It has been widely accepted that a stationary human body, such as a person when sitting or standing, acts as a single degree of freedom (SDOF) system in structural vibration. However, it is not clear what form the SDOF model should take and what are the appropriate parameters for the model. The significance of considering human body models in structural vibration comes from the fact that human involvement affects the dynamic behaviour of the structure when a crowd is present and that human body response is different from structural vibration. This forms the basis of this study.This thesis presents both experimental and theoretical studies to develop human body models. It examines the characteristics of two interaction human body models, determines the parameters of the two body models in structural vibration and explores their applications.A continuous model of a standing human body in vertical vibrations is first developed using an anthropomorphic model and two available natural frequencies obtained from shaking table tests. A standing human body is represented as a bar with seven mass segments using the anthropomorphic model and two stiffnesses of the model are identified using the two natural frequencies. The relationships between the continuous model and discrete body models are provided.The masses, damping ratios and stiffnesses of two interaction body models are identified by curve fitting of the measured apparent mass curves from shaking table tests in published biomechanics studies. In this identification process it was identified that one or two conditions have to be applied which can be derived from the outcome of the continuous body model.The characteristics of human-structure interaction models are investigated using both theoretical and experimental Fourier Response Functions. The comparative studies based on 10 tests help to show that the interaction body model is more appropriate than the conventional body model used in structural vibration, and identify the appropriate parameters for the interaction model. The theoretical study shows that the response of stationary people is always larger than structural vibration when human loads are applied, such as walking, jumping and bouncing. The conditions for observing two resonance frequencies are provided graphically for a human-structure system where the interaction body model is used.A method is proposed to identify the parameters of the interaction model through 45 free vibration tests of a standing person on a test rig. The identified values of the natural frequency and damping ratio of a standing body are not close to those from the biomechanics tests. Sensitivity studies show that the two parameters are sensitive to the input data, the damped natural frequency and damping ratio of the human-structure system, which are obtained from free vibration tests.As an extension of the application of FRF and the human-structure model, the optimum parameters of a tuned-mass-damper are obtained based on the concept of equivalent damping ratio of a SDOF structure system. The results are tabulated for practical use. An example of floor vibration induced by rhythmic crowd loads is provided to demonstrate the use of the optimum TMDs and shows the effect of vibration reduction.This thesis entitled “Models of a Standing Human Body in Structural Vibration” is submitted to the University of Manchester by Qingwen Zhang for the degree of Doctor of Philosophy in 2013.

Lors d'un accident de voiture, l'abdomen peut être soumis à des chargements rapides pouvant entrainer des blessures des organes abdominaux. Bien que les modèles éléments-finis humains soient de plus en plus utilisés pour la prédiction de ces blessures pendant un choc, la validation de leur comportement interne reste difficile en particulier à cause d'un manque de données expérimentales disponibles. En effet, la vitesse de tels chargements ne permet pas d'utiliser des moyens d'imagerie « classiques » tel que l'IRM. Basé sur une récente technique d'imagerie (échographie ultra-rapide), ce travail porte sur l'étude du comportement interne de l'abdomen pendant un chargement rapide. D'une part, des essais de chargement rapides ont été menés sur sujet cadavérique permettant de mettre en évidence des relations entre le chargement externe et la cinématique interne du foie. Ces essais ont été simulés en utilisant un modèle humain existant et des tendances similaires ont pu être observées pour certains des résultats expérimentaux. D'autre part, afin d'aider à l'exploitation des données échographiques dans ce contexte, une méthode numérique a été développée permettant de calculer des cartes de déformations d'organe à partir d'images échographique ultra-rapide. Cette méthode a d'abord été évaluée numériquement et expérimentalement. Puis elle été appliquée à des images échographiques de reins isolés soumis à des chargements rapides (humain et porc) issus d'une précédente étude permettant de mettre en évidence l'influence de paramètres tels que la vitesse sur les déformations 2D des différentes régions de l'organe. Dans l'ensemble, ces travaux ont permis