Modell av bröstkorgen: Ompröva standarder och referensmodeller

The Gendered Innovations project was asked by the European Commission to analyze several of its Framework Programme 7 (FP7) projects. This case study examines the "Development of a Finite Element Model of the Human Thorax and Upper Extremities" (THOMO) project. We identify gendered innovations, methods of sex and gender analysis, and points of potential "value added."

The Challenge

Biofidelic models are critical tools in improving automobile occupant safety. They are used by engineers, manufacturers, and governmental agencies. The HUman MOdel for Safety (HUMOS-1), funded under the Fourth EC Framework Programme (FP4) from 1997 to 2000, was based on the study of a single male cadaver, representing "a 50th percentile seated man" (Pajon et al., 2002). HUMOS-2, funded under the Fifth EC Framework Programme (FP5) from 2002 to 2006, collected anthropometric data from humans of the 5th, 50th, and 95th percentiles of overall weight, which is more inclusive of lighter people (mostly women) and heavier people (mostly men) (Toma et al., Acart et al., 2009a; Dupont-Kerlan et al., 2006). Biofidelic models are often developed first for the 50th percentile man, excluding people who are significantly smaller or larger.

Method: Rethinking Standards and Reference Models

Models of the human body have long been based on the anthropometry of 50th percentile European and North American men (see Case Study: Pregnant Crash Test Dummies). Researchers are rethinking this standard and studying a wider range of women's and men's bodies in order to produce more advanced and representative human body models.

Gendered Innovations:

1. Modeling Women's and Men's Thoraxes THOMO researchers are developing a model of the human thorax applicable to the majority of women and men.
2. Consistent Biomechanical Testing across Female and Male Thoraxes

Potential Value Added to Future Research through the Application of Gendered Innovations Methods:

1. 1. Studying the Effects of Age and Menopausal Status on Thoracic Bone Architecture
2. 2. Including Geographically Diverse Populations
3. 3. Modeling Breast Tissue

Utmaningen
Bakgrund: Projektet Thorax Model (THOMO) inom Europeiska unionens sjunde ramprogram (FP7)
Innovation med genusperspektiv 1: Modeller av kvinnors och mäns bröstkorg
Metod: Ompröva forskningsprioriteringar och -resultat
Innovation med genusperspektiv 2: Konsekventa biomekaniska tester av kvinnors och mäns bröstkorg
Metod: Ompröva standarder och referensmodeller
Potentiellt mervärde för framtida forskning genom tillämpning av innovationsmetoder med genusperspektiv
Potentiellt mervärde 1: Studera effekter av ålder och menopausal status för uppbyggnaden av bröstkorgens ben
Metod: Analysera faktorer som relaterar till kön och genus
Potentiellt mervärde 2: Inkludera populationer från olika geografiska platser
Metod: Analysera faktorer som relaterar till kön och genus
Potentiellt mervärde 3: Skapa modeller av bröstvävnad
Metod: Formulera forskningsfrågor

Utmaningen

Trafikolyckor är en vanlig skade- och dödsorsak i EU och USA. Under 2009 stod trafikolyckor för uppskattningsvis 34 500 dödsfall i EU och 30 862 dödsfall i USA. (Eurostat, 2011; NHTSA, 2012). Dödsfall är vanligast bland män. I både EU och USA är det 2,6 gånger större sannolikhet att män dör i trafikolyckor än kvinnor (DG Energy and Transport, 2009; Kposowa et al., 2009).

Flera forskningsprojekt har genomförts med målet att utveckla en finit elementmodell av den mänskliga kroppen för att förbättra de tekniska säkerhetslösningarna. I enlighet med detta har man initialt baserat modeller på den 50:e percentilen manliga kroppsmått, där några modeller senare anpassades efter större och mindre kroppar (Yang et al., 2006). I enlighet med det här mönstret baserades Human Model for Safety (HUMOS-1), finansierad inom ramarna för EG:s fjärde ramprogram (FP4) mellan 1997 och 2000, på studien av en enda manskropp som fick representera "50:e percentilen av sittande män" (Pajon et al., 2002).

För HUMOS-2, finansierad inom EG:s femte ramprogram (FP5) mellan 2002 och 2006, utökades datainsamlingen till att inkludera människor från 5:e, 50:e och 95:e percentilen, dvs. lättare personer (oftast kvinnor) och tyngre personer (oftast män) (Toma et al., 2010; Acart et al., 2009a; Dupont-Kerlan et al., 2006). Människoliknande modeller är dock fortfarande baserade på den 50:e percentilen män, vilket exkluderar människor som är signifikant mindre eller större. Ett sådant exempel är modellen för Global Human Body Models Consortium (GHMBC, 2012).

