Bertil Aldman

Strain relief from the cerebral ventricles during head impact: experimental studies on natural protection of the brain

Physical models of the parasagittal human skull/brain have been tested to investigate whether the cerebral ventricles provide natural protection of the brain by relieving strain during head rotation. A sophisticated model included anatomical structures, and a semicircular model consisted of a cylinder divided into two semicircles. Silicone gel simulated the brain and was detached from the vessel by a layer of liquid paraffin simulating the cerebrospinal fluid. Both models were run with and without an elliptical inclusion filled with liquid paraffin simulating a cerebral ventricle. The 2D models were exposed to angular acceleration by a pendulum impact causing 7600 rad/s2 peak rotational acceleration with 6 ms pulse duration. After rotating 100 degrees, the models were decelerated during 30 ms. The trajectory of grid markers was analyzed from high-speed video (1000 frames/s). Rigid-body displacement, shear strain and principal strain were determined from the displacement of three-point sets inferior and superior to the ventricle. For the subventricular (inferior) region in the sophisticated model, approximately 40% lower peak strain values were obtained in the model with ventricle than in the one without. Subcortical displacement was reduced by 12%. Corresponding strain reduction in the subcortical (superior) region was approximately 40% following the acceleration and 25% following the deceleration. Similar but less pronounced effects were found for the semicircular model. The lateral ventricles play an important role as strain relievers and provide natural protection against brain injury.

EXPERIMENTAL STUDY OF A COMPLIANT BUMPER SYSTEM

An ordinary rigid bumper system and a compliant bumper system for pedestrian protection developed by the NHTSA, US Department of Transportation, were compared in an experimental study of leg injuries in car-pedestrian accidents. Human leg specimens were struck in 20 experiments with a production car front using the two bumper types. Impacts were made with an ordinary front configuration with the bumpers at the 45 cm level and a 12.5 cm lower front configuration with the bumpers at the 32.5 cm level. The impact velocity was 30-32 km/h. Serious leg injuries were noted with both front configurations and bumper types. The compliant bumper seemed to cause less serious injuries than the rigid one, and the lower front configuration seemed to cause less serious injuries than the ordinary one. A lower bumper level than todays standard and a compliant bumper type is recommended in combination to reduce the risk of serious leg injuries in car-pedestrian accidents. For the covering abstract of the conference see HS-036 716. (Author/TRRL)

Transient pressure gradients in the pig spinal canal during experimental whiplash motion causing membrane dysfunction in spinal ganglion nerve cells