de progresser sur la connaissance de la réponse de l'abdomen au choc, et de mettre en évidence les limites de performances des modèles actuels de l'être humain. La méthodologie développée afin de calculer les cartes de déformation devrait aider à renforcer ces connaissances dans le futur / During an automotive accident, the abdomen can be subjected to rapid loading leading to abdominal organ injuries. Although human body models become increasingly prevalent to predict injuries during an impact, the validation of their internal response is difficult, in particular due to the lack of data available. Such impact last less than ten milliseconds making the use of standard imaging (e.g. MRI) tools difficult. Based on a recent imaging modality (ultrafast ultrasound imaging), this work focuses on the study of the internal response of the abdomen during an impact. The in situ internal response of abdominal organs (liver, colon) was observed during impacts delivered to post mortem human surrogates. For the first time, trends were found between the external response and the internal organ kinematics. These tests were simulated using an existing human body model leading to similar trends for some of the responses. Also, a method was developed allowing estimating 2D strains in organs during an impact based on ultrafast ultrasound images. This method was first evaluated numerically and experimentally. Then, it was used to process images of human and porcine kidneys during an impact from a previous study. Results highlight the influence of parameters such as the impact speed on the 2D strains estimated in different organ regions.Overall, this research allowed improving upon the current knowledge on the internal response of the abdomen subjected to impact. It also showed the performance limitation of current human body models. The method developed to compute strain maps should help to further improve that knowledge in the future

Suite à l’évolution de la réglementation relative aux dispositifs de retenue pour enfants en juillet 2013, une campagne d’évaluation expérimentale a permis de constater que la situation des plus jeunes impliqués dans un choc latéral était particulièrement critique. Pour y remédier, une méthodologie originale a été développée dans le but de dimensionner les matériaux d’absorption d’énergie « idéaux » à intégrer aux sièges-auto au niveau des zones d’impact de la tête, de l’épaule et du bassin. Une étude paramétrique basée sur ce concept a alors consisté à piloter la retenue de ces trois segments corporels dans le but de minimiser, soit les critères réglementaires (mannequins Q0 et Q1), soit les critères biomécaniques (modèle hybride Q0-6WOC). Les recommandations issues de cette étude ont ensuite été appliquées à un dispositif de retenue existant afin de l’optimiser en choc latéral. Après avoir vérifié que les valeurs d’accélération linéaire résultante de la tête et de HPC étaient bien inférieures aux seuils imposés par la réglementation, un modèle par Eléments Finis (EF) du siège-auto optimisé a été développé puis validé en situation dynamique. Finalement, après couplage de ce modèle EF du dispositif de retenue optimisé avec le modèle hybride Q0-6WOC, il a été montré que les résultats de simulation numérique en choc latéral étaient deux fois plus faibles que ceux obtenus avec le dispositif de retenue de référence. / Following changes in Child Restraint System (CRS) regulation in July 2013, an experimental CRS evaluation campaign has been conducted. Then, it has been noticed that the situation amongst the youngest involved in side impact was particularly critical. An original methodology has been therefore developed in order to define the “best” energy absorption materials to use in child seats for head, shoulder and pelvis areas. A parametric study in which the restraint of each body segments was independently piloted has then been conducted. The aim was to minimize either regulatory criteria of Q0 and Q1 dummies, or biomechanical criteria based on Q0-6WOC hybrid model. Those recommendations have thereafter been applied to improve an existing child restraint system under side impact. First, it has been checked that resultant linear acceleration of the head and HPC criteria were below regulation limits. Second, Finite Element (FE) model of the optimized car seat has been created and validated in several dynamical steps. Third, both reference child restraint system and optimized child seat has been evaluated in side impact with Q0-6WOC hybrid model. Finally, it has been showed that technical changes helped to cut in half the biomechanical results.

Disertační práce je zaměřena na vytvoření návrhu antény operující v blízkosti lidského těla. Kritické parametry zahrnují impedanční přizpůsobení, polarizační vlastnosti a vyzařovací charakteristiky. Základní výzkum je proveden na zjednodušených modelech lidského těla, kde jsou striktně definovány materiálové vlastnosti. Pro pokročilejší analýzu jsou využity detailnější modely. Simulace jsou konfrontovány s měřením na reálných vzorcích. V práci zahrnujeme interakci mezi anténou a lidským tělem.