Bakgrund

Projektet Thorax Model (THOMO) inom Europeiska unionens sjunde ramprogram (FP7) syftar till att utveckla en numerisk "finit elementmodell av människans bröstkorg och övre extremiteter" (THOMO, 2012). THOMO:s datainsamlingsprocesser och tillhörande forskningsteam kan delas in i två grundkategorier:

1. Mätning av bröstkorgen (avbildning av revben, bröstben, ryggrad och brosk) med datortomografi (CT), laserskanning och mikrotomografi (μCT) (Mayeur et al., 2010).

   

2. Biomekaniska stresstester på bröstkorgar från avlidna. Dynamiska funktionstester inkluderar deformering under belastning och faktiska frakturer.

   

De biomekaniska testerna är utformade för att simulera krafterna på bröstkorgen vid bilolyckor, både framifrån och från sidan. Testerna omfattar flera olika scenarier, bland annat med förare/passagerare som har trepunktsbälte, fyrpunktssele eller sitter obältade, i kollisioner med eller utan krockkudde.

Mätningar och biomekaniska tester i THOMO-projektet görs på kroppar från Frankrike som motsvarar följande percentiler av genomsnittlig kroppsvikt:

• • 50:e (11 manskroppar och 1 kvinnokropp)
• • 5:e (6 kvinnokroppar)

THOMO använder skalning för att modellera andra percentiler (THOMO, 2012).

THOMO är ett av fyra biomekaniska modellprojekt inom ramarna för EU:s konsortium Coordination of Vehicle and Road Safety Initiatives (COVER). Alla COVER-projekt finansieras via FP7 och har tydliga fokusområden (Lemmen et al., 2009) – se diagram:

THOMO-projektet är ett av flera Centers of Expertise inom det privatfinansierade Global Human Body Models Consortium (GHMBC), som består av nio biltillverkare från EU, USA, Sydkorea och Japan, samt amerikanska National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) (GHBMC, 2012).

Biltillverkarna fortsätter utveckla finita elementmodeller för att kunna förbättra säkerheten i konstruktionerna (Leonardi, 2009). Ett exempel är Total Human Model for Safety (THUMS), ett projekt som tillhör Toyota Motor Corporation (Maeno et al., 2001). Den första versionen av THUMS baserades på måtten för 50:e percentilen amerikanska män (Chawala et al., 2005; Oshita et al., 2002). För närvarande håller ingenjörer på att utöka modellen till att inkludera 5:e percentilen amerikanska kvinnor, 95:e percentilen amerikanska män och gravida kvinnor (Iwamoto et al., 2007).

Innovation med genusperspektiv 1: Modeller av kvinnors och mäns bröstkorg

THOMO-projektets modeller bygger på både kvinnors och mäns bröstkorgar genom att data samlats in från kroppar från 5:e till 50:e viktpercentilen (THOMO, 2012).

Metod: Ompröva forskningsprioriteringar och resultat

Studier av trafikolyckor visar att kvinnliga förare löper 47 procent större risk än manliga förare att skadas allvarligt i trafikolyckor när forskare tar hänsyn till faktorer som längd, vikt, användning av säkerhetsbälte och intensitet vid kollisionen; en bältad kvinna löper alltså större risk att skadas i en krock än en bältad man med samma längd, vikt och ålder som är inblandad i en identisk krock (Dipan et al., 2011; Evans, 1999). Flera köns- och genusrelaterade faktorer kan påverka observerade skillnader vid kollisioner:

1. Skadetröskel: Kvinnor har i genomsnitt lägre skadetröskel än män när det gäller vissa typer av skador, exempelvis whiplash, men unga män har lägre skadetröskel när det gäller hastighet än unga kvinnor (Talmor et al., 2010; Stemper et al., 2004).
2. Design: Kvinnor löper större risk eftersom "säkerhetsanordningarnas effektivitet är till fördel för manliga förare/passagerare" (Dipan et al., 2011).
3. Typ av fordon: I USA, där data finns tillgängliga, tenderar kvinnor att köra bilar med högre säkerhetsklassning än vad män gör (Ryb et al., 2010).

Gå till Metoder – allmänt

Innovation med genusperspektiv 2: Konsekventa biomekaniska tester av kvinnliga och manliga bröstkorgar

THOMO-forskare har utfört tester på mindre, oftast kvinnliga bröstkorgar, med den utrustning och de rapporteringsprotokoll som tidigare använts för i huvudsak manliga bröstkorgar. Den här metoden gör det möjligt att jämföra påfrestningsprofiler mellan könen och att utveckla en mer omfattande referensmodell.

Metod: Ompröva standarder och referensmodeller

Fysiska stresstester är viktiga för att kunna utveckla människolika modeller.

