근육 모델이 고려된 두부 및 경추 유한요소모델을 이용한 비관통 피탄 충격에 의한 인체 상해 해석 Analysis of Human Body Injury by Non-penetrating Ballistic Impact Using a Finite Element Model of the Head and Neck원문보기
헬멧을 착용한 병사의 비관통 피탄 충격은 총탄이 헬멧을 관통하지 않더라도 인체에 치명적인 상해를 유발한다. 이로 인한 인체 상해 해석을 위한 연구들이 이뤄져 왔으나 주로 두부의 손상에 초점을 맞춘 해석 모델이 개발되어 왔다. 비관통 피탄 충격에 의한 경추 및 경추부 관련 근육의 손상은 인체에 치명적인 상해를 입히지 않더라도 병사의 생존성에 상당한 영향을 미친다. 따라서 경추 및 경추부 근육을 포함한 모델 개발이 필요하다. 본 연구에서는 기존에 연구된 두부 모델과 근육 모델이 적용된 경추부 모델을 활용하여 인체의 상해해석을 수행하였다. 정량적 상해예측을 위해 응력, 변형률 및 HIC를 비교하였다. 경추부가 포함된 모델의 해석결과는 두부 모델만 고려된 해석결과보다 상해 정도를 작게 예측하였다. 모델의 신뢰성 확보를 위하여 두부 상해 해석 결과를 타 문헌과 비교하였다.
헬멧을 착용한 병사의 비관통 피탄 충격은 총탄이 헬멧을 관통하지 않더라도 인체에 치명적인 상해를 유발한다. 이로 인한 인체 상해 해석을 위한 연구들이 이뤄져 왔으나 주로 두부의 손상에 초점을 맞춘 해석 모델이 개발되어 왔다. 비관통 피탄 충격에 의한 경추 및 경추부 관련 근육의 손상은 인체에 치명적인 상해를 입히지 않더라도 병사의 생존성에 상당한 영향을 미친다. 따라서 경추 및 경추부 근육을 포함한 모델 개발이 필요하다. 본 연구에서는 기존에 연구된 두부 모델과 근육 모델이 적용된 경추부 모델을 활용하여 인체의 상해해석을 수행하였다. 정량적 상해예측을 위해 응력, 변형률 및 HIC를 비교하였다. 경추부가 포함된 모델의 해석결과는 두부 모델만 고려된 해석결과보다 상해 정도를 작게 예측하였다. 모델의 신뢰성 확보를 위하여 두부 상해 해석 결과를 타 문헌과 비교하였다.
Ballistic impact on a soldier wearing a helmet can induce fatal injury, even if the helmet is not penetrated. Although studies on this type of injury have been performed, most of them have used an analytical model focused on head injury only. The injury of the neck muscles and cervical vertebrae by ...
Ballistic impact on a soldier wearing a helmet can induce fatal injury, even if the helmet is not penetrated. Although studies on this type of injury have been performed, most of them have used an analytical model focused on head injury only. The injury of the neck muscles and cervical vertebrae by non-penetrating ballistic impact affects the survivability of soldiers, despite not inflicting fatal injury to the human body. Therefore, an analytical model of the head and neck muscles are necessary. In this study, an analysis of human body injury using the previously developed head model, as well as a cervical model with muscles, was performed. For the quantitative prediction of injury, the stress, strain, and HIC were compared. The results from the model including the cervical system indicated a lower extent of injury than the results from the model excluding them. The results of head injury were compared with other references for reliability.
Ballistic impact on a soldier wearing a helmet can induce fatal injury, even if the helmet is not penetrated. Although studies on this type of injury have been performed, most of them have used an analytical model focused on head injury only. The injury of the neck muscles and cervical vertebrae by non-penetrating ballistic impact affects the survivability of soldiers, despite not inflicting fatal injury to the human body. Therefore, an analytical model of the head and neck muscles are necessary. In this study, an analysis of human body injury using the previously developed head model, as well as a cervical model with muscles, was performed. For the quantitative prediction of injury, the stress, strain, and HIC were compared. The results from the model including the cervical system indicated a lower extent of injury than the results from the model excluding them. The results of head injury were compared with other references for reliability.
