Introduction One out of five reported motor vehicle collision injuries occur to the upper extremities. Certain parts of The Total HUman Model for Safety (THUMS) lack validation against experimental data, including the elbow. The aim of this project is to refine and validate the elbow joint of THUMS, with focus on anatomical response of the elbow during axial impact applied to the wrist. Methods Internal contacts in the elbow were modified and new contacts assigned between bones and ligaments of the elbow. The posterior part of the radial- and ulnar collateral ligaments, and joint capsule was implemented to the model. Elasticmodulus of the cortical bones of the elbow was increased as well as the shell thickness of the humeral cortical bone. The updated model was validated against an experiment where an axial load was applied to the wrist of a female cadaver. The experimental resultant force in the wrist was then compared with the wrist force obtained from the simulations. Results The correlation between the experimental and simulation resultant wrist force for the updated model resulted in a CORA score of 0.882. This gave a 6.7% higher CORA score compared with the original model. Hourglass energy was reduced from 63.52% of internal energy to 0.78%. Energy ratio and contact energies indicated that the simulation was stable. Discussion Movement of elbow bones was assessed to be more anatomically correct, by accounting for the posterior ligament and elbow capsule support. The contact peak force in the humerus was lower and occurred earlier in the simulation in the updated model compared to the original. This is believed to be due to the reduced gap between the elbow bones after increasing the shell thickness of the humeral cortical bone. The model setup resembled the experiment in a good manner. Conclusion The upper extremity of THUMS was refined for improved biofidelity, with focus on the anatomical response of the elbow joint under an axial impact. However, further model improvements are suggested as well as extended validated against other experimental impact results. / Introduktion En av fem rapporterade krockskador med motorfordon förekommer i de övre extremiteterna. Vissa strukturer hos Total HUman Model for Safety (THUMS) saknar validering gentemot experimentell data, där armbågen är ett av dem. Syftet med detta projekt är att förfina och validera armbågsleden hos THUMS, med fokus på dess anatomiska respons under axiellt islag applicerad på handleden. Metod Interna kontakter i armbågen modifierades och nya kontakter tilldelades mellan ben och ligament. De posteriora delarna av kollateral ligament hos radius och ulna implementerades i modellen, så även armbågens ledkapseln. Elasticitetsmodulen hos de kortikala benen i armbågen höjdes och skalets tjocklek idet humerala kortikala benet utökades. Den uppdaterade modellen validerades mot ett experiment där en axiell belastning hade applicerats mot en kvinnlig kadavers handled. Den resulterande kraften i handleden från experimentet jämfördes sedan med erhållen kraft i handleden från simuleringarna. Resultat Korrelationen mellan den experimentella kraften och simulerade kraften hos den uppdaterade modellen resulterade i ett CORA-poäng på 0,882. Detta är en ökning med 6,7% jämfört med den ursprungliga modellen. Hourglassenergin reducerades från 63,52% av inre energi till 0,78%. Energiförhållandet och kontaktenergier indikerade stabil simulering. Diskussion Rörelsen av armbågens ben bedömdes vara mer anatomiskt korrekt, med hänsyn till stödet från de posteriora ligamentet och armbågens ledkapsel. Den maximala islagskraften i humerus minskade och uppträdde tidigare i simuleringen hos den uppdaterade modellen jämfört med originalet. Detta tros bero på reducerat avstånd mellan armbågens ben genom ökandet av skaltjockleken hos det humeralakortikala benet. Modelluppställningen motsvarade experimentets uppställning. Konklusion De övre extremiteterna av THUMS förfinades i syfte att förbättra biofideliteten. Fokus låg på armbågens anatomiska respons under ett axielltislag. Både ytterligare förbättringar av modellen och utökad validering mot andra experimentella islag rekommenderas. / Technology

