Effect of pediatric growth on cervical spine kinematics and deformations in automotive crashes
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J Biomech. 2018 Feb 8. pii: S0021-9290(18)30075-7. doi: 10.1016/j.jbiomech.2018.01.038. [Epub ahead of print]
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Abstract
Finite element (FE) models are a powerful tool that can be used to understand injury mechanisms and develop better safety systems. This study aims to extend the understanding of pediatric spine biomechanics, where there is a paucity of studies available. A newly developed and continuously scalable FE model was validated and scaled to 1.5-, 3-, 6-, 10-, 14- and 18-year-old using a non-linear scaling technique, accounting for local topological changes. The oldest and youngest ages were also scaled using homogeneous geometric scaling. To study the effect of pediatric spinal growth on head kinematics and intervertebral disc strain, the models were exerted to 3.5 g acceleration pulse at the T1 vertebra to simulate frontal, rear and side impacts. It was shown that the head rotation increases with age, but is over predicted when geometrically scaling down from 18- to 1.5-year-old and under predicted when geometrically scaling up from 1.5- to 18-year-old. The strain in the disc, however, showed a clear decrease with age in side impact and for the upper cervical spine in rear impact, indicating a higher susceptibility for neck injury at younger ages. In the frontal impact, no clear age dependence could be seen, suggesting a large contribution from changed facet joint angles, and lower levels of strain, suggesting a lower risk of injury. The results also highlight the benefit of rearward facing children in a seat limiting head lateral motion.
KEYWORDS:
Automotive crash; Cervical spine; Finite element model; Injury risk; Pediatric growth
Resumen
Los modelos de elementos finitos (FE) son una herramienta poderosa que se puede utilizar para comprender los mecanismos de lesiones y desarrollar mejores sistemas de seguridad. Este estudio tiene como objetivo ampliar la comprensión de la biomecánica de la columna pediátrica, donde hay una escasez de estudios disponibles. Un modelo FE recientemente desarrollado y continuamente escalable fue validado y escalado a 1,5, 3, 6, 10, 14 y 18 años de edad utilizando una técnica de escalado no lineal, teniendo en cuenta los cambios topológicos locales. Las edades más antiguas y más jóvenes también se escalaron utilizando escalas geométricas homogéneas. Para estudiar el efecto del crecimiento espinal pediátrico en la cinemática de la cabeza y la distensión del disco intervertebral, los modelos se ejercieron en 3,5 g de pulso de aceleración en la vértebra T1 para simular impactos frontales, posteriores y laterales. Se demostró que la rotación de la cabeza aumenta con la edad, pero se predijo en exceso cuando se redujo geométricamente de 18 a 1,5 años de edad y por debajo de lo previsto al escalar geométricamente de 1.5 a 18 años de edad. La tensión en el disco, sin embargo, mostró una clara disminución con la edad en el impacto lateral y para la columna cervical superior en el impacto posterior, lo que indica una mayor susceptibilidad a la lesión en el cuello a edades más tempranas. En el impacto frontal, no se observó una clara dependencia de la edad, lo que sugiere una gran contribución de los cambios en los ángulos de las articulaciones facetarias y menores niveles de tensión, lo que sugiere un menor riesgo de lesión. Los resultados también resaltan el beneficio de los niños que miran hacia atrás en un asiento que limita el movimiento lateral de la cabeza.
PALABRAS CLAVE:
Accidente automovilístico; Columna cervical; Modelo de elementos finitos; Riesgo de lesión; Crecimiento pediátrico
PMID: 29456172 DOI: 10.1016/j.jbiomech.2018.01.038