Ice hockey is a sport whose athletes are at high risk for traumatic head injuries due to the violence of potential impacts with other athletes, ice, or glass during games. In order to develop the best protective strategies for the players, it is necessary to have a deep understanding of accident mechanisms during ice hockey games. Accident reconstructions using the finite element (FE) method are a way to perform a systematic analysis of impact cases, but require input data on the circumstances of the accidents. Thus, this project focused on finding a way to extract the position and velocity of the players involved from readily available videos of ice hockey accidents using motion tracking methods. This project included two parts: pose estimation and velocity estimation. The pose estimation aimed to align a human body model (HBM) with the players' poses and the key steps included estimating 2D joints from impact images, estimating the players' 3D poses, skeleton inferencing, and aligning the results with the baseline HBM via pelvic registration. The velocity estimation defined the initial conditions for simulating the collision and key steps included identifying the players' 2D joints across impact video frames, tracking of the players using a simplified pelvis projection on the rink plane, and estimating the players’ velocity using homography to identify their position on the ice hockey rink. Then, both parts were applied to accident cases from a video database of collisions that occurred during a hockey league season. The cases in which the pipeline was fully applied ultimately resulted in LS-DYNA positioning files for the Total Human Model for Safety (THUMS) model, and problematic cases were used to get an overview of the limits of the chosen methodology. Said limitations were mostly linked to the quality of the source videos, which is highly dependent on the source of the videos and possibly not controllable. Due to this, selection criteria are required, such as checking the blurriness and quality of the videos and the viewing angles to ensure as few occlusions as possible. Overall, this project resulted in a working semi-automatic pipeline for pose and velocity estimation in contact sports collisions, as well as a first set of personalized input information that should allow the reconstruction of ice hockey accidents using FE simulations. / Ishockey är en sport vars utövare löper stor risk att drabbas av traumatiska huvudskador på grund av de våldsamma potentiella kollisionerna med andra utövare, is eller glas under matcherna. För att kunna utveckla de bästa skyddsstrategierna för spelarna är det nödvändigt att ha en djup förståelse för olycksmekanismerna under ishockeymatcher. Olycksrekonstruktioner med hjälp av finita elementmetoden är ett sätt att utföra en systematisk analys av kollisionsfall, men kräver indata om omständigheterna kring olyckorna. Detta projekt fokuserade därför på att hitta ett sätt att extrahera de inblandade spelarnas position och hastighet från lättillgängliga videor av ishockeyolyckor med hjälp av rörelsespårningsmetoder. Projektet bestod av två delar: poseuppskattning och hastighetsuppskattning. Poseuppskattningen syftade till att anpassa en humanmodell till spelarnas poser och de viktigaste stegen omfattade uppskattning av 2D-leder från kollisionsbilder, uppskattning av spelarnas 3D-poser, skelettinferens och anpassning av resultaten till baslinjen HBM via bäckenregistrering. Hastighets-uppskattningen definierade de initiala villkoren för simulering av kollisionen och viktiga steg inkluderade identifiering av spelarnas 2D-led i videobilder av kollisionen, spårning av spelarna med hjälp av en förenklad bäckenprojektion på rinkplanet och uppskattning av spelarnas hastighet med hjälp av homografi för att identifiera deras position på ishockeyrinken. Därefter tillämpades båda delarna på olycksfall från en videodatabas med kollisioner som inträffade under en säsong i en hockeyliga. De fall där pipelinen tillämpades fullt ut resulterade slutligen i LS-DYNA-positioneringsfiler, och problematiska fall användes för att få en överblick över gränserna för den valda metoden. Begränsningarna var främst kopplade till kvaliteten på källvideorna, som är starkt beroende av källan till videorna och eventuellt inte kan kontrolleras. På grund av detta krävs urvalskriterier, t.ex. kontroll av videornas oskärpa och kvalitet samt betraktningsvinklar för att säkerställa så få ocklusioner som möjligt. Sammantaget resulterade detta projekt i en fungerande halvautomatisk pipeline för pose- och hastighetsuppskattning vid kollisioner i kontaktsporter, samt en första uppsättning personlig indatainformation som bör möjliggöra rekonstruktion av ishockeyolyckor med hjälp av simulering med finita element.

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.

