biofidelity evaluation of a restrained under ... - ircobi

12
Abstract The present study evaluated the kinematics of the Global Human Body Model Consortium (GHBMC) model, under frontal impact. Resultant acceleration data from simulations at head center of gravity (CG), T1, sternum, T12, and sacrum were compared with sled test responses. The objectives of the present study were to normalize the experimental data, qualitatively compare the simulation kinematics to that of the PMHS response, and quantify the goodnessoffit using correlation analyses (CORA). Kinematics data from restrained eight PMHS tests – low (3.3 m/s), and medium (6.7 m/s) – were used to evaluate the biofidelity of the GHMBC model under frontal impact. The experimental data were normalized to represent 50 th percentile male population, to minimize response variations due to demographics. The restrained GHBMC model was positioned with its standard posture on a rigid seat. Simulations were performed using two different input speeds – low, and medium under frontal impact conditions. Qualitative observation of the kinematics between simulations and experiments indicated a good match. CORA ratings ranged from 0.51 to 0.78, and 0.53 to 0.75 for the low, and medium speed cases respectively, indicating acceptable kinematic biofidelity of the model under frontal impact. Keywords Finite element model, GHBMC, Validation, Biofidelity, Frontal impact. I. INTRODUCTION Delineating injury mechanisms in impact biomechanics is critical to prevent or attenuate injurycausing factors through countermeasures. Traditionally, this delineation is done using post mortem human specimens (PMHS) [1, 2], computer models [3], and anthropometric test devices (ATD, also known as “dummies”) [4, 5]. However, compared to real life humans, the stiffness and biofidelity of these devices are very different, as they are designed for repeated testing. Computer models constructed using rigid bodies, were available for crash investigations since early 1960’s [6], however these models were limited in their capabilities, mainly due to the lack, and cost of computational hardware at that time. Several finite element (FE) based human body models (HBM) were recently developed due to the exponential increase in costefficient powerful computational hardware [7, 8]. In addition, rigorously formulated FE explicit theories [9, 10], and solvers – like LsDyna, PamCrash etc., accelerated the developments of these detailed FE models. Nevertheless, in order to obtain trustworthy data from these HBMs, they must be validated against PMHS tests, for different modes, and rates of loadings. Anthropometric variations are unavoidable in PMHS experiments. Generally, these variations influence experimental responses [11]. To minimize these variations, individual PMHS responses can be normalized to a predetermined reference population, such as midsized male [1214], to be used to validate HBMs. One such detailed FE HBM was created – by the Global Human Body Model Consortium (GHBMC) to represent 50 th percentile American male, with a standard seating posture. The GHBMC HBM was built with 1.95 million elements, and 1.3 million nodes to represent a detailed anatomical geometry of the whole body parts. Past studies have evaluated various biofidelity aspects of the model, under different modes, and rates of impact loading. Park et al. (2013) evaluated the biofidelity of the model under lateral impact, using kinematics data from sled tests. The model was impacted laterally with a rigid impactor to validate responses to that of PMHS responses [15]. Hayes et al. (2014) used chestband data to validate the thoracic response of the GHBMC model, Mike W.J. Arun ([email protected]) is a PostDoctoral Fellow, John R. Humm is a Research Engineer, Narayan Yoganandan is a Professor, Frank A. Pintar is a Professor, in the Department of Neurosurgery at Medical College of Wisconsin in the United States of America. Biofidelity Evaluation of a Restrained Whole Body Finite Element Model under Frontal Impact using Kinematics Data from PMHS Sled Tests 1 Mike W.J. Arun, John R. Humm, Narayan Yoganandan, Frank A. Pintar IRC-15-69 IRCOBI Conference 2015 - 622 -

Upload: others

Post on 06-May-2022

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Biofidelity Evaluation of a Restrained under ... - IRCOBI

Abstract  The  present  study  evaluated  the  kinematics  of  the  Global  Human  Body  Model  Consortium 

(GHBMC) model, under frontal  impact. Resultant acceleration data from simulations at head center of gravity 

(CG), T1,  sternum, T12,  and  sacrum were  compared with  sled  test  responses. The objectives of  the present 

study were to normalize the experimental data, qualitatively compare the simulation kinematics to that of the 

PMHS  response,  and  quantify  the  goodness‐of‐fit  using  correlation  analyses  (CORA).  Kinematics  data  from 

restrained eight PMHS tests –  low (3.3 m/s), and medium (6.7 m/s) – were used to evaluate the biofidelity of 

the GHMBC model under frontal  impact. The experimental data were normalized to represent 50th percentile 

male  population,  to minimize  response  variations  due  to  demographics.  The  restrained GHBMC model was 

positioned with  its  standard  posture  on  a  rigid  seat.  Simulations were  performed  using  two  different  input 

speeds – low, and medium ‐ under frontal impact conditions. Qualitative observation of the kinematics between 

simulations and experiments indicated a good match. CORA ratings ranged from 0.51 to 0.78, and 0.53 to 0.75 

for  the  low,  and medium  speed  cases  respectively,  indicating  acceptable  kinematic  biofidelity  of  the model 

under frontal impact. 

 Keywords  Finite element model, GHBMC, Validation, Biofidelity, Frontal impact.   

I. INTRODUCTION 

Delineating injury mechanisms in impact biomechanics is critical to prevent or attenuate injury‐causing factors 

through counter‐measures. Traditionally, this delineation is done using post mortem human specimens (PMHS) 

[1, 2], computer models [3], and anthropometric test devices (ATD, also known as “dummies”) [4, 5]. However, 

compared  to  real  life  humans,  the  stiffness  and  biofidelity  of  these  devices  are  very  different,  as  they  are 

designed  for  repeated  testing.  Computer  models  constructed  using  rigid  bodies,  were  available  for  crash 

investigations since early 1960’s [6], however these models were limited in their capabilities, mainly due to the 

lack, and cost of computational hardware at that time. Several finite element (FE) based human body models 

(HBM)  were  recently  developed  due  to  the  exponential  increase  in  cost‐efficient  powerful  computational 

hardware [7, 8]. In addition, rigorously formulated FE explicit theories [9, 10], and solvers – like Ls‐Dyna, Pam‐

Crash  etc.,  ‐  accelerated  the  developments  of  these  detailed  FE models.  Nevertheless,  in  order  to  obtain 

trustworthy data from these HBMs, they must be validated against PMHS tests, for different modes, and rates 

of  loadings.  Anthropometric  variations  are  unavoidable  in  PMHS  experiments.  Generally,  these  variations 

influence  experimental  responses  [11].  To  minimize  these  variations,  individual  PMHS  responses  can  be 

normalized  to a predetermined  reference population,  such as mid‐sized male  [12‐14],  to be used  to validate 

HBMs. 

 

One such detailed FE HBM was created – by the Global Human Body Model Consortium (GHBMC) ‐ to represent 

50th percentile American male, with a standard seating posture. The GHBMC HBM was built with 1.95 million 

elements, and 1.3 million nodes  to  represent a detailed anatomical geometry of  the whole body parts. Past 

studies have evaluated  various biofidelity aspects of  the model, under different modes, and  rates of  impact 

loading. Park et al.  (2013) evaluated  the biofidelity of  the model under  lateral  impact, using kinematics data 

from sled tests. The model was  impacted  laterally with a rigid impactor to validate responses to that of PMHS 

responses [15]. Hayes et al. (2014) used chestband data to validate the thoracic response of the GHBMC model,  

 

Mike W.J. Arun ([email protected]) is a Post‐Doctoral Fellow, John R. Humm is a Research Engineer, Narayan Yoganandan is a Professor, Frank A. Pintar is a Professor, in the Department of Neurosurgery at Medical College of Wisconsin in the United States of America. 

Biofidelity Evaluation of a Restrained Whole Body Finite Element Model under Frontal Impact using Kinematics Data from PMHS Sled Tests 

 

1Mike W.J. Arun, John R. Humm, Narayan Yoganandan, Frank A. Pintar 

IRC-15-69 IRCOBI Conference 2015

- 622 -

Page 2: Biofidelity Evaluation of a Restrained under ... - IRCOBI

un

to

th

ki

ev

m

ac

w

qu

us

 

Ex

 

Re

di

(2

[1

he

m

m

se

(F

ac

FM

pa

lim

 

 

sy

 

 

 

 

nder frontal,

o validate the

he  head,  an

nematics co

valuating the

model.  The  p

cceleration d

with  sled  tes

ualitatively c

sing correlat

xperimental 

estrained  (th

ifferent velo

2010) were u

18],  for com

eight: 169.5±

m/s) velocitie

medium the s

eat pan  at  1

Figure 1.a).   

ccommodate

MVSS‐208 te

aper honeyc

mb, such tha

Figure 1 (a

ystem) (b) A

, and lateral 

e biofidelity 

d  spine  has

ould directly 

e kinematics

present  stud

data from sim

st  responses

compare the

tion analyses

 setup: 

hree‐point b

cities, utilizi

used  for  this

pleteness, o

±7.0 cm; we

es, using  two

speed pulse, 

15 degrees  f

The seat wa

ed  fixtures 

esting protoc

comb (205 kP

at the distanc

a) Schematic

natomical lo

impact cond

of chest, sho

s  not  been 

influences k

s of the mod

dy  evaluated

mulations at 

s.  The  objec

 simulation k

s (CORA). 

belt and kne

ng a custom

s validation 

only a brief d

eight: 59.2±2

o  input acce

resulting in 

from  the  ho

as rigidly att

to  attach  th

col. The kne

Pa) was fixed

ce between 

c representa

ocations of m

ditions [16]. 

oulder, thora

validated  fo

kinetics – for

del, using PM

d  the  kinema

head center

ctives  of  the

kinematics t

I

ee  restraints)

‐made rigid 

study. A det

description  i

21.5 kg) were

eleration pul

a total of eig

orizontal,  and

ached to a s

hree‐point  s

e restraint a

d to the plat

the limb, and

ation of expe

measured ac

Vavalle et a

ax, and abdo

or  the  whol

r example, a

MHS data ma

atics  of  the 

r of gravity (C

e  present  s

o that of the

I. METHOD

) unembalm

seat setup. 

tailed descr

s presented 

e tested on 

ses. Each PM

ght tests. Ea

d  the  seat b

sled platform

seatbelt  and

assembly con

te’s outer su

d the surface

erimental se

celerations

al. (2015) use

ominal respo

e  GHBMC m

accelerations

ay be a cruci

GHBMC mo

CG), T1, ster

tudy  were 

e PMHS resp

DS 

med PMHSs w

Data from e

iption of  the

here. Four 

a sled syste

MHS was  tes

ch PMHS wa

back was  25

m that applie

d  knee  restr

nsisted of a 

rface. The re

e of the hone

etup (blue do

ed region spe

onses [17]. H

model  under

s directly  inf

ial step to e

odel,  under 

num, T12, an

to  normaliz

onse, and qu

were  tested 

experiments 

e experimen

unembalme

m, at  low (3

sted with  th

as seated on 

 degrees wi

ed the  input

raints.  The 

plate at an a

estraint was 

eycomb was

ot shows the

ecific data fr

However, the

r  frontal  im

fluence force

nsure the re

frontal  imp

nd sacrum w

e  the  exper

uantify the g

on a  sled  s

performed b

ntal  setup ca

ed PMHSs  (a

3.3 m/s), and

he  low  speed

 a custom rig

ith  respect  t

t pulses. The

belt  positio

angle of 45 d

fixed in fron

s 25 mm. 

e origin of t

rom the mod

e kinematics 

pact.  Becau

es – therefor

eliability of t

pact.  Resulta

were compar

rimental  dat

goodness‐of‐

system, at  tw

by Pintar et 

an be  found 

ge: 60.0±22

d medium (6

d,  followed 

gid seat with

to  the  vertic

e platform al

oning  follow

degrees, and

nt of the low

the coordina

del 

of 

use 

re, 

he 

ant 

ed 

ta, 

‐fit 

wo 

al. 

