Bicycle accidents are not uncommon in Belgium, where cycling always has been popular. Compared to the total number of road traffic injuries in Belgium in 2007, injured cyclists comprised 12% of all road traffic victims and bicycle accidents ranked fourth on the top list of road traffic fatalities in Belgium (8.2% of all fatalities), after car accidents (51% of all fatalities), motorcycle accidents (12.74% of all fatalities) and pedestrian accidents (9.66% of all fatalities). These numbers are high, compared to only1.7% of all road traffic deaths in the United States in 2007 or 4.6% of all road traffic casualties in the United Kingdom in 2006.
Victims of bicycle accidents are prone to head injury, which is the cause of death in 69–93% of fatal bicycle accidents. Head injury is a real burden for society and requires not only optimal neurosurgical care, but also prevention to reduce this burden as much as possible. Therefore, many studies have been conducted to understand the mechanisms of injury, to develop tolerance criteria and to provide fundamental data for mathematical analogues such as the finite element model, in order to improve preventive measures such as the bicycle helmet.
In Belgium, the multidisciplinary ‘Bicycle Helmet research group’ of the Katholieke Universiteit Leuven, with funding by the FWO-Levenslijn grant of the Levenslijn-Kinderfonds governed by the King Baudouin Foundation, undertakes research into craniocerebral trauma caused by bicycle accidents in order to improve existing bicycle helmets. This task force showed that existing bicycle helmets do not provide optimal protection under impact conditions and can be optimised by means of a better understanding of the specific biomechanical processes underlying head injuries sustained in bicycle accidents.
The presented research has been conducted within this framework, aiming at 1)the definition of biomechanical characteristics of craniocerebral trauma typically occurring in paediatric bicycle accidents, 2)the definition of the correct anatomical representation and material characteristics of a child’s skull and 3)the definition of criteria to improve existing bicycle helmets.
In a first phase of the current work we defined which craniocerebral traumata typically occurred in paediatric bicycle accidents in Flanders, Belgium, by analysing the bicycle related head trauma data in the PENTA (PaEdiatric Network around TraumA) registry, which was a newly created population-based data registry on trauma of Flemish children. This showed that the whole spectrum of possibly lethal head injury occurs in bicycle crashes even without motor vehicle involvement. Most of these solitary bicycle crashes are low-energetic, therefore probably some of the sustained head injuries could be prevented by wearing a bicycle helmet. From this study we concluded that a ‘good’ bicycle helmet should effectively protect against skull fracture and epidural haematoma, brain contusion and subdural haematoma.
Subsequently, in a second phase of this work, we defined the biomechanical processes underlying these lesions, in order to improve current bicycle helmet designs.
The first lesion we studied was frontal skull fracture upon impact. We studied criteria for its occurrence with particular interest in a possible energy criterion, by performing impact tests on specimen from 19 unembalmed post mortem human subjects. The results of this study suggest the existence of a failure energy level in the range of 22-24 J for dynamic frontal loading of an intact unembalmed head, being able to move with one degree of freedom.
Secondly, we tried to unravel the biomechanical processes of acute subdural hematoma due to bridging vein rupture upon impact. Therefore we studied bridging vein rupture, trying to define criteria for its occurrence, related to the critical amount of force, displacement, stress and strain a bridging vein could resist. We performed tensile failure testing of 37 SSS-BV units from 9 unembalmed post mortem human subjects. This study – the first to provide biomechanical data on the SSS-BV unit - showed that the biomechanical response of the SSS-BV unit was stiffer than reported biomechanical behaviour of bridging vein, pointing towards the importance of this SSS-BV junction in the biomechanical characteristics of bridging vein rupture and ASDH. This study provided some support for the existence of a critical elongation/stretch criterion for the occurrence of ASDH due to BV rupture, with 5 mm elongation or 25% stretch limit.
Finally, we studied the frequently occurring fronto-temporal brain contusions at the inferior side of the temporal and frontal lobes and so-called ‘contre-coup’ contusions on the anterior aspect of the frontal lobes and temporal poles of the brain. More specifically, we wanted to investigate the pathogenetic involvement of the skull base vibration upon impact. Therefore we determined the vibration response upon impact by performing an experimental modal analysis of four defleshed human skulls. Using finite element modal analysis, we showed that this vibration is not homogenous and the vibration of the frontal skull base and the temporal skull bone gives rise to the largest absolute bony displacement at these sites, independent of the site of impact. Based on these findings, we hypothesize that at the moment that the brain will show some translation and rotation anteriorly, becoming compressed against the frontotemporal skull base, the fronto-temporal skull base will be vibrating. This could cause repetitive additional compression of the brain tissue at high frequency, leading to contusions. This hypothesis, however, has to be confirmed by performing the same tests on intact cadaver specimen, as we can assume that the modal behaviour of an intact cadaver head will be different from that of an empty skull, due to different head mass, presence of skin and intracranial contents and the connection to the body.