Traumatic brain injury (TBI) is a worldwide public health problem. It is often caused by impacts to the head, which can cause translational and rotational motions. During impacts to the head, the neck serves as one of the boundary conditions for determining its kinematic response. In today’s helmet assessment standards, the dynamics of the neck are not included, and in most standards only translational accelerations are examined within a short time interval around 20- 30 ms. However, to understand the risk of brain injury, it is also important to account for the rotational motions and the influence of the neck on head kinematics.  In this thesis the influence of the neck on head kinematics was investigated by comparing 5 different finite element (FE) models of the human. By using finite element analysis, simulations of four different accident scenarios were conducted. Most models are produced for the automotive industry and are not validated in vertical impacts with forces acting on the head. The accident scenarios included vertical and horizontal impacts to the head with different striking objects. The models included two anthropomorphic test devices (ATD) and three human body models (HBM). Furthermore, an isolated head was also used. The models were equipped with an industrial safety helmet, with and without a low friction layer (LFL). Additionally, the helmet versions were used to investigate how the various FE models predict the difference in rotational kinematics.  The head kinematics showed considerable disparities between the ATDs and the HBMs. The ATDs mostly showed a stiffer, spring-like behavior with higher translational accelerations and lesser rotational motions. Furthermore, the HBMs showed responses that were assumed to have been in better proximity to biofidelic responses. The incorporation of the LFL led to a reduction in peak resultant rotational velocity (PRV) in most models and accident scenarios. Furthermore, the results were highly influenced by the choice of duration. It was seen that the differences between the models increased over time, as the boundary effects could influence the kinematics to a larger extent. Hence, the neck had more influence on head kinematics at longer time durations.  This thesis contributes to a comparison of different FE models and how various boundary conditions affect the kinematics of the head. The Hybrid III should only be used in cases involving pure flexion-extension. The attachment of the KTH neck to the Hybrid III torso led to large differences in kinematic responses to the other models, and therefore it should not be used in virtual testing. Due to the resemblance between head-only and the HBMs, as well as the short duration in bicycle helmet assessment, the use of only a headform is probably a better approximation as the ATD necks that could be used are not good representations of biofidelity. Before implementing surrogate necks in helmet assessment, more investigations on the influence of the neck on head kinematics are necessary as well as the development of neck models with high biofidelity. / Traumatiska hjärnskador är ett globalt folkhälsoproblem. Traumatiska hjärnskador orsakas ofta av slag mot huvudet, vilket kan orsaka både translations- och rotationsrörelser av hjärnan. Vid slag mot huvudet verkar halsen som ett av randvillkoren som styr kinematiken av huvudet. I dagens hjälmstandarder är halsens dynamik inte inkluderad och i majoriteten av standarder är det endast translationsaccelerationer som undersöks samt inom en kort tidsram, runt 20-30 ms. För att förstå risken för hjärnskador behöver man även beakta rotationsrörelser och då blir halsens inflytande på huvudets kinematik av vikt, liksom att utvärdera kinematiken under en längre tid.  I detta examensarbete studeras halsens inverkan på huvudets kinematik genom att jämföra fem olika finita element (FE) modeller av människan. Genom att använda finita elementmetoden, genomfördes simuleringar av 4 olika olycksscenarior. Olycksscenariorna inkluderade vertikala och horisontella islag med olika objekt. De modeller som användes var två krockdockor och tre humanmodeller samt ett isolerat huvud. De flesta modeller är framtagna för bilindustrin vilket påverkar dess användningsområde genom begränsade valideringar av vertikala slag med krafter som verkar direkt på huvudet. Alla modeller var utrustade med en industrihjälmsmodell, med respektive utan ett lågfriktionslager. Dessutom användes hjälmmodellerna till att undersöka hur de olika FE modellerna förutspådde skillnader i rotationskinematik.  Kinematiken av huvudet visade på signifikanta skillnader mellan krockdockorna och humanmodellerna. Krockdockorna hade generellt ett stelare, fjäderliknande beteende med högre translationsacceleration och mindre rotationsrörelse. Vidare hade humanmodellerna ett beteende som var mer likt den förväntade mänskliga responsen. Användandet av lågfriktionslagret ledde till reduktion i resulterande peak rotationshastighet bland de flesta modeller och olycksscenarior. Resultatet påverkades nämnvärt av valet av tidsintervall. Vid längre tidsintervall var skillnaderna i beteende större mellan modellerna. Därför hade halsen större inverkan på huvudets kinematik vid längre durationer.  Detta examensarbete bidrar till en jämförelse av olika FE modeller och förståelse för hur olika randvillkor påverkar huvudets kinematik. Hybrid III borde endast användas för horisontella islag med enbart flexion-extensions rörelser. Infästningen av KTH halsen till Hybrid III gav stora skillnader i kinematiken jämfört med de andra modellerna, och därför ska den inte användas vid virtuella tester. På grund av de likheter som sågs mellan enbart huvud och humanmodellerna samt på grund av de korta islagen vid cykelhjälmsbedömningar, är troligtvis användandet av ett isolerat huvud en bättre approximation än användandet av de tillgängliga krockdockornas halsar. Innan man använder halsmodeller vid hjälmbedömningar, krävs fler studier på halsens inverkan på kinematiken samt framtagande av halsmodeller med mer människoliknande respons.