Niederer, Peter F.

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Biomechanik in Traumatologie und RechtsmedizinPeter F. NiedererInstitut für biomedizinischc Technik und medizinische InformatikUniversität und Zürich1. EinleitungDie Biomechanik befasst sich mit der Art undIntensität der Wirkung von Kräften auf biologischeObjekte. Die Wirkung kann sich dabei auf denBewegungs- und/oder den Deformationszustandeines Körpers beziehen.Eine besondere Situation liegt vor, wenn die Kräfte(mindestens kurzzeitig) irreversible Schädigungenam betrachteten Objekt hervorrufen (längerfristigverlaufende Heilungsprozesse und Langzeitschädenwerden hier nicht mitberiicksichtigt). DieUntersuchung solcher Vorgänge geschieht imRahmen der Traumabiomechanik. Naturgemäss istdie Rechtsmedizin (forensische Medizin) inbesonders starkem Ausmasse an Fragen derTraumabiomechanik interessiert.Von Bedeutung ist in diesem Zusammenhang derUmstand, dass bis zum Alter von 45 JahrenVerletzungen, insbesondere als Folge vonVerkehrsunfällen die häufigste Todesursachedarstellen. Der durch Verletzungen hervorgerufenevolkswirtschaftliche Schaden, berechnet als Verlustan produktiven Lebensjahren (etwas willkürlichdefiniert als Komplement bis zum 65. Altersjahr), istgrösser als der durch irgendwelche Krankheitenverursachte Verlust [1], Entsprechend kommt derUnfall- und Verletzungsprävention entscheidendeBedeutung zu, wobei allerdings zu beachten ist, dassviele Aspekte in diesem Bereich nicht physikalisch-technischer Natur sind (z. B. risikoreiches Auto-fahren, Kriminalität).Grundlage sowohl der Unfallprävention als auch derforensischen Beurteilung eines Falles ist eineDokumentation des Vorgefallenen sowie eine daraufbasierende Rekonstruktion. Notwendig ist sodanneine Kenntnis von Verletzungsmechanismen und derentsprechenden biomechanischen Toleranzen. Dabeiist darauf hinzuweisen dass in diesem Bereich diebiologische Variabilität besonders stark zumAusdruck kommt: Beispielsweise variiert dieBruchlast des Oberschenkelhalses zwischen einigenkN bei gesunden Jungen bis zu unter Umständenpraktisch Null im Alter, wo bei starkosteoporotischen Personen Spontanbrüche auftretenkönnen.2. MethodenTraumabiomechanische Untersuchungen anMenschen sind unter physiologischen Bedingungengrundsätzlich nicht möglich. Man ist deshalb aufindirekte Methoden angewiesen. Diese können indrei Gruppen unterteilt werden:Rekonstruktion realer Unfälle: Mit Hilfezuverlässiger Rekonstruktionsmethoden wird an-gestrebt, aus realen Unfällen Erkenntnisse bezüglichVerletzungsmechanismen und biomechanischerToleranzen zu gewinnen. Voraussetzung dabei isteine genaue und vollständige Dokumentation desVorgefallenen vor Ort [2], was in der Regel nurdurch speziell ausgebildete Polizeiorgane erfolgenkann. Der Zusammenarbeit von Forschungsgruppenmit Polizeidienststellen kommt entsprechend grosseBedeutung zu. Dabei entsteht ein oft unterschätztetzusätzlicher Vorteil, indem der zunächst grössereAufwand bei der Dokumentation (Arbeitszeit vonPolizeibeamten, Absperren des Verkehrs, etc.) durcheventuelles Vermeiden von späteren jahrelangenRechtsstreitigkeiten mit häufig nutzlosen Gutachten(wegen Fehlens relevanter primärer Information) beiweitem mehr als wettgemacht wird.Experimente mit Surrogaten: AnthropomorpheMesspuppen eignen sich für die Simulation vonBiomedizinische Technik Band 38 · Ergänzungsband · 1993-21 -Bewegungsabläufen. Aus daran gemessenen Kräftenund Beschleunigungen werden gelegenüich gewisseSchutzkriterien abgeleitet (beispielsweise das HeadInjuiy Criterion [3]). Obwohl die Einhaltung solcherKriterien zum Teil gesetzlich verankert ist (z. B.FMVSS 208), ist deren Relevanz jedoch umstritten.Wegen unterschiedlicher biomechanischer Kon-stitution zwischen Mensch und Tier sind sodannTierversuche in der Unfallforschung kaum vonBedeutung. Eine Ausnahme bildet die orthopädischeTraumatologie, wo der Tierversuch für die Im-plantatentwicklung wichtig ist. Für spezielle Frage-stellungen werden schliesslich auch Versuche anLeichen durchgeführt.Mathematische Modellierung: Für die Zwecke