in 

.7; 

6.7 

by 

h a 

cal 

lso 

ed 

d a 

wer 

ate 

IRC-15-69 IRCOBI Conference 2015

- 623 -

Page 3: Biofidelity Evaluation of a Restrained under ... - IRCOBI

In

 

Ac

fil

at

tr

m

si

th

vi

qu

si

D

po

 

Ex

 

Th

as

id

eq

m

no

W

w

in

 

Ta

Si

 

Th

si

se

el

(F

in

to

de

re

si

ls

G

su

nstrumentat

cceleration d

ltered and t

ttached  to  t

ransformed  t

mounts, linea

de of the sp

he specimen 

deos were u

ualitatively c

des of the h

ata  from the

osture betwe

xperimental 

he normaliza

ssumes  linea

dentical  tissu

quations  sho

multiplied by 

ormalization

 

 

Where, the su

which  is  give

ndividual PM

able 1 Norm

 

imulation se

he  restraine

mulate expe

eat. Because

lements wer

Figure  2.a).   

ncluded in th

o  the  seatbe

eceleration, 

estraint  did 

mulation set

‐dyna keywo

HBMC mode

urface.  At 

ion and data

data – collec

ime‐zeroed 

the  surface 

to  estimate 

r tri‐axial acc

ine. In addit

(Figure 1.b)

used to captu

compare  the

head and T1 

ese markers

een experim

 data norma

ation proced

ar  relation 

ue  density  a

ow  the  nor

the normal

n factors used

ubscripts  n  

n  by  the  ra

HS mass.  

malization fac

etup: 

ed model wa

erimental  lo

e  the  seat w

re also used t

A  generic  s

he setup, to 

elt model  to

cantilever‐li

not  signific

tup. The sea

ord –  to avo

el and the rig

the  start  o

a processing

cted (using a

using accept

of  the  spec

acceleration

celerometer

tion, a tri‐axi

.  The accele

ure the expe

e kinematics

spine, these

 were transf

ments and mo

alization: 

dure conside

between  len

and  elastic m

rmalization  f

ization  facto

d in this stud

and  i  denotio  between

ctors used fo

as  placed  on

ading  condit

was not expe

to model a f

seatbelt mod

mimic the ex

 mimic  real 

ike high mag

antly  engag

at, B‐pillar, a

oid  relative 

gid seat was 

of  the  simu

:  

cceleromete

ted methods

cimen’s  hea

ns  at  the  ce

 packages w

al package w

eration data w

riment at 10

 of  the GHB

e markers w

formed to h

odel (see disc

red in this st

ngth,  mass, 

modulus  bet

factors  for 

ors  to derive

dy are given 

ote normaliz

n  the  refere

or this study

n  a  rigid  sea

tions. The G

ected  to def

ootrest, and

del  – made 

xperimental 

world  seatb

gnitude  vibr

ge  the  lowe

nd the footr

motions bet

defined as 0

ulations,  in

er packages)

s. A pyramid

d.  Using  kin

enter  of  grav

were attached

was attached

were filtered

000 frames p

BMC. Retro  r

were tracked

ead CG and

cussion).  

tudy used a 

and  time  u

tween  indivi

acceleration

e  the norma

in Table 1. 

;

;ed and origi

nce mass  (7

at  and  the  d

GHBMC mod

form  signific

 a B‐pillar w

with  550  se

boundary co

belts.  From

ration of  kne

r  limb.  Hen

rest were rig

tween  the  st

0.249 [15], to

itial  velocit

 at head CG

d‐shaped nin

nematic  equ

vity  of  the  s

d at the T1, T

d to the ster

d using the S

per second; f

reflective ma

 using Vicon

 T1 vertebra

basic appro

units  [12].  F

dual  PMHS 

n  (a )  and  t

lized signals

inal signals. 

76  kg)  that 

deceleration

el with  its  s

antly,  it was

here an anch

eatbelt,  and

onditions. A 

experimenta

ee  restraint 

nce,  the  kne

gidly constra

tructures. Th

o mimic the 

ies  were  a

, T1, sternum

ne‐accelerom

uations,  data

specimen’s  h

T12, and sacr

num, betwe

SAE CFC 60 fi

rames from 

arkers were 

n cameras at

al body and 

ach propose

Furthermore

and  referen

time  ( t ).    T, using  the e

 Lambda  (λ)

represent  th

n  pulses wer

tandard pos

s modeled u

hor point of t

60  one‐dim

fabric mate

al high  fram

fixtures was

ee  restraint 

ained – using

he  coefficien

contact betw

applied  to 

m, T12, and 

meter packag

a  from  the 

head. Using 

rum levels to

een third and

ilter standard

these videos

attached  to

t 1000 frame

used to com

ed by Epping

e,  the  proce

nce  PMHS.   

The  original

equations  (1

)  is the norm

he  target  po

re  applied  t

sture was po

using  rigid e

the seat belt

mensional  el

rial property

me‐rate  video

s observed; 

was  not  in

g the *RIGID

nt of  friction

ween neopre

the  whole 

sacrum ‐ we

ge  (PNAP) w

package  we

custom‐ma

o the posteri

d fourth ribs 

ds. High‐spe

s were used 

o  the posteri

es per secon

mpare head‐

ger (1976) th

edure  assum

The  followi

l  signals  we

1) and  (2). T

(

(

malizing facto

opulation,  a

o  the  seat, 

ositioned on

lements. Rig

t was attach

ements  – w

y was assign

os, during  sl

therefore  t

ncluded  in  t

D_CONSTRAIN

n between  t

ene and Teflo

model  usi

ere 

was 

ere 

de 

ior 

of 

ed 

to 

ior 

nd. 