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문제 정의
본 연구에서는 경추부를 포함한 비관통 피탄 충격에 의한 상해 해석 결과를 다른 문헌과 비교할 수 없지만, 두부만 고려한 해석 결과를 다른 문헌과 비교하여 모델의 신뢰성을 검증하였다.(4~6) 유사한 해석 조건에서도 참고 문헌 간의 해석 결과가 존재하지만, 두개골의 최대응력의 경우 32~160MPa, 두뇌의 최대압력은 0.
이는 피탄 시험 시, 인체 두부 더미에 균일이 발생하지 않도록 미국 법무성 사법연구소(National Institute of Justice: NIJ)에서 권고하는 값이기 때문이다. 본 연구에서는 직접 피탄 시험을 수행하지 않았지만, 실험을 포함한 다른 문헌들과의 비교를 위해 같은 조건의 해석을 수행하였다.
5도, 45도일 때의 결과이다. 해당 결과는 참고 문헌에서 발췌한 것이며, 피탄 각도 변화에 따른 HIC 변화를 확인하기 위해 추가하였다. 그래프에서 피탄 각도가 약간만 변하여도 상해 정도가 크게 변하는 것을 확인할 수가 있다.
가설 설정
두부는 두개골, 뇌액, 뇌로 구성되어 있으며 각각의 물성치는 기존의 연구 결과를 이용하였다.(4,8) 두개골은 모두 피질로 구성되어 있다고 가정하였다.
본 연구에서는 피탄 속도를 360m/s로 가정하였다. 이는 피탄 시험 시, 인체 두부 더미에 균일이 발생하지 않도록 미국 법무성 사법연구소(National Institute of Justice: NIJ)에서 권고하는 값이기 때문이다.
총탄의 무게는 8g이며, 360m/s 속도를 갖는다. 총탄은 납심이 황동으로 감싸고 있는 구조이며, 본 연구에서는 총탄을 납의 밀도를 갖는 강체로 가정하였다. 총탄의 상세 형상 및 모델링은 참고문헌을 이용하였다.
피탄 조건을 위해 인체의 시상면에서 지면에 평행한 방향으로 총탄을 발사했을 때를 가정하였다. 총탄은 헬멧의 앞부분과 정면 충돌한다고 가정하였으며, 가장 아래쪽에 있는 경추(C7)를 지면에 고정되어 있다고 가정하였다.
본 연구에서는 상용 프로그램인 LS-dyna를 이용하여 비관통 충돌 해석을 수행하였다. 피탄 조건을 위해 인체의 시상면에서 지면에 평행한 방향으로 총탄을 발사했을 때를 가정하였다. 총탄은 헬멧의 앞부분과 정면 충돌한다고 가정하였으며, 가장 아래쪽에 있는 경추(C7)를 지면에 고정되어 있다고 가정하였다.
제안 방법
이는 Table 5를 참고하면, 상해가 없는 수준이다. 그러나 실제 총기는 피탄 속도가 360m/s 이상인 경우가 많기 때문에 다양한 속도에 대하여 추가하여 HIC 값을 구하여 비교하였다. Fig.
골격 모델링을 위하여 인체의 골격 및 뼈 물성 자료는 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 제공하는 연구 결과를 사용하였다. 두부는 두개골, 뇌액, 뇌로 구성되어 있으며 각각의 물성치는 기존의 연구 결과를 이용하였다.(4,8) 두개골은 모두 피질로 구성되어 있다고 가정하였다.
두부의 상해를 정량적으로 평가하기 위해 두부상해 인자(HIC, Head Injury Criterion)을 사용하였다.(13)
인대는 전종인대, 후종인대, 후관절 인대 및 황색인대를 포함한다. 또한 각 척추체 사이의 추간판은 수핵의 물성치를 갖는 단일 성분의 탄성체로 모델링하였다.
본 연구에서는 Hill-type 근육 모델을 두부 및 경추 유한요소모델에 적용하여 방탄 헬멧을 착용한 인체 두부 및 경추부의 상해를 예측하였다. 예측된 결과는 타 문헌과의 결과와 비교되었다.