The interior of heavy goods vehicles (HGVs) differs from passenger cars. Both the steering wheel and the occupant are positioned differently in a HGV and increases the risk of steering wheel rim impacts. Such impact scenarios are relatively unexplored compared to passenger car safety studies that are more prevalent within the field of injury biomechanics. The idea with using human body models (HBMs) is to complement current crash test dummies with biomechanical data. Furthermore, the biofidelity of a crash dummy for loading similar to a steering wheel rimimpact is relatively unstudied and especially to different rib levels. Therefore, the aim with this thesis was to evaluate HGV occupant thoracic response between THUMS v4.0 and Hybrid III (H3) during steering wheel rim impacts with respect to different rib levels (level 1-2, 3-4, 6-7, 7-8, 9-10) with regards to ribs, aorta, liver, and spleen. To the author’s best knowledge, use of local injury risk functions for thoracic injuries is fairly rare compared to the predominant usage of global injury criteria that mainly predicts the most commonthoracic injury risk, i.e. rib fractures. Therefore, local injury criteria using experimental test datahave been developed for the ribs and the organs. The measured parameters were chest deflectionand steering wheel to thorax contact force on a global level, whilst 1st principal Green-Lagrangestrains was assessed for the rib and the organ injury risk. The material models for the liver and the spleen were remodelled using an Ogden material model based on experimental stress-strain data to account for hyperelasticity. Rate-dependency was included by iteration of viscoelastic parameters. The contact modelling of the organs was changed from a sliding contact to a tied contact to minimize unrealistic contact separations during impact. The results support previous findings that H3 needs additional instrumentation to accurately register chest deflection for rib levels beyond its current range, namely at ribs 1-2, 7-8, and 9-10. For THUMS, the chest deflection were within reasonable values for the applied velocities, but there were no definite injury risk. Fact is, the global injury criteria might overpredict the AIS3 injury risk (rib fractures) for rib level 1-2, 7-8, and 9-10. The rib strains could not be correlated with the measured chest deflections. This was explained by the unique localized loading characterized by pure steering wheel rim impact that mainly affected the sternum and the rib cartilage while minimizing rib deformation. The organ strains indicate some risk of rupture where the spleen deforms the most at rib levels 3-4 and 6-7, and the liver and the aorta at rib levels 6-7 and 7-8. This study provides a framework for complementing H3 with THUMS for HGV occupant safety with emphasis on the importance of using local injury criteria for functional injury prediction, i.e. prediction of injury risk using parameters directly related to rib fracture or organ rupture. Local injury criteria are thus a powerful safety assessment tool as it is independent on exterior loading such as airbag, steering wheel hub, or seat belt loading. It was noticed that global injury criteria with very localized impacts such as rim impacts have not been studied and will affect rib fracture risk differently than what has been studied using airbag or seat belt restraints. However, improvements are needed to accurately predict thoracic injury risk at a material level by finding more data for the local injury risk functions. Conclusively, it is clear that Hybrid III has insufficient instrumentation and is in need of upgrades to register chest deflections at multiple rib levels. Furthermore, the following are needed: better understanding of global injury criteria specific for HGV occupant safety evaluation, more data for age-dependent (ribs) and rate-dependent (organs) injury risk functions, a tiebreak contact with tangential sliding for better organ kinematics during impacts, and improving the biofidelity of the material models using data from tissue level experiments. / Förarmiljön i lastbilar gentemot personbilar är annorlunda, i detta kontext med avseende på främst ratt- och förarposition som ökar risken för islag med rattkransen för lastbilsförare. Sådana islag är relativt outforskat jämfört med passiv säkerhet för personbilar inom skadebiomekaniken. Tanken bakom användning av humanmodeller är att komplettera nuvarande krockdockor med biomekanisk information. Dessutom är biofideliteten hos en krockdocka vid rattislag relativt okänt, speciellt vid olika revbensnivåer. Därför är målet med detta examensarbete att undersöka thoraxresponsen hos en lastbilsförare genom att använda THUMS v4.0 och Hybrid III (H3) under rattislag med avseende på revbensnivåer (nivå 1-2, 3-4, 6-7, 7-8, och 9-10) och revben, aorta, lever, och mjälte. Enligt författaren verkar användning av lokala riskfunktioner för thoraxskador relativt ostuderat jämfört med den övervägande användningen av globala riskfunktioner som huvudsakligen förutser den mest vanligt förekommande thoraxskadan, nämligen revbensfrakturer. Därför har lokala riskfunktioner skapats för revben och organ, baserat på experimentell data. Uppmätta parametrar var bröstinträngning och kontaktkraft mellan ratt och thorax på global nivå, medan första Green-Lagrange huvudtöjningen användes för att evaluera skaderisken för revben och organ. Materialmodeller för lever och mjälte ommodellerades baserat på experimentell