T1 

hat 

mes 

ng 

ere 

he 

(1) 

(2) 

or, 

nd 

to 

n a 

gid 

ed 

was 

ed 

ed 

he 

he 

NT 

he 

on 

ng 

IRC-15-69 IRCOBI Conference 2015

- 624 -

Page 4: Biofidelity Evaluation of a Restrained under ... - IRCOBI

*I

sl

lo

rig

bi

no

bo

Th

 

Fi

Re

ex

ac

no

an

re

go

pr

ac

co

 

 

INITIAL_VELO

ed pulses (F

ower spine b

gid bodies, t

iofidelity.   H

odes were c

odies  (Figure

he joints wer

Figure 2 (a

 

igure 3 (a) Jo 

esultant  nod

xperimental 

ccelerations 

odes. Becau

nd  z)  veloci

esultant acce

oodness‐of‐f

rocessing ap

cceleration c

omputationa

OCITY keywo

Figure 2.b) w

iofidelity wa

the  joint stif

However,  in 

reated using

e 3.a). The s

re defined pe

a) Simulation

oint definitio

dal  accelera

data.  In  or

from head 

se  the noda

ity  data  we

elerations we

fit.  In  addit

pplication  (LS

components.

al cluster, usi

ord, to mimi

were applied 

s evaluated,

ffness betwe

the original

g *CONSTRAI

stiffness data

er SAE J211 s

n setup (b) In

on between 

tion  data  fr

rder  to  com

CG,  T1,  ster

l acceleratio

ere  different

ere then com

ion,  it  was 

S‐PREPOST) w

. All simulati

ing 64 cores.

ic the stored

to the rigid

 and becaus

een the verte

model,  join

INED_EXTRA

a of the T11

sign convent

 

nput sled pu

 

rigid vertebr

rom  simulat

pare  the  re

rnum,  T12,  a

on data were

tiated,  and 

mpared with

observed  t

were not ac

ons were so

d kinetic ene

 seat to  load

e the verteb

ebral bodies

nts were not

A_NODES and

1‐T12  joint w

tion (Figure 3

ulses used in 

ral bodies (b

tion  results 

esponses  fro

and  sacrum 

e  too noisy, 

operated  to

 experiment

that  the  res

ccurate, as th

olved using L

ergies  in exp

d the GHBM

bral bodies in

s may play a

t defined  in

d spherical jo

was used for 

3.b).  

this study 

b) Sign conve

were  comp

om  the mod

from  the m

even after  f

o  obtain  re

tal data, usin

sultant  acce

hey were ca

s‐Dyna MPP 

0 20-5

0

5

10

15

20

Sle

d P

uls

e (g

)

erimentation

MC model, m

n the lower s

 significant r

the  lower  s

oints were d

the defined

ention used i

ared  with  t

el,  and  exp

model were  e

filtering, hen

sultant  acce

ng correlatio

elerations  di

lculated  inte

version 7.0 

0 40 60

Ti

ns. Then, th

imicking sled

spine was co

role  in overa

spine.  There

defined, betw

d  joints  in th

in joint defin

the  respectiv

periments,  re

extracted  fr

nce compon

elerations.  T

n methods t

irectly  given

ernally befor

solver on a 

80 100

me (ms)

LOW MEDI

e decelerati

d tests. As t

nstructed wi

all  lower spi

efore  commo

ween verteb

e  lower spin

nition 

ve  normaliz

esultant  nod

om  respecti

ent wise  (x, 

The  calculat

to quantify t

n  by  the  po

re filtering t

Linux RHEL 5

120 140

UM

on 

he 

ith 

ne 

on 

ral 

ne. 

ed 

dal 

ve 

y, 

ed 

he 

ost 

he 

5.4 

IRC-15-69 IRCOBI Conference 2015

- 625 -

Page 5: Biofidelity Evaluation of a Restrained under ... - IRCOBI

Co

Co

re

pe

co

be

ex

w

st

ca

w

ra

ca

si

ti

by

gr

Th

he

si

sh

st

W

co

st

CO

orrelation an

 

orrelation an

esponses. Th

erfect match

orrelations b

etween  the 

xperimental 

with a consta

tudy, the inn

alculated for

within the  inn

ating of 0 is g

and 1  is giv

alculated  by 

mplicity; how

me shift bet

y the corrido

 

 

Figure 4 C

reen curves 

he cross‐cor

ere, a more 

ze of  the  re

hifting the m

tate. All the t

Weighted  sum

orridor, and 

tudy are  liste

ORA executi

 

nalyses: 

nd analyses (

he ratings  in 

h. CORA use

between  the

responses  u

responses. A

nt y‐offset. T

er corridors 

r 50 percent 

ner corridor 

given. Howev

ven, based o

averaging  a

wever, the m

tween the re

or method. 

Corridor met

show 5 perc

relation met

detailed des

sponses, usi

mean curve b

three metric

m  of  these  t

cross‐correl

ed  in Table 

on directory

(CORA) was 

CORA range

es  two meth

e  responses. 

using  user‐d

Along the m

This offset is

were calcula

of the peak

then a ratin

ver, if the re

on  the user 

all  ratings  fr

major disadv

esponses. A 

thod: black c

cent (of peak

thod  is more

scription can

ing  three  res

by a small ti

cs are calcula

three metric

ation metho

2. These par

y. 

used to quan

e from 0 to 

hods –  that a

The  first m

defined  corri

ean trace, tw

 computed b

ated for 5 pe

 mean trace

ng of 1  is giv

esponse lies i

defined ble

rom  each  tim

vantage of t

cross‐correla

curve shows

k mean) inne

e  involved a

n be found in

spective me

me step, an

ated using th

cs  give  the 

ods give the 

rameters can

ntify the goo

1, where 0 r

are  fundame

method  is  the

idors.  This m

wo corridors

by the user‐d

ercent of the

e (Figure 4). 

