive model of muscle, Soft tissue, Constitutive model of adipose tissue, Lateral impact, Whole body model
National Category
Applied Mechanics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-303753DOI: 10.1016/j.jmbbm.2021.104743ISI: 000702744500004PubMedID: 34474319Scopus ID: 2-s2.0-85113868827OAI: oai:DiVA.org:kth-303753DiVA, id: diva2:1608158
Note

QC 20211103

Available from: 2021-11-03 Created: 2021-11-03 Last updated: 2023-03-01Bibliographically approved
In thesis
1. Biomechanical Analysis of Fall Injuries using Finite Element Modeling
Open this publication in new window or tab >>Biomechanical Analysis of Fall Injuries using Finite Element Modeling
2022 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

A fall is a serious health issue for the elderly. Among different fall types, the sideways fall is considered to be more severe concerning the injury outcome. When elderlies experience an unintentional sideways fall, they can either resist the impact forces with the soft tissue force attenuation capacity and femoral strength or need external protections to reduce the injury risk. In this thesis, these two aspects were investigated. Finite element whole-body models are valuable tools for analyzing fall biomechanics and investigating the possible preventive measures more conveniently. The whole-body models were developed to investigate traffic accidents; however, a sideways fall has different kinematics than the other types of accidents. Consequently, it is necessary to enhance the whole-body models according to the major fall parameters leading to severe injury cases before assessing the external protection capabilities.The current thesis attempted to advance these two critical aspects regarding fall-induced injuries. A finite element whole-body model was chosen to study three critical parameters in fall biomechanics: body posture, soft tissue, and femoral strength. The whole body model was positioned in different body configurations relevant for the sideways fall to evaluate the body posture that could lead to the highest internal forces on the femoral head. Next, different soft tissue constitutive material models and soft tissue thicknesses were investigated to find a material model that could accurately reproduce the experimental results according to an objective rating method named CORrelation and Analysis (CORA). Finally, the separate and combined effects of geometrical and mechanical properties change due to aging on femoral strength were assessed for the elderly males and females. In the second aspect of the thesis, the shock-absorbing rubberized asphalt pavements' preventive capacity was examined. First, different rubberized asphalt mixtures were implemented in a bicycle and a pedestrian accident reconstruction cases to evaluate the head injury risks. Later, the asphalt mixtures were studied in a sideways fall scenario to evaluate the hip fracture risk in an elderly male and female.

The first aspect of the thesis presented the results and methods to improve the sideways fall analysis, and the second aspect of the thesis focused on assessing the rubberized asphalt mixtures for injury prevention purposes. The sideways fall with the upright trunk and a slightly forward-tilted pelvis could lead to the highest internal forces. A nonlinear Ogden material model for muscle tissue and a Mooney-Rivlin material model for adipose tissue scored better among different soft tissue material models in the side impacts to the hip segments. The geometrical and mechanical properties change due to aging leading to a different behavior for males and females, where females experience a higher rate of strength loss due to aging. Moreover, it was indicated that a rubberized asphalt mixture could reduce the head injury risk for pedestrians and cyclists and the hip fracture risk for the elderly. The amount of rubber in the asphalt mixtures needs to exceed a specific limit to observe rubberized asphalts' preventive effects. Consequently, it is necessary to optimize the mixtures' rubber content to improve its prevention capacity.

In summary, the current thesis presented a method to improve the whole-body models according to the sideways fall requirements and assessed the protective capacity of the rubberized asphalt mixtures against head and hip injuries.

Abstract [sv]

Ett fall är ett allvarligt hälsoproblem för äldre. Bland olika falltyper anses fallet i sidled vara allvarligare vad gäller skadeutfallet. När äldre drabbas av ett oavsiktligt fall i sidled kan de antingen stå emot slagkrafterna med mjukvävnadskraftens dämpningsförmåga och lårbensstyrka eller behöva yttre skydd för att minska skaderisken. I denna avhandling har dessa två aspekter undersökts. Finite element helkroppsmodeller är värdefulla verktyg för att analysera falls biomekanik och lämpligt för att undersöka möjliga förebyggande åtgärder mer bekvämt. Helkroppsmodellerna utvecklades för att undersöka trafikolyckorna; ett fall i sidled har dock en annan kinematik än de andra typerna av olyckor. Följaktligen är det nödvändigt att förbättra helkroppsmodellerna enligt de viktigaste fallparametrarna, vilket leder till allvarliga skadefall, innan man bedömer de yttre skyddsförmågan.

