Wheelcharity – Verkehrssicherheit von Rollstuhlfahrenden

Wheelcharity – wir bringen den Rollstuhlfahrendenschutz ins Rollen!

Im Rahmen der institutsinternen Förderausschreibung FastTrack konnte sich das mehrköpfige Team gegen verschiedene andere Forschungsideen durchsetzen. Ziel des Projekts ist es, Erkenntnisse zum Unfallverhalten von Rollstuhlfahrenden (Wheelchair Users, WCUs) zu gewinnen, mögliche Verletzungsrisiken zu identifizieren, Optimierungspotenziale aufzuzeigen und beispielhaft auf Anwendbarkeit zu testen.
 

Höheres Sterberisiko von Menschen im Rollstuhl in Verkehrsunfällen

Hintergrund: Im Verkehrsunfall ist das Sterberisiko von Menschen im Rollstuhl 36 Prozent höher als von solchen, die zu Fuß am Verkehr teilnehmen. Verkehrsunfälle führen weltweit zu 1,35 Millionen Toten, wobei fast die Hälfte auf verletzliche Verkehrsteilnehmende (Vulnerable Road Users, VRUs) zurückgeht. WCUs werden ebenfalls zu dieser Gruppe der VRUs gezählt, werden in Statistiken jedoch selten erwähnt. Basierend auf den verfügbaren Daten wird deutlich, dass WCUs einem erhöhten Risiko in Verkehrsunfällen ausgesetzt sind. Zu den häufigsten WCU-Unfällen gehören Kollisionen mit Kraftfahrzeugen, wobei das Fahrzeug (Pkw, Lkw, Bus) meist ungebremst an innerstädtischen Kreuzungen mit dem WCU kollidiert. Aktuelle Testmethoden zur VRU-Sicherheit des European New Car Assessment Programme (EURO NCAP) berücksichtigen Erwachsene und Kinder ohne körperliche Behinderung. Aktuell ist unklar, inwieweit sich WCUs von gesunden Fußgängern hinsichtlich Kinematik, Verletzungsschwere und Hauptbelastungsregionen in Fahrzeugkollisionen unterscheiden. Unterschiedliche Haltung, Kopfhöhe und Massezentrum legen einen gewissen Unterschied nahe, der bislang nicht untersucht wurde.

Wie verhält sich ein Rollstuhlfahrer im Vergleich zum Fußgänger im Crash?

Ein Teil des Projekts Wheelcharity ist die Sicherheitsanalyse, basierend auf numerischer Simulation der WCU-Fahrzeug-Kollision. Die Gruppe Human Body Dynamics am Fraunhofer EMI verwendet hierfür Finite-Elemente-Menschmodelle des 50. Perzentils des Mannes sowie Modelle des Rollstuhls und des Pkw. In einer ersten vergleichenden Studie konnte gezeigt werden, dass sich das Bewegungsmuster des WCU deutlich vom Fußgänger unterscheidet. Während sich der Fußgänger in einer gleichmäßigen Bewegung um die Fahrzeugfront biegt, wirkt der WCU-Impakt eher abrupt. Für Fußgänger zeigt sich, basierend auf Kraftwerten und HIC-Werten (Head Injury Criterion, Kopfverletzungskriterium), ein höheres Kopfverletzungsrisiko als für Rollstuhlfahrer, was auf den intensiveren Kontakt mit der Windschutzscheibe zurückgeführt wird. Im HIC-Wert sind rotatorische Anteile, die für den Rollstuhlfahrer anhand der beobachteten Kinematik relevanter erscheinen, jedoch nicht berücksichtigt. Die gewonnen Daten müssen dahingehend in Zukunft weiter ausgewertet werden. Die Knochenbruchvorhersage basierend auf Dehnungsgrenzwerten zeigt, dass für den WCU an mehr Stellen Knochenbrüche zu erwarten sind als für den Fußgänger, die sich vorrangig im Hüft- und Oberkörperbereich lokalisieren. Der Grund hierfür scheint der zusätzliche Kontakt mit dem Rollstuhl, die unterschiedliche Haltung sowie das tieferliegende Massezentrum zu sein, wodurch die gesamte Fahrzeugmasse über den Rollstuhl seitlich auf den Oberkörper des WCU einwirkt. Zur Validierung des Kollisionsverhaltens von Crashtestdummys und Finite-Elemente-Menschmodellen werden üblicherweise Literaturdaten aus Kollisionsversuchen mit gespendeten Körpern Verstorbener (Post Mortem Human Subjects, PMHS) verwendet. Eine Limitierung der Studie ist eine fehlende Validierungsbasis, da die nötigen Vergleichsdaten für Rollstuhlfahrer in der Fachliteratur nicht vorliegen.

 

Simulationsvideo zum kinematischen Verhalten eines Fußgängers (links) und Rollstuhlfahrers (rechts) im Fall einer Pkw-Kollision bei 30 Kilometern pro Stunde (ungebremst): Während sich der Fußgänger in einer gleichmäßigen Bewegung um die Fahrzeugfront biegt, wirkt der WCU-Impakt eher abrupt. © Fraunhofer EMI

© Fraunhofer EMI
Kinematisches Verhalten des Fußgängers (oben) und Rollstuhlfahrers (unten) im Fall einer Pkw-Kollision bei 30 Kilometern pro Stunde (ungebremst).
© Fraunhofer EMI
3D-gedruckter Crashumlenker mit gitterartigem Crashabsorber, der im Rahmen des Projekts Wheelcharity durch die Gruppe Additive Design and Manufacturing in Kooperation mit der Gruppe Materialcharakterisierung und modellierung entwickelt wurde.

Wie kann die Sicherheit von Rollstuhlfahrenden optimiert werden?

Ein zweiter Teil des Projekts Wheelcharity hat sich mit der Frage befasst, wie die auf den Rollstuhlfahrer einwirkende Kraft über entsprechende Strukturen, die in Rollstühle integrierbar sind, aufgenommen werden kann. Gleichzeitig soll die Struktur die Trajektorie des WCU im Impakt verändern können. Dem Ansatz liegen zwei Hypothesen zugrunde: 1.) Eine Maximierung der WCU-Kopfposition in Höhenrichtung führt zu einem geringeren Verletzungsrisiko, wodurch selbst bei variierender Form und Höhe des Vorderwagens bestmöglich gewährleistet ist, dass der Kopf des Rollstuhlfahrers auf die aktive Motorhaube statt auf die härtere Stoßstange trifft. 2.) Eine Reduzierung des Kraftpeaks führt zur Erhöhung der WCU-Sicherheit. Darauf basierend wurde eine Struktur entwickelt, die eine gezielte und individualisierte Reduktion des Kraftpeaks ermöglicht sowie eine Horizontal- in eine Vertikalbewegung überführt, wodurch die Kopfposition erhöht werden kann. 

Wie geht es weiter?

In Crashtests mit Einzelkomponenten soll die entwickelte Struktur weiter untersucht werden. Ebenso soll ein experimenteller Crashtest unter Verwendung sogenannter Biofidel-Dummys, eines Rollstuhls sowie einer eigens entwickelten, vereinfachten Fahrzeugfront ein umfassenderes Bild zum kinematischen Verhalten von WCUs in Verkehrsunfällen liefern. Eine zukünftige vergleichende Studie soll Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen der numerischen Simulation und dem experimentellen Test aufzeigen und weitere Daten liefern, mit der die Sicherheit von Rollstuhlfahrern im Verkehrsunfall bewertet werden kann. Erste Crashtests wurden bereits im Crashzentrum der Fraunhofer-Gesellschaft am EMI durchgeführt und werden vergleichend mit numerischen Simulationen analysiert. Die Forschungsergebnisse aller beteiligter Projektbereiche werden gemeinsam wissenschaftlich publiziert. 

© Fraunhofer EMI
Experimenteller Aufbau zur vereinfachten Rollstuhlfahrer-Pkw-Kollision im Crashzentrum der Fraunhofer-Gesellschaft am EMI.