derBewegungsanalyse hat es sich erwiesen, dass dermenschliche Körper, ähnlich wie bei Messpuppen,als System starrer Teilkörper modelliert werdenkann. Dabei entstehen Systeme von gewöhnlichenDifferentialgleichungen, deren Anzahl demFreiheitsgrad des Systems entspricht. Für dieUntersuchung von Verletzungsvorgängen sinddagegen kontinuumsmechanische Ansätze zuverwenden, d.h. es müssen partielle Differen-tialgleichungen formuliert werden. Zu deren Lösungeignet sich u.a. die Methode der Finiten Elemente.Das Problem besteht darin, dass nichtlinearesviskoelastisches Stoflverhalten von inhomogenenKörpern bei grossen Deformationen zu modellierenist. Die dafür benötigten Stoffgesetze undParameterwerte sind grösstenteils wenig bekannt.3. Beispiele3.1 BewegungsanalvseFallweite bei Fenstersturz: Ein 50-jähriger Mann fielaus dem Fenster seines Wohnhauses aus 8 m Höheauf den Boden, wobei er sich tödliche Verletzungenzuzog. Die Aufprallstelle am Boden befand sich ineinem Abstand von 2.70 m von der Hausmauerentfernt. Die Frage erhob sich, ob eine solcheFallweite mit einem passiv verlaufenden Fall ausdem Fenster vereinbar war (unter diesen Umständenhätte es sich um einen Unfall gehandelt), oder obnotwendigerweise ein aktiver Sprung angenommenwerden musste (dies bedeutete Selbstmord; einekriminelle Handlung konnte ausgeschlossen werden).Aus versicherungstcchnischcn Gründen ergaben sichje nach Fall enorme finanzielle Konsequenzen. Diemathematische Analyse zeigte, dass bei einemunfallmässigen Sturz rückwärts aus dem Fenster mitHochwerfen der Arme als Schreckreaktion (Figur 1)eine Fallweite von 2.70 m theoretisch knapp erreichtwerden konnte. In mehreren Sprung- undFallversuchen wurde dieser Umstand bestätigt. Vomphysikalischen Standpunkt war ein aktiver Sprung,d.h. ein Selbstmord in jedem Falle möglich, da diefragliche Fall- (Sprung-) Weite dabei problemloserreicht wird.- . -» .«X l C M )600.0 MSEC'·««.» MC.» -m.00 -M).· » -l«.· -H.«0X I C M )"7C5—S».«Figur 1: Unfallmassiger Sturz rückwärts aus einemFenster mit Hochwerfen der Arme alsSchreckreaktion. Dabei wird dem Körper einzusätzlicher Impuls in horizontaler Richtungverliehen, aufgrund dessen sich die Fallweittgrössert.Biomedizinische Technik Band 38 · Ergänzungsband · 1993-22-Auto-Fussgängcr-Kollision: Ein Fussgängcr wurdebeim Überqueren der Strassc bei Regen von einemAuto crfasst und getötet (Situationsplan Figur 2a:[IJ: Mutmasslichc Gchrichtung des Fussgängcrs, [2J:Endlage, [3J: Wegen regcnnasscr Strassc nurteilweise sichtbare Blockicrspurcn). Der Fahrer sagteaus, die zulässige Höchstgeschwindigkeit von 60km/h nicht überschritten zu haben.Dank aufmerksamer Unfallprotokollierung durch diePolizeibcamtcn konnte ein Fussabdruck desFussgängcrs auf der Kofferraumabdeckung doku-mentiert werden ([4J dabei befand sich die Endlagedes Fussgängers vor dem Auto!). Ein zugehörigerBewegungsablauf ist jedoch bei Kollisions-geschwindigkeiten bis zu 60 km/h nicht möglich(Figur 2b).l iFigur 2a: Fahr-zeug-Fussgänger-kollision (sieheText). Bei regen-nasser Fahrbahnentsteht keinebezüglich Fahr-geschwindigkeitauswertbareBlockierspur.¥eoli = 70km/h60km/hvcoU = 50km/h250 msec 200 msec 150 msec 100 msec 50 msec OmsecFigur 2b: Mathematisches Modell des in der Figur2a dokumentierten Anpralles. Bei einerKollisionsgeschwindigkeit von 70 km/h entsteht einUeberschlag des Fussgängers mit anschliessenderUnterfahrung durch das Fahrzeug (t: Trajektoriedes Massenmittelpunktes des Kopfes relativ zumFahrzeug). Bei geringeren Kollisionsgeschwin-digkeiten verbleibt die Trajektorie im Bereich derFronthaube (Computermodell Calspan CVS [6]).Biomedizinische Technik Band 33 · Ergänzungsband · 1993- 23 -Sicherheit von Insassen von Leichtmobilen:Leichtmobile stellen vom Standpunkt der innerenSicherheit besondere Probleme, da daskonventionelle Konzept des heutigenAutomobilbaues (frontale Knautschzone) wegenfehlendem Raum im Frontalbereich nichtangewendet werden kann. Zur Zeit wird anKleinfahrzeugen mit steifem, crashtauglichemStossgürtel gearbeitet (Figur 3), wobei wegen derentstehenden hohen Fahrzeugverzögerungen imKollisionsfalle