본 연구에서는 경추 및 경추 주변 근육을 포함한 유한요소모델을 이용하여 비관통 피탄 충격에 의한 인체 상해 해석을 수행하였다. 전체적으로 경추부 모델을 포함할 경우 두부만 고려한 모델의 결과보다 상해의 정도가 낮게 예측되었다.
본 연구에서는 상용 프로그램인 LS-dyna를 이용하여 비관통 충돌 해석을 수행하였다. 피탄 조건을 위해 인체의 시상면에서 지면에 평행한 방향으로 총탄을 발사했을 때를 가정하였다.
실제 인체의 경추 주위에는 약 140여개의 근육이 목의 움직임에 관여한다. 본 연구에서는 해당 근육 중 피탄 충격에 의한 움직임에 주로 관여하는 근육을 6개로 압축하여 모델링하였다. 각 근육은 Hill 타입 근육 모델로 모델링하였다.
전자의 경우는 LS-DYNA에서 제공하는 면접촉 모델 중(ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)을 사용하였으며, 후자의 경우는 (AUTOMATIC_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE)을 사용하였다. 전자의 경우, pinball segment 기반의 접촉 옵션을 적용하였으며, 두개골과 쿠션 사이의 물성치 차이를 고려하여 soft constraint formulation을 적용하였다.
대상 데이터
골격 모델링을 위하여 인체의 골격 및 뼈 물성 자료는 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 제공하는 연구 결과를 사용하였다. 두부는 두개골, 뇌액, 뇌로 구성되어 있으며 각각의 물성치는 기존의 연구 결과를 이용하였다.
이 논문은 국방과학연구소 생존성 기술 특화연구센터의 사업으로 지원받아 연구되었음(계약번호 UD150013ID). 이 논문에 사용된 두개골 및 뇌의 기하학적 형상은 한국과학기술 정보연구원(KISTI)에서 제공하는 자료를 이용하였음.
헬멧은 아라미드 섬유 강화 폴리머 복합재료(Kevlar 29)로 제작된 방탄 헬멧을 기준으로 모델링하였다. 헬멧은 피탄을 막아주는 외피와 헬멧의 착용을 보조하는 내피로 구성되어 있다.
이론/모형
각 근육은 Hill 타입 근육 모델로 모델링하였다.(9,10) 본 연구에서는 유한요소모델에 이를 적용하기 위하여 트러스 요소를 사용하였으며, LS-dyna에서 제공하는 근육 모델(*MAT_156)을 사용하였다.(11) 해당 모델은 근육의 밀도와 PCSA, 최대 변형률, 그리고 최대 등척성 응력을 이용하여 근력을 계산한다.
본 연구에서는 해당 근육 중 피탄 충격에 의한 움직임에 주로 관여하는 근육을 6개로 압축하여 모델링하였다. 각 근육은 Hill 타입 근육 모델로 모델링하였다.(9,10) 본 연구에서는 유한요소모델에 이를 적용하기 위하여 트러스 요소를 사용하였으며, LS-dyna에서 제공하는 근육 모델(*MAT_156)을 사용하였다.
헬멧은 피탄을 막아주는 외피와 헬멧의 착용을 보조하는 내피로 구성되어 있다. 외피는 LS-DYAN의 복합재 파손 모델(*MAT_22)을 사용하였고, 그 물성은 Table 3에 표기하였다.(4,14) 내피는 나일론과 가죽 부유대로 구성되어 있으며, 사용한 물성치는 Table 4와 같다.
해석에 필요한 주요 접촉은 총탄과 헬멧간의 충돌, 두개골과 머리쿠션 사이의 쿠션이 있다. 전자의 경우는 LS-DYNA에서 제공하는 면접촉 모델 중(ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)을 사용하였으며, 후자의 경우는 (AUTOMATIC_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE)을 사용하였다. 전자의 경우, pinball segment 기반의 접촉 옵션을 적용하였으며, 두개골과 쿠션 사이의 물성치 차이를 고려하여 soft constraint formulation을 적용하였다.