SummaryMechanical loading of the cervical spine during car accidents often lead to a number of neck injury symptoms with the common term Whiplash Associated Disorders (WAD). Several of these symptoms could possibly be explained by injuries to the cervical spinal nerve root region.It was hypothesised that the changes in the inner volume of the cervical spinal canal during neck extension-flexion motion would cause transient pressure changes in the CNS as a result of hydro-dynamic effects, and thereby mechanically load the nerve roots and cause tissue damage.To test the hypothesis, anaesthetised pigs were exposed to experimental neck trauma in the extension, flexion and lateral flexion modes. The severity of the trauma was kept below the level where cervical fractures occur. Transient pressure pulses in the cervical spinal canal were duly recorded. Signs of cell membrane dysfunction were found in the nerve cell bodies of the cervical spinal ganglia. Ganglion injuries may explain some of the symptoms associated with soft-tissue neck injuries in car accidents. When the pigs head was pulled rearward relative to its torso to resemble a rear-end collision situation, it was found that ganglion injuries occurred very early on in the neck motion, at the stage where the motion changes from retraction to extension motion. Ganglion injuries did not occur when pigs were exposed to similar static loading of the neck. This indicates that these injuries are a result of dynamic phenomena and thereby further supports the pressure hypothesis. A Neck Injury Criterion (NIC) based on a theoretical model of the pressure effects was developed. It indicated that it was the differential horizontal acceleration and velocity between the head and the upper torso at the point of maximum neck retraction that determined the risk of ganglion injuries.ZusammenfassungDie mechanische Belastung der Halswirbelsäule (HWS) bei Autounfällen verursacht oft eine Reihe von Halsverletzungen, die unter dem Begriff Schleudertrauma zusammengefaßt werden. Mehrere dieser Symptome können möglicherweise durch Verletzungen im Bereich der Nervenwurzeln der HWS erklärt werden. Die Hypothese wurde aufgestellt, daß während der Extensions- und Flexionsbewegungen des Halses, aufgrund von hämodynamischen Auswirkungen, Änderungen des inneren Volumens des Halswirbelkanals kurzzeitige Druckveränderungen im ZNS verursachen und daß dadurch Gewebeschäden durch die mechanische Belastung der Nervenwurzel entstehen. Um die Hypothese zu überprüfen, wurden anästhesierte Schweine einem experimentellen Schleudertrauma mit Extensions-, Flexions- und Seitneigungsbewegungen ausgesetzt. Die traumatische Belastung wurde unterhalb einer Stufe gehalten, bei der eine Halswirbelfraktur stattfinden könnte. Während der Belastung wurde der Pulsdruck im Halswirbelkanal gemessen. In diesem Zusammenhang ergaben sich Hinweise einer Dysfunktion der Zellmembran bei Nervenzellkörpern der Spinalganglien. Die ganglionären Verletzungen können möglicherweise einige der mit Weichteilverletzungen des Halses nach Autounfällen einhergehenden Symptome erklären. Um die Situation bei einem Auffahrunfall zu simulieren, wurde der Kopf des Schweines rückwärts vom Torso weggezogen. Dabei wurde festgestellt, daß die ganglionären Verletzungen zu einem sehr frühen Zeitpunkt während der Halsbewegungen stattfinden und zwar in der Phase, in der die Bewegung von der Retraktion zur Extension wechselt. Bei einer ähnlichen, jedoch statischen Belastung des Halses wurden keine ganglionären Verletzungen bei den Schweinen festgestellt. Dies ist ein Hinweis darauf, daß diese Verletzungen durch dynamische Faktoren verursacht werden und bietet somit weitere Unterstützung für die Druckhypothese. Auf der Basis eines theoretischen Modells wurden Kriterien für Halsverletzungen (neck injury criterion = NIC) entwickelt. Es weist darauf hin, daß das Risiko von ganglionären Verletzungen am Punkt der maximalen Halsretraktion durch die unterschiedliche horizontale Beschleunigung und Geschwindigkeit zwischen Kopf und oberem Torso bestimmt wird.