ven, wherea

in between t

nding  functi

me  step.  Th

his method 

ation metho

s the mean 

er corridor; a

and complex

n [19]. This m

etrics  (Figure

d a cross co

he time‐shift

rating  for  c

overall corr

n be  found 

odness‐of‐fit 

representing

entally very 

e  corridor m

method  calc

s – an inner, 

defined perc

e peak mean

For each tim

s  if the resp

the inner and

on. The ove

e  advantage

is that the r

od  is used to

trace; red c

and blue cur

,  for brevity

method quan

e 5). The cro

orrelation va

ted data for

orrelation m

relation ratin

and edited p

between sim

g poor corre

different – 

method  that 

culates  a me

and an oute

entage of th

trace, wher

me step, if th

onse  lies ou

d the outer c

erall  rating  fo

e of  this me

rating could 

o compensat

urve shows 

rves show 50

, only a brie

ntifies the p

oss correlatio

lue  is calcula

the maximu

method.  Equ

ng. The COR

per need  in 

mulation and

elation, and 1

to quantify 

calculates  t

ean  trace  us

er corridor – 

he peak mea

reas the oute

he simulation

utside the ou

corridors a r

for  the  corrid

ethod  is  its d

become poo

te this disadv

 

the simulat

0 percent ou

ef descriptio

rogression, t

on method s

ated for eac

um cross cor

ually weighte

RA paramete

the “*.cps” 

d experiment

1 representi

the degree 

the  correlati

sing  individu

are generat

n trace. In th

er corridor w

n response li

uter corridor

rating betwe

dor method

directness  a

or  if there  is

vantage pos

tion respons

uter corridor

n  is present

time‐shift, a

starts by  tim

ch time‐shift

relation valu

ed  sum  of  t

rs used  in th

file  inside  t

tal 

ng 

of 

on 

ual 

ed 

his 

was 

ies 

r a 

en 

  is 

nd 

s a 

ed 

se; 

ed 

nd 

me‐

ed 

ue. 

he 

his 

he 

IRC-15-69 IRCOBI Conference 2015

- 626 -

Page 6: Biofidelity Evaluation of a Restrained under ... - IRCOBI

 

Ta

Ki

Ea

ki

re

de

se

bo

of

 

sp

Figure 5 Pl

able 2 CORA

inematics co

 

ach  simulatio

nematics  co

espectively, 

ecelerate,  d

eatbelt, henc

ody model c

f the PMHS a

Figure 6 M

peed video, a

lots showing

A parameters

omparison: 

on  took app

omparison  b

overall,  the 

ue  the  initia

ce  loading  th

changed dire

about the z‐a

Motion  comp

and bottom 

Method

Corridor

Cross correlat

 g (a) progres

s used in this

proximately 

between  th

kinematics 

al  kinetic  en

he model.  In

ctions and r

axis due to s

 

 parison at  lo

row: motio

Para

A_

B_

D

D_

INT

tion

sion rating (

s study 

20 hours  to 

e  experime

showed  goo

nergy  stored

n both  low a

ebounded b

houlder belt

ow  speed:   

n obtained f

ameters Value

K 2

G_1 0.5

A_0 0.05

B_0 0.5

_SIGMA 0

_SIGMA 0

D_MIN 0.01

_MAX 0.12

T_MIN 0.8

K_V 10

K_G 1

K_P 1

G_V 0.5

G_G 0.25

G_P 0.25

G_2 0.5

(b) time‐shif

III. RESULTS

solve on  th

ent  and  sim

od  agreemen

  in  the  hum

and medium

ack to the se

t engagemen

Top  row: Si

from simulat

es

Transit

5

1

2

Transitional or

Transition

Transitiona

5

5

We

t rating (c) s

he cluster. Fi

mulation  for 

nt.  In  simula

man  body m

m speed expe

eats at appro

nt were also 

ilhouette  re

tion at (a) t=

De

tional order of funct

Weighting factor 

Width of th

Width of th

Parameter to wi

Parameter to wid

Minimum int

Maximum int

Minimum  

rder of function  bet

al order of function 

l order of function  

Weighting factors 

Weighting fact

Weighting factors 

eighting factors of th

ize rating 

igure 6 and 

the  low  a

ations, when

odel,  it mov

eriments, an

oximately 75

captured in s

ndering of m

=0 (b) t=75, a

scription

tion  between rating

of the corridor met

he inner corridor

he outer corridor

den the inner corrid

den the outer corrid

erval of evaluation

terval of evaluation

interval overlap

tween ratings of 1 a

 between ratings of

between ratings of 

of the progression r

tors of the size ratin

of the phase shift ra

he cross correlation

Figure 7  sh

nd  medium

n  the  rigid  s

ved  forward

nd simulation

5 and 60 ms

simulations.

motion  capt

and t=135 m

gs of 1 and 0

hod

dor

dor

nd 0 for progression

f 1 and 0 for size

1 and 0 for phase

rating

g

ating

 method  

ow qualitati

m  speed  cas

seat  started 

d  engaging  t

ns,  the hum

. The rotatio

tured by hig

n

ve 

ses 

to 

he 

an 

ons 

gh‐

IRC-15-69 IRCOBI Conference 2015

- 627 -

Page 7: Biofidelity Evaluation of a Restrained under ... - IRCOBI

sp

 

Figure 7 M

peed video, a

Figure 8 No

00

5

10

15

20

25

Hea

d C

G a

ccel

erat

ions

(g)

00

5

10

15

20

25

Ste

rnum

acc

eler

atio

n (g

)

Motion comp

and bottom 

ormalized re

20 40

20 40

 

 

parison at me

row: motio

esultant acce

60 80 100

Time (ms)

GHB EXP

60 80 100

Time (ms)

GHBM EXPE

Sac

rum

acc

eler

atio

ns (

g)

edium speed

n obtained f

eleration dat

0 120 140

BMCPERIMENT

0 120 140

MCERIMENTS

0 200

5

10

15

20

25

d:  Top row:

from simulat

ta from expe

40 60 80

Time (ms)

Silhouette r

tion at (a) t=

eriments, an

0 20

5

10

15

20

25

T1

acce

lera

tion

(g)

0 20

5

10

15

20

25

T12

acc

ele

ratio

n (

g)

100 120

GHBMC EXPERIMENT

rendering of 

=0 (b) t=75, a

nd simulatio

20 40 60

Tim

20 40 60

Tim

140

f motion cap

and t=135 m

n for low sp

80 100

me (ms)