The second goal of this dissertation was to aid in the development of a finite element model of a child’s head by defining the correct anatomical representation of a child’s skull, as well as the correct bone density and elasticity modulus of children’s skull bone.
The correct anatomical representation and the bone density of a child’s skull was investigated by developing a normative CT-based database, in which several 2D and 3D measurements, as well as bone thickness, bone density and fontanel dimensions were examined. This study is the first to provide normative data on 2D and 3D measurements, skull bone thickness and skull bone density for children aged between 0 and 20 years. These data can help to tailor a finite element model of the skull to a child’s skull of a certain age, what allows for the development and design of age-specific protective measures, such as a bicycle helmet for children. Besides the dimensional data, such a finite element should also use an age-specific skull bone elasticity modulus. These age-specific moduli should be measured in a nondestructive manner, allowing for testing in vivo and regardless of age. Therefore, we developed a testing protocol based on experimental modal analysis and finite element modal analysis. This pilot study showed that cranial bone elasticity modulus is indeed evolving with age and the developed protocol will be used in the future to derive the appropriate elasticity moduli.
The final goal of this dissertation was to provide criteria for improving existing bicycle helmets. Therefore we applied our biomechanical findings with regard to the optimisation of current existing bicycle helmets. Basically, a helmet needs to protect against frontal skull fracture, bridging vein rupture and frontotemporal contusions. To protect against frontal skull fracture, it should dissipate the impact energy in its structures and lower the eventual energy input into the frontal skull bone below the limit of 22-24 J. This means that the helmet liner should be able to dissipate roughly 75 J within its structure, when the helmeted head is struck frontally. In addition, it has already been shown (168) that lowering the temporal rim of current helmet designs with 2-3 cm is critical to better cover and protect the very vulnerable temple region of the head from fracture.
To protect against bridging vein rupture, a helmet should protect against rotational acceleration of the head upon impact. The results of our bridging vein study can be used to optimize FEMs of the head, allowing exploring the rotational acceleration limits that will cause the bridging veins to be stretched to their shown limit of 25 % stretch. Within the bicycle helmet group, it was found that anisotropic helmet liners will lower the rotational acceleration of the head upon impact. As a result, the use of anisotropic materials in helmets aiming to reduce rotational acceleration of the head, is protected by the K.U.Leuven bicycle helmet group patent ‘Protective helmet’ with reference number BE 2005/000115.
If our vibration hypothesis regarding fronto-temporal contusions will be validated in future research, we can advise that a bicycle helmet should not only block direct impact on the head to prevent fracture contusions or coup contusions, it should also try to alter or dampen the frequency load of the impact in order to avoid noxious resonant frequencies and prevent fronto-temporal contusions.
Finally, we tried to define age-groups based on the normative database and give some directives to adapt a bicycle helmet to those age-groups, also taking into consideration the general development of the motor skills of the child, as well as the changing body composition of the child. Based on this, we can extract three age-groups for which separate bicycle helmets should be designed: infants up to age of 5, children and young adolescents aged 6-13 y.o. and adolescents of 14y.o. up to adults.
Although this dissertation contains a lot of new and useful data on the biomechanics of head lesions that facilitates the development of better protective head gear, still, additional future research is needed in order to better understand the biomechanical processes underlying head lesions.
In spite of this (and future) research, resulting in the development of the ultimate safe bicycle helmet, it will be useless if the helmet use rate remains very low in Flanders, as shown in the PENTA study (wearing rate of 3.8%). Therefore, the largest effort lies in convincing people to wear a bicycle helmet when cycling.
In my personal opinion, the public debate about mandatory helmet legislation should be re-opened. It makes no sense funding research about the prevention of head injury in paediatric bicycle accidents, aiming at the development of an improved and age-specific helmet, without putting effort in convincing people to wear the helmet. This can be done by educational campaigns, but should be accompanied by legislative initiatives.