Nervenzellschäden bei Schleudertraumen

SummaryMechanical loading of the cervical spine during car accidents often lead to a number of neck injury symptoms with the common term Whiplash Associated Disorders (WAD). Several of these symptoms could possibly be explained by injuries to the cervical spinal nerve root region.It was hypothesised that the changes in the inner volume of the cervical spinal canal during neck extension-flexion motion would cause transient pressure changes in the CNS as a result of hydro-dynamic effects, and thereby mechanically load the nerve roots and cause tissue damage.To test the hypothesis, anaesthetised pigs were exposed to experimental neck trauma in the extension, flexion and lateral flexion modes. The severity of the trauma was kept below the level where cervical fractures occur. Transient pressure pulses in the cervical spinal canal were duly recorded. Signs of cell membrane dysfunction were found in the nerve cell bodies of the cervical spinal ganglia. Ganglion injuries may explain some of the symptoms associated with soft-tissue neck injuries in car accidents. When the pigs head was pulled rearward relative to its torso to resemble a rear-end collision situation, it was found that ganglion injuries occurred very early on in the neck motion, at the stage where the motion changes from retraction to extension motion. Ganglion injuries did not occur when pigs were exposed to similar static loading of the neck. This indicates that these injuries are a result of dynamic phenomena and thereby further supports the pressure hypothesis. A Neck Injury Criterion (NIC) based on a theoretical model of the pressure effects was developed. It indicated that it was the differential horizontal acceleration and velocity between the head and the upper torso at the point of maximum neck retraction that determined the risk of ganglion injuries.ZusammenfassungDie mechanische Belastung der Halswirbelsäule (HWS) bei Autounfällen verursacht oft eine Reihe von Halsverletzungen, die unter dem Begriff Schleudertrauma zusammengefaßt werden. Mehrere dieser Symptome können möglicherweise durch Verletzungen im Bereich der Nervenwurzeln der HWS erklärt werden. Die Hypothese wurde aufgestellt, daß während der Extensions- und Flexionsbewegungen des Halses, aufgrund von hämodynamischen Auswirkungen, Änderungen des inneren Volumens des Halswirbelkanals kurzzeitige Druckveränderungen im ZNS verursachen und daß dadurch Gewebeschäden durch die mechanische Belastung der Nervenwurzel entstehen. Um die Hypothese zu überprüfen, wurden anästhesierte Schweine einem experimentellen Schleudertrauma mit Extensions-, Flexions- und Seitneigungsbewegungen ausgesetzt. Die traumatische Belastung wurde unterhalb einer Stufe gehalten, bei der eine Halswirbelfraktur stattfinden könnte. Während der Belastung wurde der Pulsdruck im Halswirbelkanal gemessen. In diesem Zusammenhang ergaben sich Hinweise einer Dysfunktion der Zellmembran bei Nervenzellkörpern der Spinalganglien. Die ganglionären Verletzungen können möglicherweise einige der mit Weichteilverletzungen des Halses nach Autounfällen einhergehenden Symptome erklären. Um die Situation bei einem Auffahrunfall zu simulieren, wurde der Kopf des Schweines rückwärts vom Torso weggezogen. Dabei wurde festgestellt, daß die ganglionären Verletzungen zu einem sehr frühen Zeitpunkt während der Halsbewegungen stattfinden und zwar in der Phase, in der die Bewegung von der Retraktion zur Extension wechselt. Bei einer ähnlichen, jedoch statischen Belastung des Halses wurden keine ganglionären Verletzungen bei den Schweinen festgestellt. Dies ist ein Hinweis darauf, daß diese Verletzungen durch dynamische Faktoren verursacht werden und bietet somit weitere Unterstützung für die Druckhypothese. Auf der Basis eines theoretischen Modells wurden Kriterien für Halsverletzungen (neck injury criterion = NIC) entwickelt. Es weist darauf hin, daß das Risiko von ganglionären Verletzungen am Punkt der maximalen Halsretraktion durch die unterschiedliche horizontale Beschleunigung und Geschwindigkeit zwischen Kopf und oberem Torso bestimmt wird.

A Prospective study of children as car passengers in road traffic accidents with respect to restraint effectiveness.

Out of all accidents involving cars, irrespective of the outcome, and reported to the Folksam Insurance Company, accidents to private caps in which children were passengers were collected. In all, 2,763 such children were found during a period of 19 months. All injuries were coded according to the Abbreviated Injury Scale (AIS). The Injury Severity Score (ISS) and the risk of death or disability by RSC was also calculated.

THE STRUCTURE OF EUROPEAN RESEARCH INTO THE BIOMECHANICS OF IMPACTS

This paper reviews briefly some of the trends in biomechanical research in Europe. Current terminology is discussed and a set of definitions is proposed for the common descriptors of injury, injury severity and performance criteria based on the responses observed in the living human body, in cadavers and in other surrogates. Some of the more obvious gaps in current biomechanical knowledge are discussed, particularly the need to examine the consequences of trauma at the cellular level, and some problems of experimental design in relation to research as the basis for legislation in Europe are outlined. For the covering abstract of the conference see HS-036 716. (Author/TRRL)

A GLOBAL APPROACH TO CHILD RESTRAINT SYSTEMS

The present situation as regards child restraints in Sweden is described. The concept of having small children travelling in rearward facing child seats in the front seat of the car is discussed, based on 15 years experience of these systems in use. Booster systems which allow the older children to use existing adult belts have been bought for more than 50% of the children in recent years and some aspects of this development are presented. The development of a special booster seat for handicapped children as well as the present situation on the European legislative work are also reported. For the covering abstract of the conference see HS-036 716. (Author/TRRL)

Transient pressure gradients in the pig spinal canal during experimental whiplash motion causing membrane dysfunction in spinal ganglion nerve cells@@@Nervenzellschäden bei Schleudertraumen