Den aktuella avhandlingen försökte föra fram dessa två kritiska aspekter angående fallinducerade skador. En finite element helkroppsmodell valdes för att studera tre kritiska parametrar i falls biomekanik: kroppshållning, mjukvävnad och femoral styrka. Helkroppsmodellen placerades i olika kroppskonfigurationer som är relevanta för fallet i sidled för att utvärdera kroppshållningen som kunde leda till de högsta inre krafterna på lårbenshuvudet. Därefter undersöktes olika konstitutiva materialmodeller för mjukvävnad och mjukdelstjocklekar för att hitta en materialmodell som exakt kunde återge de experimentella resultaten enligt en objektiv klassificeringsmetod som heter CORrelation and Analysis (CORA). Slutligen utvärderades de separata och kombinerade effekterna av förändringar av geometriska och mekaniska egenskaper på grund av åldrande på lårbensstyrkan för äldre män och kvinnor. I den andra aspekten av avhandlingen undersöktes de stötdämpande gummerade asfaltbeläggningarnas förebyggande kapacitet. Först implementerades olika gummerade asfaltblandningar i rekonstruktionsfallen för en cykel och en fotgängarolycka för att utvärdera riskerna för huvudskador. Senare studerades asfaltblandningarna i ett sidledes fallscenario för att utvärdera risken för höftfraktur hos en äldre man och kvinna.

Den första aspekten av avhandlingen presenterade resultaten och metoderna för att förbättra analysen av sidledsfall, och den andra aspekten av avhandlingen fokuserade på att bedöma de gummerade asfaltblandningarna i skadeförebyggande syfte. Fall i sidled med upprätt bål, och ett något framåtlutat bäcken kan leda till de högsta inre krafterna. En ickelinjär Ogden-materialmodell för muskelvävnad och en Mooney-Rivlin-materialmodell för fettvävnad fick bättre poäng bland olika mjukdelsmaterialmodeller i sidokollisioner mot höftsegmenten. De geometriska och mekaniska egenskaperna förändras på grund av åldrande vilket leder till ett annorlunda beteende för män och kvinnor där kvinnor upplever en högre grad av förlust i styrka på grund av åldrande. Dessutom indikerades att en gummerad asfaltblandning kunde minska risken för huvudskador för fotgängare och cyklister och risken för höftfraktur för äldre. Mängden gummi i asfaltblandningarna behöver överskrida en specifik gräns för att observera gummerad asfalts förebyggande effekt. Följaktligen är det nödvändigt att optimera blandningarnas gummihalt för att förbättra dess förebyggande förmåga.

Sammanfattningsvis presenterade den aktuella avhandlingen en metod för att förbättra helkroppsmodellerna enligt kraven på sidledes fall och bedömde skyddsförmågan hos de gummerade asfaltblandningarna vid huvud- och höftskador.

Place, publisher, year, edition, pages
Sweden: KTH Royal Institute of Technology, 2022. p. 56
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2022:29
Keywords
Fall induced injury, finite element analysis, rubberized asphalt mixture, shock-absorbing pavement, hip fracture, elderly, sideways fall, whole-body model
National Category
Applied Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-311606 (URN)978-91-8040-211-8 (ISBN)
Public defence
2022-05-23, Rappesalen, Alfred Nobels Allé 10, Huddinge, 14:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

The thesis was carried out at the Neuronic Engineering unit, KTH Royal Institute of Technology in Stockholm, Sweden. The thesis was funded by "BVFF – Bana väg för framtiden" (BVFF number 2016-025).

QC 2022-05-02

Available from: 2022-05-02 Created: 2022-04-30 Last updated: 2022-06-25Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textPubMedScopus

Authority records

Sahandifar, PooyaKleiven, Svein

Search in DiVA

By author/editor
Sahandifar, PooyaKleiven, Svein
By organisation
Neuronic Engineering
In the same journal
Journal of The Mechanical Behavior of Biomedical Materials
Applied Mechanics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
pubmed
urn-nbn

Altmetric score

doi
pubmed
urn-nbn
Total: 93 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf