Experimentelle Bestimmung biomechanischer Belastungen bei Skifahrer-Kollisionen

Problemstellung: Jährlich verunfallen auf den Schweizer Pisten rund 70.000 Personen. Mit hohen Fahrgeschwindigkeiten steigt das Risiko, bei einem Sturz oder einer Kollision schwere Kopf- Rücken-, oder Knieverletzungen zu erleiden. Zum Verständnis der Verletzungsmechanismen und zur Entwicklung geeigneter Präventionsmaßnahmen, ist die Kenntnis der biomechanischen Belastungswerte erforderlich. Die Erhebung solcher Daten ist jedoch schwierig.
Methode: In einer Versuchsreihe wurden Skifahrer-Skifahrer-Kollisionen experimentell untersucht. Durch die Verwendung von Crashtest-Dummys war es möglich, das Belastungsausmaß verschiedener Körperregionen zu messen. Aus den Messungen wurden Verletzungskriterien bestimmt, die eine Aussage über das Verletzungsrisiko erlauben. Die Studie konzentriert sich auf schwere Verletzungen (entsprechend AIS2+). Die Experimente wurden bei Kollisionsgeschwindigkeiten von jeweils 30 oder 50 km/h gegen einen stehenden Dummy durchgeführt.
Ergebnisse und Diskussion: Der Versuchsaufbau war geeignet, um in reproduzierbarer Weise die Belastungen, die bei einer Skifahrer-Skifahrer-Kollision entstehen, zu messen. Es konnte gezeigt werden, dass bereits bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 30 km/h trotz Tragen eines Helms ein erhebliches Verletzungsrisiko für Kopfverletzungen besteht. Während bei dieser Kollisionsgeschwindigkeit vor allem der Primäranprall für den angefahrenen Skifahrer zu hohen Belastungen führt, nimmt die Bedeutung des Sekundäranpralls am Boden bei höheren Geschwindigkeiten zu. Die gemessenen Belastungen an Kopf, Hals, Thorax und Becken können als Grundlage zur Entwicklung von Maßnahmen zur Verletzungsprävention verwendet werden.

Schlüsselwörter: Trauma-Biomechanik, Skifahren, Unfall

Background: Approximately 70’000 people sustain injury in accidents on Swiss slopes every year. High velocity of skiers and snowboarders increases the risk of severe injury of the head, back or knee in case of a fall or collision. To develop effective measures to prevent such injury, an understanding of the underlying injury mechanisms is mandatory. However, determining the necessary biomechanical data is difficult.
Method: Collisions between two skiers were investigated experimentally. Crash test dummies were used to mimic a collision and to determine the biomechanical loading of different body regions during impact. Based on those recordings, injury criteria were calculated to estimate the injury risk of AIS 2+ injuries. The experiments were performed at 30 and 50 km/h.
Results and discussion: The experimental set-up and the methodology chosen were suitable to measure the biomechanical loading of the dummy. The results indicate that a collision at 30 km/h can result in a significant head injury risk even if a helmet is worn. While at 30 km/h the primary impact causes the highest loading, the importance of the secondary impact (i.e. the impact on the ground) increases at higher collision speed. The data established in this study are an important basis for the development of effective prevention strategies.

Key Words: trauma biomechanics, skiing, accident

Schneesport ist in der Schweiz sehr beliebt. Rund ein Drittel der Bevölkerung geben an, Ski alpin oder Snowboard zu fahren (1). Jährlich verletzen sich auf Schweizer Skipisten rund 70.000 Personen (2). Es besteht daher ein Interesse, das Verletzungsrisiko dieser Sportarten, insbesondere in Bezug auf schwere Verletzungen, zu reduzieren. Um geeignete Präventionsmaßnahmen ergreifen zu können, ist die Abklärung des biomechanischen Hintergrunds nötig. Können die bei einem Unfallereignis zu erwartenden Belastungen abgeschätzt werden, ist es möglich entsprechende Maßnahmen zur Prävention vorzuschlagen bzw. deren Potential abzuschätzen. Hierzu gehört einerseits die statistische Auswertung des Unfallgeschehens (z.B. 11), aber auch die Beurteilung bereits forcierter Präventionsmaßnahmen. Bisherige Studien untersuchen die Effektivität von Präventionsmaßnahmen, beispielsweise den Einfluss eines Helmes auf das Kopfverletzungsrisiko, meist durch retrospektive Studien (z.B. 7, 8, 14, 16). Zudem finden sich Studien wie diejenige von Shealy et al. (15), die die Randbedingungen wie beispielsweise die Fahrgeschwindigkeit bei Skifahren bestimmen. Wenngleich diese Studien wichtige Beiträge zur Beschreibung des Verletzungsrisikos, der Unfallszenarien und verschiedener Randbedingungen liefern, so bleibt der biomechanische Hintergrund doch weitgehend unbekannt.
Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden Experimente zur Bestimmung der biomechanischen Belastungen bei Skifahrer-Skifahrer-Kollisionen durchgeführt. Hierzu wurden Kollisionen bei verschiedenen Randbedingungen mit vollinstrumentierten Crashtestdummys nachgestellt und die biomechanischen Belastungen einzelner Körperregionen gemessen.

Um die bei einer Skifahrer-Skifahrer-Kollision auftretenden Belastungen zu bestimmen, wurden Experimente durchgeführt, die einen Anprall in einem Winkel von 90° darstellten. Als Testobjekte wurden zwei Crashtest-Dummys (50% Hybrid II, First Technology Safety Systems), wie sie in der Automobilindustrie für FußgängerTests eingesetzt werden, verwendet. In allen Experimenten prallte ein Dummy auf die linke Seite eines stehenden Dummys. Die gewählte Kollisionskonstellation entspricht einer Situation, die beim Skifahren erwartet werden kann. An Pistenkreuzungen bzw. an Einmüdungen oder Zusammenführungen zweier Skipisten ist ein seitlicher Anprall eines Skifahrenden auf einen anderen ebenso vorstellbar wie bei Kollision zweier Skifahrer auf der gleichen Piste.
Die Umgebung des Aufprallortes wurde mit Trittschallschaummatten und einem Novilon-Bodenbelag ausgelegt. Es wurde angenommen, dass dieser Belag eine ähnliche Beschaffenheit wie eine hart präparierte Skipiste aufweist.
Beide Dummys waren mit Skianzügen und einem Schneesporthelm bekleidet. Ferner trugen beide Dummys eine aktuelle Skiausrüstung bestehend aus Carving-Skiern mit geeigneten Bindungen, Skischuhen und Skistöcken. Die Skibindungen wurden auf das Gewicht der Dummys eingestellt.
Die Position der beiden Dummys ist aus Abb. 1 ersichtlich. Die Positionen wurden dreidimensional vermessen, so dass es möglich war, alle Experimente mit den gleichen Positionen durchzuführen.
Beide Dummys waren mit folgenden Sensoren instrumentiert (Koordinatensysteme der Ausrichtung gemäß Standard SAE J211): dreiachsiger Kraft- und Momentensensor im Hals, Potentiometer zur Messung der Brusteindrückung, dreiachsige Beschleunigungssensoren an Kopf, Brust und Becken. Beim stehenden Dummy wurde eine am Boden hinter dem Dummy positionierte Datenerfassungsanlage verwendet (Aufnahmefrequenz 5kHz), der fahrende Dummy trug einen Rucksack, in dem die Messtechnik untergebracht war (Aufnahmefrequenz 20kHz). Der Rucksack hatte ein Gewicht von 3 kg und war somit vergleichsweise leicht. Delorme et al. verwendeten in Freiwilligenversuchen beispielsweise einen ähnlich Messeinrichtung, die 11 kg wog und somit einen größeren Einfluss auf die Bewegung der Versuchspersonen hatte. Alle Messsignale wurden nach den Vorgaben des Standards SAE J211 gefiltert.

Die kontrollierte Bewegung des fahrenden Dummys wurde durch Verwendung eines Beschleunigungsschlittens erreicht. Hierzu wurde der Dummy auf dem Schlitten positioniert, der Schlitten auf die gewünschte Geschwindigkeit gebracht und an einem vorgegebenen Bremspunkt abrupt angehalten. Der bewegte Dummy löste sich dadurch vom Schlitten und rutschte auf den stehenden Dummy. Bei Erreichen des Bremspunktes überfuhr der Schlitten einen Auslöser, durch den sämtliche Messungen gestartet wurden. Derart wurden alle aufgenommenen Daten zeitlich synchronisiert.
Zur Filmdokumentation der Experimente kamen drei stationäre digitale Hochgeschwindigkeitskameras (Aufnahmefrequenz 1000 Bilder pro Sekunde) zum Einsatz. Es wurde je eine Kamera rechts und links des stehenden Dummy positioniert. Zusätzlich wurde die Kollisionsstelle in einer Draufsicht gefilmt.
Es wurden insgesamt drei Experimente durchgeführt. Zwei Versuche mit einer Anprallgeschwindigkeit des fahrenden Dummys von 30 km/h, sowie ein Experiment mit einer Geschwindigkeit von 50 km/h.
Zur Auswertung wurden die Messkurven und insbesondere deren Maximalwerte analysiert. Zudem wurden bekannte Schutzkriterien berechnet und mit entsprechenden Grenzwerten verglichen. Bei der Festlegung der Grenzwerte wurde auf schwere Verletzungen gemäß der Klassifizierung der „Abbreviated Injury Scale“ AIS2+ abgestellt. Tab. 1 fasst die ausgewerteten trauma-bio- mechanischen Schutzkriterien zusammen. Eine ausführlichere Zusammenfassung dazu findet sich beispielsweise in Schmitt et al. (13). Des Weiteren wurden die Filmaufnahmen ausgewertet, um die Bewegungsabläufe charakterisieren zu können.

Die Messergebnisse der Experimente sind in Tab. 2 zusammengefasst. Ferner zeigt Abb. 2 eine der gemessenen Kopfbeschleunigungen im Verlauf. Es ist zu beachten, dass die Dummys während der Kollision mehrfach belastet wurden. Die Belastungen durch den Primäranprall, bei dem der bewegte Dummy auf den stehenden traf, waren deutlich von den Belastungen des Sekundäranpralls, also den Belastungen, die durch den Anprall auf den Boden entstanden, zu unterscheiden.

Die Filmauswertung zeigte, dass bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 30 km/h der anfangs bewegte Dummy mit seinem Kopf an die linke Schulter des stehenden Dummys prallte. Bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 50 km/h erfolgte hingegen ein Kopf-anKopf-Anprall. Dieser Unterschied in der Kinematik ist durch den Versuchsaufbau zu erklären. Da der Beschleunigungsschlitten immer am gleichen Punkt angehalten wurde, und der stehende Dummy immer an der gleichen Position stand, stand dem bewegten Dummy zum Zurücklegen der Strecke bis zum Anprall beim 30 km/h-Crash mehr Zeit zur Verfügung. Bedingt durch die Schwerkraft sank der bewegte Dummy daher etwas in sich zusammen, und der Kopf prallte an eine tiefer liegende Struktur des stehenden Dummys.
Erfolgte ein Kopf-zu-Kopf-Anprall, so konnte eine erhebliche Rotation des Kopfes des stehenden Dummys beobachtet werden (Abb. 3). Die resultierende translatorische Beschleunigung des Primäranpralls setzte sich in diesem Fall erwartungsgemäß hauptsächlich aus der lateralen Komponente zusammen.
Der Bewegungsablauf der Kollisionen war reproduzierbar. Der linksseitig getroffene Dummy drehte sich im Uhrzeigersinn, die Bindungen lösten aus und er stürzte schließlich in Bauchlage auf den Untergrund. Hierbei konnte beobachtet werden, dass die Rotation des Dummys vor allem einsetzte, als dieser bereits mit den unteren Extremitäten den Boden berührt hatte. Der Oberkörper rotierte um die Hüfte, bis der Kopfanprall am Boden erfolgte. Die Bewegung der Beine deutete vor allem auf eine Belastung der lateralen Bänder des Kniegelenks hin.
Der Oberkörper des anfangs bewegten Dummys wurde durch den Anprall verzögert, während sich die Beine weiter in die ursprüngliche Bewegungsrichtung bewegten. Der Dummy geriet dadurch in Rückenlage, die Knie knickten ein und er fiel rückwärts auf den Boden. Abb. 4 zeigt die Endlage nach einem Anprall mit 30 km/h. Bezüglich der Bewegung der Beine zeigte die qualitative Analyse der Videos, dass eine Flexion und Aussenrotation der Kniegelenke auftritt, die eine Verletzung der Bandstrukturen erwarten lässt.
Wie Tab. 2 zu entnehmen ist, wurden bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 30km/h für den bewegten Dummy ausschließlich beim Primäranprall maximale Belastungswerte registriert, während die maximalen Belastungswerte des stehenden Dummy beim Sekundäranprall entstanden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der bewegte Dummy bei diesen Experimenten keinen harten Sekundäranprall erfuhr, da er auf den stehenden Dummy zum Liegen kam. Der stehende Dummy stürzte hingegen hart auf den Untergrund. Bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 50 km/h konnte eine solche Aufteilung für den stehenden Dummy nicht mehr beobachtet werden. Hier wurden die maximalen Belastungen teilweise auch beim Sekundäranprall registriert.

Die biomechanischen Kriterien für schwere Verletzungen wurden bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 30 km/h beim stehenden Dummy hinsichtlich der Kopfbeschleunigung deutlich und bezüglich der axialen Halskraft knapp überschritten. Beim bewegten Dummy wurde ebenfalls eine Kopfbeschleunigung gemessen, die über dem bei Fahrzeug-Kollisionen geltenden Grenzwert von 80 g lag. Bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 50 km/h wurden für den bewegten Dummy neben Kopf- und Halsbelastungen auch im Thorax und Becken Beschleunigungen gemessen, die über den Grenzwerten liegen, und die alle beim Sekundäranprall entstanden.
Die Messergebnisse und Endlagen der Experimente bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 30 km/h dokumentieren eine akzeptable Reproduzierbarkeit der Versuchsdurchführung. Auf den ersten Blick erstaunt die Tatsache, dass einzelne Messwerte im Versuch mit 50 km/h deutlich niedriger lagen als bei den Versuchen mit 30 km/h. Aus der Filmauswertung können diese Diskrepanzen mit im Detail unterschiedlichen Anprall- und Verletzungsmechanismen erklärt werden, z.B. der bereits erwähnten Tatsache, dass der bewegte Dummy beim Versuch mit 50 km/h mit dem Oberkörper, bei den Versuchen mit 30 km/h hingegen mit dem Kopf an die Schulter des stehenden Dummys prallte.

Im Rahmen dieser Studie konnte gezeigt werden, dass es mit der aus dem Bereich der Fahrzeugsicherheit übernommenen Methodik möglich ist, in reproduzierbarer Weise Skifahrer-Kollisionen zu simulieren. Die eingesetzte Messtechnik entspricht dem heutigen Stand der Technik und war geeignet, biomechanische Belastungen an beiden Dummys während des Kollisionsereignisses zu bestimmen. Die mobile, in einem Rucksack untergebrachte, Datenaufnahmeeinheit beim bewegten Dummy hat sich bewährt. Zwar kann das Tragen eines Rucksacks auch bei Skisportlern beobachtet werden, unklar ist jedoch, wie stark die Kinematik des bewegten Dummys, insbesondere das Fallen in Rückenlage, durch das Gewicht des Rucksacks beeinflusst wird. Da der Rucksack hier nur ein kleines Gewicht aufwies, wird der Einfluss als entsprechend gering eingestuft.
Eine weitere Limitation des Versuchsaufbaus kann in der vorgegebenen Situation gesehen werden. Diese wurde frei gewählt. Während es für die Anprallgeschwindigkeiten entsprechende Hinweise in der Literatur gibt, ist auf der Piste von einer Vielzahl von verschiedenen Anprallsituationen auszugehen. Die hier gewählte Situation entspricht somit nur einer möglichen Konstellation. Die Verallgemeinerung der Resultate wird dadurch eingeschränkt. Zudem ist zu beachten, dass auch ein Crashtest-Dummy gewisse Einschränkungen hinsichtlich Biofidelität ausweist (vgl. z.B. 13). Während die anthropometrischen Gegebenheiten (z.B. Masse und Trägheitsmomente einzelner Körperteile) gut abgebildet werden können, fehlen dem Dummy Möglichkeiten zur potentiellen Interaktion während des Sturzes, da Faktoren, die das Sturzverhalten beeinflussen können (z.B. Koordination, Muskelreaktion), nicht repräsentiert werden. Demnach stehen bei der Auswertung der Versuche hier auch die physikalischen Messgrössen zur Charakterisierung der Belastungen im Vordergrund, während keine Aussagen über den zeitlichen Verlauf der Belastungen bzw. das Sturzmuster gemacht werden. Ferner ist zu berücksichtigen, dass Dummys von der Konstruktion und den Messmöglichkeiten her nicht geeignet sind, die bei den hier diskutierten Versuchen vermuteten Verletzungsrisiken der Knie näher zu quantifizieren, wenngleich eine qualitative Analyse möglich ist.
Nichtsdestotrotz konnte gezeigt werden, dass Kollisionen zwischen Skifahrern bei einer Anprallgeschwindigkeit von 30 km/h bereits ein hohes Verletzungspotential aufweisen. Derzeit in Normen der Automobilsicherheit festgelegte Kriterien werden bei diesen Belastungen überschritten. Schwerpunktmäßig ist mit Kopfverletzungen zu rechnen. Auch sind bei gewissen Konfigurationen Verletzungen des Halswirbelsäulenbereichs nicht unwahrscheinlich. Das Verletzungsrisiko bezüglich Thorax- und Beckenverletzungen ist hingegen geringer und nur bei hohen Aufprallgeschwindigkeiten relevant. Diese Interpretation der Messergebnisse wird durch verschiedene in der Literatur beschriebene Statistiken gestützt (z.B. 2). Die qualitative Auswertung der Videosequenzen lässt ausserdem auf komplexe Verletzungen der Bänder des Kniegelenks schließen, wie dies schon seit langem in der Literatur beschrieben wird (z.B. 12). Die Messergebnisse erscheinen somit grundsätzlich plausibel, zudem erlauben sie eine quantitative Einschätzung der auftretenden Belastungen. Letztere ist wichtig, um einerseits Verletzungsmechanismen verstehen zu können und um andererseits effektive Prävention betreiben zu können. Zur Wahl geeigneter Präventionsmaßnahmen ist es nötig, aufzeigen zu können, um welchen Betrag Belastungen reduziert werden müssen, um das Verletzungsrisiko bzw. die Verletzungsschwere zu reduzieren. Hierzu leisten die durchgeführten Experimente einen Beitrag, wenngleich die Ergebnisse aufgrund der geringen Anzahl an Versuchen noch nicht als abschließend betrachtet werden können. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die verwendete Methodik geeignet scheint, solche Fragestellungen zu untersuchen.