Fietsen is populair in België waardoor er relatief vaak fietsongevallen gebeuren. In 2007 maakten fietsers 12% uit van het totale aantal verkeersslachtoffers in België en fietsongevallen waren de vierde grootste oorzaak van dodelijke verkeersslachtoffers (8,2% van alle dodelijke verkeersslachtoffers), na autoongevallen (51%), motorongevallen (12.74%) en ongevallen met voetgangers (9.66%). Dit aantal ligt hoog in vergelijking met slechts 1.7% van alle dodelijke verkeersslachtoffers in de Verenigde Staten in 2007 of 4.6% van alle dodelijke verkeersslachtoffers in het Verenigd Koninkrijk in 2006.
Fietsslachtoffers lopen gemakkelijk hoofdletsels op die vaak (69–93%) de doodsoorzaak blijken in fatale ongevallen. Ontwikkeling van preventieve maatregelen, zoals een fietsvalhelm, zijn dan ook nodig.
Daarom onderzoekt het multidisciplinaire ‘Fietsvalhelmprojekt’ van de Katholieke Universiteit Leuven de craniocerebrale letsels die ontstaan bij fietsongevallen met als doel bestaande fietsvalhelmen te optimaliseren. Dit onderzoek wordt gefinancierd door het FWO-Levenslijn fonds van het LevenslijnKinderfonds van de Koning Boudewijn stichting, Deze werkgroep toonde al aan dat bestaande helmen niet voldoende bescherming bieden bij impact en dat er op dit vlak ruimte ter verbetering is, uitgaande van de biomechanische processen onderliggend aan de hoofdletsels. Om dit te bereiken moet er een beter begrip zijn van de specifieke biomechanische processen onderliggend aan de hoofdletsels die optreden bij fietsongevallen.
Het voorgestelde doctoraatsonderzoek kadert binnen het Fietsvalhelmprojekt en heeft dan ook drie grote doelstellingen: 1)het definiëren van de biomechanische processen onderliggend aan de hoofdletsels die optreden bij kinderen in fietsongevallen, 2)het verzamelen van fundamentele data over de correcte, leeftijdsgebonden anatomische weergave van een kinderschedel, alsook de juiste leeftijdsgebonden materiaaleigenschappen van een kinderschedel en 3)het formuleren van een aantal richtlijnen tot het verbeteren en ontwikkelen van fietsvalhelmen.
In een eerste fase van dit werk werd nagegaan welke craniocerebrale letsels optreden in fietsongevallen bij kinderen in Vlaanderen. Hiertoe werd in het PENTA (PaEdiatric Network around TraumA) register de gegevens in verband met hoofdletsels opgelopen bij een fietsongeval opgezocht en geanalyseerd. Dit register is een recent ontwikkelde populatiegebaseerde database waarin alle kinderen die zich aanboden op één van de 19 deelnemende spoedgevallendiensten in Vlaanderen naar aanleiding van een ongeval werden geregistreerd tussen januari 2006 en januari 2007. Deze analyse toonde aan dat het ganse spectrum van potentieel letale hoofdletsels optrad in fietsongevallen, zelfs wanneer het een ongeval betrof zonder betrokkenheid van een gemotoriseerd voertuig. Aangezien zulke ongevallen meestal laagenergetisch zijn, kan een fietsvalhelm mogelijks toch sommige van deze hoofdletsels voorkomen. Deze studie deed ons dan ook besluiten dat een ‘goede’ fietsvalhelm efficiënt zou moeten beschermen tegen het oplopen van een schedelbreuk en onderliggende epidurale bloeding, hersencontusies en subdurale bloedingen.
In de tweede fase van dit werk werden de biomechanisch processen die aan de basis van deze letsels liggen geanalyseerd.
Als eerste letsel werd het optreden van een breuk in het frontale schedelbot onderzocht. Hierbij trachtten we criteria te bepalen voor het ontstaan van een schedelbreuk door impact. Daarom onderzochten we of er een kritisch energieniveau bestond waarbij een schedelbreuk zou ontstaan in 19 niet-gebalsemde kadaverhoofden die dynamisch belast werden op het frontale schedelbot. De resultaten van dit onderzoek suggereren het bestaan van een kritisch energieniveau in het bereik van 22-24 J waarboven schedelbreuk optreedt bij een frontaal impact.