spänning-töjningsdata med Ogdens materialmodell för att ta hänsyn till hyperelasticitet. Töjningshastighetsberoendet inkluderades genom att iterera fram viskoelastiska parametrar. Kontaktmodellering av organ gjordes genom att ändra från glidande kontakt till en låsande kontakt för att minimera orealistisk kontaktseparation under islagsfallen. Resultaten stödjer tidigare studier där H3 visat sig behöva ytterligare givare för att noggrannt kunna registrera bröstinträngning vid olika revbensnivåer bortom dess nuvarande räckvidd, nämligen vid revben 1-2, 7-8, och 9-10. Uppmätt bröstinträngning i THUMS var rimliga för hastighetsfallen men gav inte någon definitiv risk för skada. Faktum är att de globala riskfunktionerna kan överskatta AIS3 risken vid revben 1-2, 7-8, och 9-10. Revbenstöjningarna kunde inte korreleras med bröstinträngningarna. Detta kunde förklaras genom de unika lastfallen som karakteriseras av rena rattislag som främst påverkar sternum och revbensbrosk som i sin tur minimerar deformation av revben. Organtöjningarna indikerar på någon risk för ruptur där mjälten deformerar som mest vid revben 3-4 och 6-7, medan för både levern och aortan sker det vid revben 6-7 och 7-8. Denna studie presenterar ett sätt att komplettera H3 med THUMS inom passiv säkerhet för lastbilsförare med fokus på lokala riskfunktioner för funktionell skadeprediktering dvs. prediktering av skaderisken med hjälp av parametrar som är direkt relaterat till revbensfraktur eller organruptur. Lokala riskfunktioner utgör en kraftfull säkerhetsbedömning som är oberoende av externa lastfall som t.ex. airbag, rattcentrum, eller bälteslast. I denna studie noterades det att de globala riskkriterierna inte har undersökts med väldigt lokala islag som rattislagen utgör och kommer därför att påverka risken för revbensfraktur annorlunda gentemot vad som har studerat, t.ex. airbag eller bältelast. Däremot behövs det mer data för de lokala riskkriterierna för att kunna prediktera thoraxskaderisken med ökad noggrannhet. Avslutningsvis, det är tydligt att Hybrid III har otillräckligt med givare och behöver förbättras för att kunna registrera bröstinträngning vid flera revbensnivåer. Vidare behövs följande: bättre förståelse för globala riskfunktioner anpassat inom passiv säkerhet för lastbilsförare, mer data för åldersberoende (revben) och töjningshastighetsberoende (organ) riskfunktioner, en ”tiebreak” kontakt med tangientiell glidning för bättre organkinematik, och ökad biofidelitet av materialmodeller genom att använda data från vävnadsexperiment.

INTRODUCTION. Frontal collisions have been observed to cause the severe injuries on heavy goods vehicle occupants, and the lower extremities have been frequently injured. Injuries of knee joints are rarely life threatening, however they tend to give long-term consequences. AIM. Evaluate non-lethal frontal impacts towards the knee joint of Total Human Model for Safety (THUMS) v4.0 using a cylindrical barrier. The main objectives are to 1) create local injury risk functions of the knee ligaments restraining frontal impacts, 2) simulate frontal impacts towards the knee joints of THUMS and3) prepare the Hybrid III (HIII)-model for corresponding frontal impacts conducted on THUMS. The intention is for future HIII-simulations to be cross-correlated with the responses from THUMS for the ability to estimate knee ligament strains by investigating impacts on HIII. METHODS. 1) Ligament risk curves of PCL, MCL and LCL were formulated by assembling mean strain threshold values and standard deviations from literature. Virtual values were generated from these pooled strain thresholds, creating the risk curves. 2) THUMS lower body was impacted by a cylindrical steel barrier at four different locations - middle of patella, middle of knee joint, upper tibia and below tibia tuberositas. Four impact velocities ranging from 8-14 km/h were used at each location, giving a total of 16 impacts. 3) The HIII-model was prepared by removing the upper body and inserting the cylindrical steel barrier into the model file. RESULTS. The strain threshold at 50% rupture risk for PCL resulted in 23.6±4.4%, 34.2±6.0% for MCL and 26.6±6.5% for LCL. The simulated THUMS PCL strains reached between 36%-58% for the highest velocity at the impact locations where tibia was involved. Both MCL and LCL gave an approximate 5% strain outcome. The resultant knee displacement for these impacts ranged between 22 mm - 32 mm. The knee displacements at the PCL strain threshold ranged between 14 mm - 16 mm. DISCUSSION and CONCLUSION. Most of the maximal PCL strains exceeded the PCL threshold with large margins. However, the knee displacement at the PCL strain threshold resulted in outcomes comparable to the thresholds used for HIIImodel. These results supported the obtained PCL threshold to be within a reasonable range.