bestehende Sicherheitsgurt- undAiibagsysteme weiter entwickelt werden müssen.Figur 3: Kollision eines Leichtmobils mit steifemStossgürtel mit 44 km/h gegen eine starre Barriere.Wegen des steifen Stossgürtels entstehen einerseitsgeringe Fahrzeugdeformationen, andererseits jedochwesentliche höhere Verzögerungen der Fahr-zeugzelle als bei konventionell ausgelegten PKW.Figur 4a: SchädelverleztungFigur 4b: Mögliche Tatwaffe. Das Schlaginstrumentist im freien Verkauf, da damit nach behördlichanerkannten Angaben des Herstellers keineschweren Verleztungen verursacht werden können(geringe Masse, hohe Flexibilität).3.2 VerletzungsvorgängeTödliche Verletzung durch Schlaginstrument: ImZusammenhang mit einem Tötungsdelikt ergab sichdie Frage, ob eine Schädelverletzung (Figur 4a)durch ein bestimmtes Schlaginstrument (Figur 4b)verursacht werden konnte.HWS-Verletzungen nach Verkehrsunfall: Einbesonders aktuelles Thema betrifft die Möglichkeitvon radiologisch nicht nachweisbaren HWS-Traumata nach Heckkollisionen (der Begriff desSchleudertraumas wird in diesem Zusammenhang oftfalsch angewendet [4]). Zur Zeit besteht keinewissenschaftliche Grundlage zur abschliessendcnBeurteilung dieses Problemns vom biomechanischenStandpunkt. In jedem Falle sind physische undpsychische (Vor-) Schädigungen mit in dieBeurteilung einzubeziehen. Die existierendenmathematischen Modelle lassen keine zuverlässigenAussagen zu, da diese dem komplexen innerenAulbau der HWS bei weitem nicht Rechnung tragen.Messerstiche: Durch Messerstiche hervorgerufeneVerletzungen führen häufig auf die rechtlichrelevante Frage nach der durch den Täter ausgeübtenKraft [5]. Insbesondere besteht die Möglichkeit einesBiomedizinische Technik Band 38 · Ergänzungsband · 1993-24-eigentlichen Angriffes des Täters mit der Absicht,dem Opfer Verletzungen zuzuführen (nachweisbarbeispielsweise bei Vorhandensein mehrererStichwunden), bzw. eines passiven Verhaltens desTäters (oft behauptetes Hineinlaufen oder -fallen desOpfers in das Messer), was rechtlich unterschiedlichgeweitet wird.SchlussbemerkungenForschung und Entwicklung auf dem Gebiet der derforensischen Traumabiomechanik (in Abgrenzungzur orthopädisch orientierten Traumabiomechanik)konzentriert sich grob auf vier Bereiche: Erstenssollen bessere Surrogate (Messpuppen) realistischereMessergebnisse ergeben. Weiterhin sind diebiomechanischen Toleranzen besser zu definieren,wobei auch dem Problem des Populationsmittel-wertes vermehrt Beachtung geschenkt werden muss.Da sich die biomechanische Konstitution inAbhängigkeit des Alters stark ändert, ist es fraglich,ob die Angabe globaler Werte sinnvoll ist.Wie bereits darauf hingewiesen wurde, sindtraumabiomechanische Untersuchungen am Men-schen nicht möglich. Besondere Bedeutung hatdeshalb drittens die Methode der Finiten Elemente,deren Anwendung heute auch bei nichtlinearenviskoelastischen Problemen realistische Resultateliefert, falls das Materialverhalten genügend gutbeschrieben werden kann. Viertens sind Methodender rechnergestützten Simulation und Animationallgemein von rasch zunehmender Bedeutung, unddie Technik der Virtuellen Realität wird sich nebstder Darstellung von Unfallereignissen im fo-rensischen Umfeld auch für Ausbildungszsweckeeignen.[3] Backaitis S.: The Head Injury Criterion. In:Head and Neck Injury Criteria. A ConsensusWorkshop. NHTSA Washington 1981.[4] Jenzer G., Walz F.: Die "Schwere" des"Schleudertraumas" der HWS. Z. Unfallchir.Vers. med. 84 (1991) 7.[5] Kaatsch R-I, Mehrens C, Nietert M.: Derreproduzierbare Messerstich. Rechtsmedizin3(1993)67.[6] Fleck J., Butler F., Vogel S.: An ImprovedThree-Dimensional Computer Simulation ofVehicle Crash Victims. US Dept. ofTransportation, DOT HS-801507 (1973).Literatur[1] National Research Council: Injury inAmerica. Washington 1983.[2] Niederer R: The Accuracy and Reliability ofAccident Reconstruction. In: AutomotiveEngineering and Litigation (G. Peters and B.Peters, eds.), John Wiley and Sons, NY 1991.Biomedizinische Technik Band 38 · Ergänzungsband · 1993-25-

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