GHBMC EXPERIME

80 100

me (ms)

GHB EXP

ptured by hig

eed case 

120 140

ENT

120 140

BMCPERIMENT

gh‐

IRC-15-69 IRCOBI Conference 2015

- 628 -

Page 8: Biofidelity Evaluation of a Restrained under ... - IRCOBI

Data Normalization: 

 

The normalized  low, and medium  speed data are presented  in  Figure 8 and  Figure 9.  For  low, and medium 

speed  cases,  experimental  peak  head  CG  accelerations  ranged  from  3  to  9,  and  16  to  27  g,  whereas  the 

simulations showed approximately 10 and 23 g. Normalized experimental T1 accelerations ranged from 6 to 9, 

and  18  to  20  g, whereas  for  simulations  the  accelerations were  9  and  25  g.  For  sternum  the  experimental 

accelerations were between 9 and 20, and 16 and 23 g, although simulations showed 14 and 31 g. Experimental 

T12 accelerations indicated a range from 10 to 13, and 19 to 26 g, whereas simulations indicated 19 and 42 g. 

Finally, for sacrum the experimental accelerations were between 9 and 22, and 20 and 35 g, with simulations 

indicating 12 and 26 g. Also  it  should be noted  that  the PMHS did not  show  stiffness degradation after  low 

speed  tests,  therefore  the  response of  the medium  speed  tests were not affected by  low  speed  tests, more 

information on this can be found in Pintar et al. (2010). 

 

 

Figure 9 Normalized resultant acceleration data from experiments, and simulation for medium speed case 

 

Correlation analyses: 

 

The  results  from  the  correlation analyses are  shown  in Table 3.   For  the  low, and medium  speed  cases,  the 

combined  rating  was  highest  for  the  sacrum,  whereas  the  lowest  rating  was  to  the  head  CG,  and  T12 

0 20 40 60 80 100 120 1400

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Hea

d C

G a

ccel

erat

ion

(g)

Time (ms)

GHBMC EXPERIMENTS

0 20 40 60 80 100 120 1400

5

10

15

20

25

30

35

40

45

T1

acce

lera

tion

(g)

Time (ms)

GHBMC EXPERIMENT

0 20 40 60 80 100 120 1400

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Ste

rnum

acc

eler

atio

n (g

)

Time(ms)

GHBMC EXPERIMENT

0 20 40 60 80 100 120 1400

5

10

15

20

25

30

35

40

45

T12

acc

ele

ratio

n (

g)

Time (ms)

GHBMC EXPERIMENT

0 20 40 60 80 100 120 1400

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Sac

rum

acc

eler

atio

ns (

g)

Time (ms)

GHBMC EXPERIMENT

IRC-15-69 IRCOBI Conference 2015

- 629 -

Page 9: Biofidelity Evaluation of a Restrained under ... - IRCOBI

re

sp

 

Th

its

st

no

du

re

no

ve

in

 

W

re

of

re

m

G

no

ar

di

an

us

an

ou

ac

0.

in

re

 

 K

ho

te

espectively. I

peed increas

 

Table 3 CO

he objective 

s  kinematics

ternum, T12,

odal acceler

ue to variati

esponses, co

odal accelera

erified using 

ntroduce sign

When  the  kin

esponse show

f the PMHS,

espect to the

may have infl

HBMC mode

ot be obtain

rtificial  boun

ifference  in 

nd Figure 13

sed only at t

nd T1 ‐ had m

ut  of  the  co

cceleration d

.6 and 0.8  fo

nitial posture

esponse som

Kinematics  v

owever, Park

ests  and  use

It was intere

ed. 

ORA ratings f

of the prese

s  to  that of 

, and sacrum

ation data  f

ions  in demo

rrelation ana

ations were 

trial problem

nificant error

nematics  be

wed a good 

 and when t

e z‐ axis. The

uenced the 

el was derive

ned during P

ndary  condit

initial postu

3. Head and 

hese two reg

minimum dif

onsidered  8 

data showed

or T1 under 

e  similar  to  t

mewhat impro

alidation  of 

k et al. (2013

ed  CORA  to

sting to obse

or different 

ent study wa

PMHS  sled 

m from eight

rom the GH

ographics. To

alyses were 

obtained by

ms with know

rs in the mod

etween  the 

agreement. 

the shoulder

e GHBMC m

response co

ed using a 2

MHS testing

tions,  and  a

re between 

T1 coordina

gions in the t

fference and

test  cases. 

 ratings of 0

low and me

the  ideal GH

oving biofide

the whole 

3) evaluated 

o  rate  the  g

erve the incr

body regions

IV

s to evaluate

tests, under

t PMHS tests

BMC model.

o quantify th

performed u

y differentiat

w acceleratio

del response

experiment

In experime

r belt  loaded

model also ca

rridors, and 

6‐year‐old (y

g mainly due

availability  o

the PMHS a

ates were co

tests. Figure

 Figure 13 sh

Despite  the

.5 and 0.7 fo

edium speed

HBMC postu

elity ratings. 

body GHBM

the biofidel

good‐of‐fit  [

reasing trend

V. DISCUSSIO

e the biofide

r  frontal  imp

s – four  low

. The experi

he goodness

using CORA m

ting and ope

ons and velo

es. 

s  and  simul

ents, becaus

d the specim

aptured this 

in turn the b

young)  living

e to the age 

of  test  speci

and GHBMC

onsidered  in 

e 12 shows th

hows the cas

ese  variation

or head unde

d  impact res

re may have

 