Vervolgens onderzochten we het ontstaan van een acuut subduraal hematoom op basis van brugveneruptuur. Hierbij trachtten we criteria te bepalen voor het ontstaan van brugveneruptuur, toegespitst op het bepalen van de hoeveelheid kracht, verplaatsing, rek en spanning die een brugvene kan weerstaan. We onderzochten 37 SSS-BV complexen uit 9 niet-gebalsemde kadavers door middel van een trektest tot faling. De biomechanische respons van het SSS-BV complex bleek in deze studie – de eerste studie die het SSS-BV complex onderzocht- stijver dan wat eerder gerapporteerd was in de literatuur over de biomechanische respons van brugvenes. Uit de resultaten van deze studie besluiten we dan ook dat de SSS-BV overgang een belangrijke rol kan spelen in de biomechanische processen onderliggend aan brugveneruptuur en ASDH. Daarnaast tonen onze data aan dat er misschien een kritisch lengtetoename/rek-criterium voor het ontstaan van ASDH door BV ruptuur bestaat, met 5 mm lengtetoename of 25% rek als limiet.
Als laatste letsel werd het optreden van fronto-temporale contusies en ‘contre-coup’ contusies in de fronto-temporale regio onderzocht. Hierbij wilden we vooral nagaan welke rol de trillingsrespons van de schedelbasis na impact speelt in het ontstaan van deze letsels. De trillingsrespons van de schedelbasis werd bepaald door het uitvoeren van een experimentele modale analyse van vier schedels, ontdaan van inhoud. Met behulp van deze data kon vervolgens in eindig elementen modale analyse aangetoond worden dat deze trilling niet homogeen verdeeld is en dat de trillingsrespons van de fronto-temporale schedelbasis aanleiding geeft tot de grootste verplaatsing van schedelbot, onafhankelijk van de plaats van impact. We kunnen dan ook een hypothese formuleren dat op het moment dat de hersenen een anterieure translatie- en rotatiebeweging vertonen als gevolg van een impact en hierdoor tegen de onregelmatige fronto-temporale schedelbasis gedrukt worden, deze schedelbasis trilt en op die manier hoogfrequente repetitieve bijkomende druk uitoefent op het hersenweefsel. Dit leidt dan tot het ontstaan van een hersencontusie. Hierbij dient opgemerkt te worden dat de trillingsrespons van een intact kadaverhoofd hoogstwaarschijnlijk zal verschillen van deze van een lege, losse schedel, als gevolg van de verschillende massa, het mogelijks dempend effect van de aanwezige huid en intracraniële inhoud en vooral de connectie met de rest van het lichaam. Daarom dienen de resultaten van deze studie bevestigd en gevalideerd te worden door een modale analysestudie van intacte kadaverhoofden.
De tweede doelstelling van dit onderzoeksprojekt bestond in het aanreiken van data ter ontwikkeling van een eindig elementenmodel van een kinderhoofd, met nadruk op het bepalen van de correcte, leeftijdsgebonden anatomische voorstelling en afmetingen van de schedel, alsook de leeftijdsgecorrigeerde densiteit en elasticiteitsmodulus van schedelbot bij kinderen.
Om de leeftijdsgebonden anatomie van de schedel te bepalen, ontwierpen we een CT-gebaseerde normatieve database waarin verschillende 2D en 3D afmetingen alsook de schedeldikte, botdensiteit en fontanelafmetingen onderzocht werden voor kinderen tussen 0 en 20 jaar. Deze data kunnen gebruikt worden om een eindig elementenmodel van het hoofd aan te passen naar een eindig elementenmodel van een kinderhoofd van een welbepaalde leeftijd. Een dergelijk specifiek eindig elementenmodel kan vervolgens gebruikt worden voor het verder ontwikkelen van een fietsvalhelm, aangepast aan de leeftijd. Naast de correcte anatomische voorstelling, dient een aangepast eindig elementenmodel eveneens gebruik te maken van leeftijdsafhankelijke elasticiteitsmoduli. Deze leeftijdsafhankelijke elasticiteitsmoduli dienen idealiter opgemeten te worden op een niet-invasieve manier die in vivo en ongeacht de leeftijd kan toegepast worden. We hebben ons dan ook in een eerste stap gericht op het ontwikkelen van een dergelijk testprotocol, gebaseerd op experimentele en eindig elementen modale analyse. Dit pilootprojekt bevestigde dat de elasticiteitsmodulus van schedelbot inderdaad leeftijdsafhankelijk is. Het uitgewerkte protocol zal in de toekomst gebruikt worden om deze leeftijdsafhankelijke elasticiteitsmoduli te bepalen.
Als laatste doelstelling van dit onderzoek pasten we onze verkregen inzichten in de biomechanische processen van de hoofdletsels toe op bestaande fietsvalhelmen en formuleerden we een aantal richtlijnen voor het aanpassen en ontwikkelen van een betere fietsvalhelm. Kort samengevat moet een fietsvalhelm voldoende beschermen tegen schedelbreuk, brugveneruptuur en fronto-temporale contusies.