Da die Dummys bei allen Experimenten mit Helmen ausgerüstet wurden, kann kein direkter Vergleich zu einem Anprall ohne Helm gezogen werden. Prinzipiell ist jedoch mit einer Reduktion der maximalen, translatorischen Kopfbeschleunigung und der damit assoziierten Verletzungskriterien zu rechnen. Die Rotation des Kopfes wird durch den Helm jedoch nicht bzw. nur gering beeinflusst und kann – wie hier gezeigt – erheblich sein. Somit wären Verletzungen, die durch eine Rotationsbeschleungiung verursacht werden können, nicht überraschend.
Des Weiteren haben die Experimente gezeigt, dass vom Sekundäraufprall ein nicht zu unterschätzendes Verletzungsrisiko ausgeht; dieses kann in Abhängigkeit von der Kollisionsgeschwindigkeit höher als beim Primäraufprall sein. Beispiele hierfür wären die Oberkörperrotation des anfangs stehenden Dummys, die eine hohe Kopfbeschleunigung aufbaute ehe dieser am Boden anprallte, wie auch die völlige Flexion der Knie des fahrenden Dummys, welche Verletzungen der Bänder erwarten lässt. Während die Risiken für Knieverletzungen plausibel erscheinen, wäre zu diskutieren, ob die Intensität des Kopfanpralles am Boden nicht durch ein aktives Abstützen mit den Armen reduziert würde. Der zeitliche Abstand zwischen Primär- und Sekundärkollision bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 30 km/h beträgt nur ca. 500 ms (Abb. 2). Inwieweit ein Skifahrer in dieser Situation auf einen Sturz reagieren kann muss offen gelassen werden. Somit sind die hier präsentierten Ergebnisse als ungünstigster Fall mit maximalem Verletzungsrisiko zu betrachten. In diesem – ungünstigsten Fall wäre das Risiko, eine schwere Kopfverletzung beim Anprall auf den Boden zu erleiden, sowohl bei 30 km/h als auch bei 50 km/h erheblich. Die bei den Versuchen gewählte Unterlage (Novilon plus vier Lagen TrittschallDämmmatte) entspricht einer harten Schneeoberfläche; selbstverständlich geht von weicherem Schnee ein geringeres Verletzungsrisiko aus, andererseits sind auch noch gefährlichere Situationen (Steine etc.) denkbar, bei welchen ein Helm ein großes Schutzpotential aufweist.
Die für einzelne Körperteile niedrigeren Belastungswerte bei höheren Kollisionsgeschwindigkeiten lassen darauf schließen, dass nicht nur die Kollisionsgeschwindigkeit, sondern auch andere, mehr oder weniger unkontrollierbare Faktoren wie die genauen Anprallstellen oder letztendlich auch die Beschaffenheit des Schnees eine nicht unbeträchtliche Rolle spielen können. Maßnahmen zur Verletzungsreduktion sollten demnach nicht nur auf eine Reduktion der Geschwindigkeit (welche grundsätzlich immer eine Reduktion des Verletzungsrisikos bewirkt, wenn alle anderen Umstände genau gleich bleiben), sondern auch auf eine Vermeidung von Kollisionen hinwirken.
Zusammenfassend konnten in dieser experimentellen Studie biomechanische Belastungen bei Skifahrer-Skifahrer-Kollisionen ermittelt werden, die als Anhaltspunkte für zukünftige Forschung sowie für die Entwicklung von geeigneten Maßnahmen zur Verletzungsprävention dienen können. Ferner können die erhobenen Daten zum Abschätzen eines Verletzungsrisikos, beispielsweise im Zuge von Gutachten, relevant sein. Angesichts der zunehmenden Anzahl von juristischen Auseinandersetzungen nach Kollisionen im Schneesport müssten allerdings noch weitere Kollisionskonfigurationen simuliert werden, um zuverlässigeres Referenzmaterial zu erhalten.

Die Studie wurde von der Schweizerischen Unfallversicherungsanstalt Suva initiiert und finanziert. Die Durchführung der Experimente erfolgte am Dynamic Test Center (DTC) in Vauffelin.

Angaben zu finanziellen Interessen und Beziehungen, wie Patente, Honorare oder Unterstützung durch Firmen: Keine.