MC model w

ity of the mo

[15].  Using 

d in average 

ON 

elity of the re

pact. Resulta

, and four m

mental data

s‐of‐fit betw

methodology

erating on co

ocities, there

lations  were

se the seatbe

men,  it rotate

complex mo

biofidelity ra

g subject; ho

of the PMH

mens.  In  or

,  two extrem

this compa

he case in wh

se in which t

ns  in  initial 

er low and m

pectively. Ho

e  resulted  in

as  not  repo

odel using ki

an  impact 

corridor, and

estrained GH

ant  accelerat

medium spee

 were norm

ween the sim

y. It should b

omponent ve

efore, this pr

e  qualitative

elt was anch

ed  in the co

otion. The  in

tings of the 

owever, this 

S, absence o

rder  to  give 

me cases we

rison as retr

hich the post

the postures

posture,  co

medium spee

owever, per

n a mean  cu

rted  in  liter

nematic dat

velocity  of 

d combined 

 

HBMC model

tion data at

eds – were c

malized to mi

mulation, and

be noted tha

elocities. Th

rocess was n

ely  compare

hored to the 

ounter‐clock 

nitial posture

model. The 

kind of  idea

of muscle ac

  a  quantifie

ere presente

ro reflective 

tures – betw

s had maxim

rrelation  an

ed impact res

rforming exp

urve  closer  t

rature  for  fr

ta from  late

4.3  m/s,  th

ratings, as t

l by compari

t head CG, T

compared wi

inimize effec

d experiment

t the resulta

is process w

ot expected 

d,  the  over

left‐hand si

direction wi

e of the PM

posture of t

al posture m

ctivity, forcef

ed  idea  of  t

d  in Figure 

trackers we

ween head Co

um differenc

alyses  for  t

spectively; a

periments wi

to  the mode

ontal  impac

ral impact sl

hey  compar

he 

ng 

T1, 

ith 

cts 

tal 

ant 

was 

to 

rall 

de 

ith 

HS 

he 

ay 

ful 

he 

12 

ere 

oG 

ce, 

he 

nd 

ith 

el’s 

ts; 

ed 

ed 

IRC-15-69 IRCOBI Conference 2015

- 630 -

Page 10: Biofidelity Evaluation of a Restrained under ... - IRCOBI

accelerations  of  the model  at  T1,  T6,  and  pelvis with  experimental  responses,  and  the  CORA  ratings were 

reported as 0.27, 0.37, and 0.68 respectively. However, it is not clear whether the reported CORA ratings were 

using the corridor method or correlation method, or the weighted sum of both the methods.  

 

 Figure 10 Head CoG and T1 posture with minimum difference for (a) low speed, and (b) medium speed 

 Figure 11 Head CoG and T1 posture with maximum difference for (a) low speed, and (b) medium speed 

 

As  indicated  in the methods section,  in the present study, for CORA ratings with the corridor method, 50% of 

the peak mean values were used  to  construct  the outer  corridor. However,  the  ratings – both  corridor, and 

overall rating  ‐ could differ  if the width of the outer corridor  is varied.  In order to observe the difference, the 

ratings were calculated for corridors constructed using 25% of the peak mean values. Figure 12 and Figure 13 

shows  the  comparison  of  corridor,  and  overall  ratings  between  50%,  and  25%  outer  corridors  for  low,  and 

medium  speeds.  In  the  corridor  ratings  the  highest  variations were  observed  in  T12,  in which  the  ratings 

between  50,  and  25  percent  outer  corridors  dropped  by  48,  and  43  percent,  for  low,  and medium  speeds. 

However, due to the contribution from the correlation method, for T12 the overall ratings only dropped by 16, 

and  18  percent,  for  low  and medium  speeds.  Therefore  these  construction  parameters  in  CORA  should  be 

chosen appropriately depending on specific requirements, and applications.  

 

One of  the  limitations of  the present study  is  the usage of a generic seatbelt material property,  instead of a 

characterized material property, used  in the specific experimental sled tests. Considering the high stiffness of 

these  seatbelt materials, using a generic model  should not make a  significant difference, however minimum 

variations could occur in simulation responses. The other limitation is the vertebral bodies of the thoracic, and 

lower  spine were modeled using  rigid body elements, and  the  intervertebral discs were  constructed using a 

beam element surrounded by shell elements. Though these types of constructions may only estimate the real 

world  kinematics, and  kinetics of  the  lower  spine.  In order  to  closely approximate  the motions and  loads, a 

more realistic deformable model is preferred over rigid bodies, hence may further increase the GHBMC model’s 

correlation ratings. 

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250550

600

650

700

750

800

850

900

t=130 ms

Experiment head CG Experiment T1 GHBMC head CG GHBMC T1

-z c

ordi

nate

(m

m)

x coordinate (mm)

t=0

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350300

400

500

600

700

800

900

t=130 ms

Experiment head CG Experiment T1 GHBMC head CG GHBMC T1

-z c

ordi

nate

(m

m)

x corordinate (mm)

t=0

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400550

600

650

700

750

800

850

900 Experiment head CG Experiment T1 GHBMC head CG GHBMC T1

-z c

ordi

nate

(m

m)

x coordinate (mm)

t=130 ms

t=0

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400300

400

500

600

700

800

900

t=0

t=130 ms

Experiment head CG Experiment T1 GHBMC head CG GHBMC T1

-z c

oror

dina

te (

mm

)

x coordinate (mm)

IRC-15-69 IRCOBI Conference 2015

- 631 -

Page 11: Biofidelity Evaluation of a Restrained under ... - IRCOBI

M

M

Theiki0.of 

Th

re

W

M

N

fe

re

 

1.

 

Figure  12 

Medium spee

 

Figure  13 

Medium spee

 

his study evaight  sled  tesnematics be.51 to 0.78, af the model u

he  study wa

esult of work

Wisconsin  an

Model  Conso

ational  Labo

eedback on  t

epresentative

 

.  Lopezand RTraffic

Comparison

ed 

Comparison

ed 

aluated the sts  with  twoetween simuand 0.53 to 0under fronta

as  supported

k supported 

d  the Medic

ortium  for  p

oratory  for p

this manusc

e of the fund

z‐Valdes, F.J.R. Kent, The sc Inj Prev, 20

n  of  corrido

n  of  overall 

biofidelity ofo  different lations and 0.75 for the al impact. 

d by  the US 

with resourc

cal  College 

roviding  the

providing  clu

ript. Any vie

ding organiza

, P.O. Riley, Dsix degrees of014. 15(3): p

r  ratings  be

ratings  bet

V.

f the GHBMCspeeds,  undexperimentslow, and me

VI. A

Department

ces and the u

of Wisconsin

e model  for

uster  resourc

ews expresse

ations.  