Een fietsvalhelm die wil beschermen tegen een frontale schedelbreuk moet in staat zijn om de impactenergie op te nemen en af te leiden zodanig dat de uiteindelijke energieoverdracht naar het frontale schedelbot onder de limiet van 22-24 J komt te liggen. Dit betekent dat het gebruikte helmschuim in staat zou moeten zijn om ongeveer 75 J in zijn interne structuur op te nemen wanneer het hoofd met de helm een frontaal impact ondergaat. Naast het aanpassen van het helmschuim aan de verschillende energielimieten van de verschillende schedelbeenderen, is het minstens even belangrijk om de zwakke slaapstreek beter te beschermen door de onderrand van de helm op die plaats te verlagen met 2-3 cm, zoals eerder al werd aangetoond (176).
Een fietsvalhelm die wil beschermen tegen brugveneruptuur, moet een zekere graad van bescherming bieden tegen de hoekversnelling van het hoofd door impact. De resultaten van onze brugvenestudie kunnen gebruikt worden om toegepast in een eindig elementenmodel de limietwaarde te bepalen van de hoekversnelling die ervoor zorgt dat brugvenes over hun limiet van 25% rek gedreven worden. Binnen het Fietsvalhelmprojekt werd reeds vastgesteld dat anisotrope helmschuimen (die even sterk in compressie maar zwakker in afschuiving zijn in vergelijking met klassieke isotrope helmschuimen) in staat zijn om de hoekversnelling van het hoofd na impact te reduceren. Als gevolg hiervan werd het gebruik van anisotrope schuimen in fietshelmen met als doel het reduceren van de hoekversnelling na impact, gepatenteerd door het K.U.Leuven Fietsvalhelmprojekt als patent ‘Protective helmet’ met referentienummer BE 2005/000115.
Als onze trillingshypothese in verband met het ontstaan van fronto-temporale contusies gevalideerd wordt in bijkomend onderzoek, dan kunnen we tevens adviseren dat een fietsvalhelm niet alleen directe impact van de schedel moet tegengaan om fractuurcontusies of coup-contusies te vermijden, maar ook in staat zou moeten zijn om het impact-frequentiespectrum te dempen of te wijzigen (filteren?) om zo schadelijke resonantiefrequenties en bijhorende fronto-temporale contusies te vermijden.
Tenslotte hebben we tevens getracht op basis van de normatieve database een aantal leeftijdsgroepen af te lijnen die baat hebben bij het ontwikkelen van een leeftijdsaangepaste fietsvalhelm. Naast onze data werd hierbij ook aandacht geschonken aan de algemene motorische ontwikkeling van het kind alsook de veranderende lichaamsverhoudingen. Op die manier konden we drie leeftijdsgroepen aflijnen waarvoor best een afzonderlijke helm zou ontwikkeld worden: peuters en jonge kinderen van 0-5 jaar, kinderen en jonge adolescenten van 6-13 jaar en adolescenten van 14 jaar tot volwassenen.
Hoewel dit werk veel nieuwe en praktisch bruikbare gegevens opleverde, is er toch nog nood aan bijkomend onderzoek om de verschillende hypotheses te valideren en de biomechanische processen die leiden tot hoofdletsels beter te begrijpen.
Zelfs als het huidige en toekomstige onderzoek uiteindelijk leidt tot de ontwikkeling van de optimaal beschermende fietsvalhelm, zal dit werk zinloos zijn wanneer het dragen van de fietsvalhelm zo beperkt blijft in Vlaanderen, zoals aangetoond in de Penta studie, namelijk 3,8%. De grootste inspanning ligt daarom in het overtuigen van het brede publiek om een helm te dragen op de fiets.
Het is mijn persoonlijke opinie dat het maatschappelijk debat rond het verplicht dragen van fietsvalhelmen opnieuw dient geopend te worden. Het heeft immers helemaal geen zin om geld te investeren in onderzoek gericht op preventie van hoofdletsels in fietsongevallen bij kinderen, met als doel het ontwikkelen van een veiligere en leeftijdsspecifieke helm, wanneer er geen inspanningen geleverd worden om de maatschappij ertoe aan te zetten deze nieuwe helm ook daadwerkelijk te dragen. Het motiveren van de maatschappij kan gebeuren via educatieve campagnes, maar zou moeten gepaard gaan aan legislatieve initiatieven.