총탄은 납심이 황동으로 감싸고 있는 구조이며, 본 연구에서는 총탄을 납의 밀도를 갖는 강체로 가정하였다. 총탄의 상세 형상 및 모델링은 참고문헌을 이용하였다.(4)
성능/효과
3는 다양한 속도 조건의 해석 결과로 얻은 HIC를 비교한 결과이다. 검정색 그래프가 정면 충돌 조건에서 속도별 HIC 값의 변화를 나타내며, 피탄 속도에 따라 지수적으로 결과가 증가하는 것을 확인할 수 있다. Table 5(16)와 함께 비교했을 때, 피탄 속도가 약 410m/s 이상이 되면 두통이나 일시적인 의식 불명과 같은 경미한 부상이 발생하기 시작한다.
경추부 포함 여부와 관계 없이 피탄으로 인해 헬멧이 변형되어 머리를 직접적으로 상해 입히지 않더라도 에너지의 전파로 인해 폐쇄성 뇌손상이 일어날 수 있다. 또한, 약 3ms만에 두뇌에 최대의 충격이 전달되는 것을 확인할 수 있었다. 추후에는 본 연구에서 개발된 두부 및 경추 유한요소모델을 이용하여 경추 및 경추 주변 근육의 손상을 예측할 예정이다.
헬멧은 충돌 직후 변형되었다가 복원되지만 약간의 소성변형이 발생한다. 또한, 총탄과 헬멧의 충돌은 헬멧 내부에 머리를 둘러싼 가죽띠를 통해 두개골에 진동을 전달하는 것을 확인할 수 있다. 이는 헬멧의 변형으로 인해 두부에 직접적으로 접촉하지 않아도 에너지의 전달로 상해를 입힐 수 있다는 것을 의미한다.
본 연구에서는 경추 및 경추 주변 근육을 포함한 유한요소모델을 이용하여 비관통 피탄 충격에 의한 인체 상해 해석을 수행하였다. 전체적으로 경추부 모델을 포함할 경우 두부만 고려한 모델의 결과보다 상해의 정도가 낮게 예측되었다. 이는 피탄 방향으로 두부의 자유도를 증가시키고, 에너지가 분산되는 효과 때문인 것으로 추정된다.
후속연구
또한, 약 3ms만에 두뇌에 최대의 충격이 전달되는 것을 확인할 수 있었다. 추후에는 본 연구에서 개발된 두부 및 경추 유한요소모델을 이용하여 경추 및 경추 주변 근육의 손상을 예측할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비관통 상해를 예측하기 위한 실험적 방법의 제한점을 극북하기 위한 방법은 무엇이 있는가?
(2) 하지만 실험적 방법으로는 내부의 응력 분포나 변형률을 확인하는 것이 어렵다. 따라서 최근에는 유한요소기법을 이용한 연구가 주로 수행되고 있다. 두부 및 경추부의 유한요소 모델은 차량 충돌 분야에서 오래 전부터 연구가 되어왔다.
본 실험에 사용된 피탄용 경추체는 무엇으로 구성되어있는가?
경추체는 총 7개의 분절로 이루어져 있으며, 각 분절은 인대로 연결되어 있다. 인대는 전종인대, 후종인대, 후관절 인대 및 황색인대를 포함한다. 또한 각 척추체 사이의 추간판은 수핵의 물성치를 갖는 단일 성분의 탄성체로 모델링하였다.
총격 피탄 시 피해를 알아보기 위해 경추 및 경추부 근육을 포함한 모델을 활용해야하는 이유는 무엇인가?
이로 인한 인체 상해 해석을 위한 연구들이 이뤄져 왔으나 주로 두부의 손상에 초점을 맞춘 해석 모델이 개발되어 왔다. 비관통 피탄 충격에 의한 경추 및 경추부 관련 근육의 손상은 인체에 치명적인 상해를 입히지 않더라도 병사의 생존성에 상당한 영향을 미친다. 따라서 경추 및 경추부 근육을 포함한 모델 개발이 필요하다.
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