V

D.J. Lessley, f freedom m. 294‐301. 

etween  50%

tween  50%, 

. CONCLUSIO

C finite elemder  frontal  is showed a gedium speed

ACKNOWLEDG

t of Transpo

use of facilit

n.  The  auth

r  this  study.

ces. The aut

ed  in this art

VII. REFERENC

K.B. Arbogasmotion of the 

,  and  25%  o

and  25%  o

ONS  

ment model, impact  condgood match. cases, indic

EMENT 

ortation DTN

ies at the Za

ors would  li

  The  autho

thors  thank 

ticle are tho

CES  

st, T. Seacrishuman head

outer  corrid

outer  corrido

using normadition.  Quali. Combined Cating accept

NH22‐13‐D‐0

ablocki VA M

ike  to  thank

rs  would  als

Dr. Rodney 

ose of  the au

t, S. Balasubd, spine, and

dors  for  (a) 

ors  for  (a)  l

alized kinemitative  obserCORA ratingtable kinema

00290. This m

Medical Cente

k  the Global

so  like  to  t

Rudd  from 

uthors and n

bramanian, Md pelvis in a f

low  speed  (

low  speed  (

matic data frorvation  of  tgs ranged froatics biofidel

material  is  t

er, Milwauke

l Human  Bo

hank  Argon

NHTSA  for h

not necessar

M. Maltese, frontal impac

(b) 

(b) 

om he om ity 

he 

ee, 

dy 

ne 

his 

rily 

ct. 

IRC-15-69 IRCOBI Conference 2015

- 632 -

Page 12: Biofidelity Evaluation of a Restrained under ... - IRCOBI

2.  Yoganandan, N., M.W. Arun, D.E. Halloway, F.A. Pintar, D.J. Maiman, A. Szabo, and R.W. Rudd, Crash characteristics and injury patterns of restrained front seat occupants in far‐side impacts. Traffic Inj Prev, 2014. 15 Suppl 1: p. S27‐34. 

3.  Yang, K.H., J. Hu, N.A. White, A.I. King, C.C. Chou, and P. Prasad, Development of numerical models for injury biomechanics research: a review of 50 years of publications in the Stapp Car Crash Conference. Stapp Car Crash J, 2006. 50: p. 429‐90. 

4.  Klinich, K.D., M.P. Reed, M.A. Manary, and N.R. Orton, Development and testing of a more realistic pelvis for the Hybrid III 6‐year‐old ATD. Traffic Inj Prev, 2010. 11(6): p. 606‐12. 

5.  Newby, N., J.T. Somers, E.E. Caldwell, C. Perry, J. Littell, and M. Gernhardt, Assessing biofidelity of the Test Device for Human Occupant Restraint (THOR) against historic human volunteer data. Stapp Car Crash J, 2013. 57: p. 469‐505. 

6.  McHenry, Analysis of the dynamics of automobile passenger restraint system, in Proc of 7th Stapp Car Crash Conference. 1963. p. 207‐249. 

7.  Schinkel‐Ivy, A., W.J. Altenhof, and D.M. Andrews, Validation of a full body finite element model (THUMS) for running‐type impacts to the lower extremity. Comput Methods Biomech Biomed Engin, 2014. 17(2): p. 137‐48. 

8.  Sun, J., A. Rojas, P. Bertrand, Y. Petit, R. Kraenzler, and P.J. Arnoux, Investigation of motorcyclist cervical spine trauma using HUMOS model. Traffic Inj Prev, 2012. 13(5): p. 519‐28. 

9.  Bathe, K.‐J., Finite element procedures. 1996, London: Prentice Hall. 10.  Hallquist, J.O., LS‐Dyna theory manual. 2006: Livermore software technology corporation. 11.  Yoganandan, N., M.W. Arun, and F.A. Pintar, Normalizing and scaling of data to derive human response 

corridors from impact tests. J Biomech, 2014. 47(8): p. 1749‐56. 12.  Eppinger, R.H. Prediction of thoracic injury using measurable experimental parameters. in Proceedings 

of the International Conference of Experimental Safety Vehicles, NHTSA, Washington, DC. 1976. 13.  Mertz, H.J., A procedure for normalizing impact response data. 1984, SAE Technical Paper. 14.  Moorhouse, K. An improved normalization methodology for developing mean human response curves. in 

Proceedings of the International Conference of Enhanced Safety of Vehicles, Seoul, Korea, Paper. 2013. 

15.  Park, G., T. Kim, J.R. Crandall, C. Arregui‐Dalmases, and J. Luzon‐Narro, Comparison of Kinematics of 

GHBMC to PMHS on the Side Impact Condition, in IRCOBI. 2013: Gothenburg. 16.  Hayes, A.R., N.A. Vavalle, D.P. Moreno, J.D. Stitzel, and F.S. Gayzik, Validation of simulated chestband 

data in frontal and lateral loading using a human body finite element model. Traffic Inj Prev, 2014. 15(2): p. 181‐6. 

17.  Vavalle, N.A., M.L. Davis, J.D. Stitzel, and F.S. Gayzik, Quantitative Validation of a Human Body Finite Element Model Using Rigid Body Impacts. Ann Biomed Eng, 2015. 

18.  Pintar, F.A., N. Yoganandan, and D.J. Maiman, Lower cervical spine loading in frontal sled tests using inverse dynamics: potential applications for lower neck injury criteria. Stapp Car Crash J, 2010. 54: p. 133‐66. 

19.  Gehre, C., H. Gades, and P. Wernicke. Objective rating of signals using test and simulation responses. in 21st International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, Stuttgart, Germany. 2009. 

IRC-15-69 IRCOBI Conference 2015

- 633 -