SummaryMechanical loading of the cervical spine during car accidents often lead to a number of neck injury symptoms with the common term Whiplash Associated Disorders (WAD). Several of these symptoms could possibly be explained by injuries to the cervical spinal nerve root region.It was hypothesised that the changes in the inner volume of the cervical spinal canal during neck extension-flexion motion would cause transient pressure changes in the CNS as a result of hydro-dynamic effects, and thereby mechanically load the nerve roots and cause tissue damage.To test the hypothesis, anaesthetised pigs were exposed to experimental neck trauma in the extension, flexion and lateral flexion modes. The severity of the trauma was kept below the level where cervical fractures occur. Transient pressure pulses in the cervical spinal canal were duly recorded. Signs of cell membrane dysfunction were found in the nerve cell bodies of the cervical spinal ganglia. Ganglion injuries may explain some of the symptoms associated with soft-tissue neck injuries in car accidents. When the pigs head was pulled rearward relative to its torso to resemble a rear-end collision situation, it was found that ganglion injuries occurred very early on in the neck motion, at the stage where the motion changes from retraction to extension motion. Ganglion injuries did not occur when pigs were exposed to similar static loading of the neck. This indicates that these injuries are a result of dynamic phenomena and thereby further supports the pressure hypothesis. A Neck Injury Criterion (NIC) based on a theoretical model of the pressure effects was developed. It indicated that it was the differential horizontal acceleration and velocity between the head and the upper torso at the point of maximum neck retraction that determined the risk of ganglion injuries.ZusammenfassungDie mechanische Belastung der Halswirbelsäule (HWS) bei Autounfällen verursacht oft eine Reihe von Halsverletzungen, die unter dem Begriff Schleudertrauma zusammengefaßt werden. Mehrere dieser Symptome können möglicherweise durch Verletzungen im Bereich der Nervenwurzeln der HWS erklärt werden. Die Hypothese wurde aufgestellt, daß während der Extensions- und Flexionsbewegungen des Halses, aufgrund von hämodynamischen Auswirkungen, Änderungen des inneren Volumens des Halswirbelkanals kurzzeitige Druckveränderungen im ZNS verursachen und daß dadurch Gewebeschäden durch die mechanische Belastung der Nervenwurzel entstehen. Um die Hypothese zu überprüfen, wurden anästhesierte Schweine einem experimentellen Schleudertrauma mit Extensions-, Flexions- und Seitneigungsbewegungen ausgesetzt. Die traumatische Belastung wurde unterhalb einer Stufe gehalten, bei der eine Halswirbelfraktur stattfinden könnte. Während der Belastung wurde der Pulsdruck im Halswirbelkanal gemessen. In diesem Zusammenhang ergaben sich Hinweise einer Dysfunktion der Zellmembran bei Nervenzellkörpern der Spinalganglien. Die ganglionären Verletzungen können möglicherweise einige der mit Weichteilverletzungen des Halses nach Autounfällen einhergehenden Symptome erklären. Um die Situation bei einem Auffahrunfall zu simulieren, wurde der Kopf des Schweines rückwärts vom Torso weggezogen. Dabei wurde festgestellt, daß die ganglionären Verletzungen zu einem sehr frühen Zeitpunkt während der Halsbewegungen stattfinden und zwar in der Phase, in der die Bewegung von der Retraktion zur Extension wechselt. Bei einer ähnlichen, jedoch statischen Belastung des Halses wurden keine ganglionären Verletzungen bei den Schweinen festgestellt. Dies ist ein Hinweis darauf, daß diese Verletzungen durch dynamische Faktoren verursacht werden und bietet somit weitere Unterstützung für die Druckhypothese. Auf der Basis eines theoretischen Modells wurden Kriterien für Halsverletzungen (neck injury criterion = NIC) entwickelt. Es weist darauf hin, daß das Risiko von ganglionären Verletzungen am Punkt der maximalen Halsretraktion durch die unterschiedliche horizontale Beschleunigung und Geschwindigkeit zwischen Kopf und oberem Torso bestimmt wird.