Historiskt sett har man använt en manlig bröstkorg ur 50:e percentilen som referens i EU-stödda tester med frontalkollisioner (Behr et al., 2003). Den här referensmodellen tog inte hänsyn till lättare personers anatomi, och forskarna som utvecklade den rekommenderade ytterligare arbete för att "utveckla skaderiskfunktioner för kvinnliga och äldre" förare och passagerare (Carroll, 2010). Modeller från 50:e percentilen innebär också att större personer hamnar vid sidan om, och forskare som bedömt "potentialen till riskreducering" inom bilsäkerhetsforskning intygar att "användningen av en krockdocka som är större än genomsnittet skulle kunna leda till stora fördelar" (Carrol et al., 2010). THOMO-forskarna har arbetat för att utöka referensmodellerna av bröstkorgen bortom den 50:e percentilen för att inkludera 5:e percentilens kroppsstorlekar. THOMO-forskarna har alltså prioriterat att ta fram en människoliknande, skalbar modell som bättre återspeglar både kvinnors och mäns anatomi.

Gå till Metoder – allmänt

Potentiellt mervärde för framtida forskning genom tillämpning av innovationsmetoder med genusperspektiv

Potentiellt mervärde 1: Studera effekter av ålder och menopausal status på bröstkorgens benarkitektur

Variationer i bröstkorgen handlar om mer än storlek och könsskillnader. Faktorer som ålder och menopausal status påverkar både bentätheten (BMD) och mikroarkitekturen, vilket därmed förändrar de biomekaniska egenskaperna.

Metod: Analysera faktorer som relaterar till kön och genus

Faktorer som är relevanta i THOMO-projektet:

1. Ålder Bentätheten ökar långsamt från födseln till puberteten och sedan snabbt under flera år efter puberteten fram till en platåfas som varar in i 30-årsåldern. Sedan avtar bentätheten gradvis i takt med stigande ålder. Det finns könsskillnader i hur bentätheten utvecklas. Eftersom puberteten inträffar tidigare hos kvinnor än män, når kvinnor toppnivån för bentäthet i ländkotorna tidigare (vid 18–20 år) än män (20–23 år) (Boot et al., 2010). Könsskillnader har också observerats i minskningen av bentätheten som startar tidigare hos män, men sker snabbare hos kvinnor, särskilt efter menopaus (Min et al., 2010; Li et al., 2003).

   Både biomekaniska experiment på kroppar och epidemiologiska studier av skador klarlägger relationen mellan ålder, bentäthet och benstyrka. Ur biomekaniskt perspektiv är volymetrisk bentäthet en stark prediktor för frakturrisk (Diederichs et al., 2009). Epidemiologiskt innebär "minskad skelettmassa och försämrad återhämtningsförmåga [med stigande ålder] att trauma och dess följder är bland de tio främsta dödsorsakerna hos 65-åringar och äldre, där fordonsolyckor […] är en av de vanligaste traumaorsakerna" (Gayzik et al., 2008).

   Av dessa skäl kan det vara relevant att utföra biomekaniska tester på kvinno- och manskroppar från olika åldersgrupper för att kunna utveckla en toraxmodel.

2. Menopausal status Hos kvinnor leder klimakteriet till både snabbare förlust av benmassa och förändringar av benens mikroarkitektur (Sowers et al., 2010; Müller, 2005). Därför kan biomekaniska tester som utförs med ben som tagits från både pre- och postmenopausala kvinnokroppar öka THOMO:s tillförlitlighet när det gäller en bredare population.

Gå till Metoder – allmänt

De här faktorerna kan vara svåra att analysera på grund av begränsad tillgång till kroppar för studier och begränsade resurser. Om faktorerna inte kan inkorporeras i THOMO-modellen under utvecklingen, kan de beaktas under valideringen.

Potentiellt mervärde 2: Inkludera befolkningar från olika geografiska platser

Storleksprecentilerna som används av THOMO-forskare återspeglar kroppsvikten. Även om det finns könsskillnader i genomsnittlig kroppsvikt, är kön inte den enda prediktorn för vikt, och inte heller nödvändigtvis den viktigaste. Kroppsvikten skiljer sig mellan länder, och att studera kroppar från olika länder breddar tillämpligheten för THOMO.

Metod: Analysera faktorer som relaterar till kön och genus

Det är en utmaning att göra systematiska jämförelser av kroppsvikter för olika länder. De flesta databaser rapporterar body mass index (BMI), inte själva kroppsvikten, eftersom BMI är en bättre indikator för epidemiologin för fetma och undernäring (Finucane et al., 2011). Data visar ändå på betydande skillnader i kroppsvikt mellan länder, och dessa skillnader kan vara större än skillnaderna mellan kön. Exempel: En genomsnittlig amerikansk man väger 16 procent mer än en genomsnittlig amerikansk kvinna (Ogden et al., 2004). En genomsnittlig koreansk man väger 21 procent mer än en genomsnittlig koreansk kvinna (Nam-Kyu, 2009). Om man antar att fördelningen mellan könen är densamma i USA och Korea, innebär det att en genomsnittlig amerikan väger 29 procent mer än en genomsnittlig korean. En genomsnittlig amerikansk kvinna väger mer (74 kg) än en genomsnittlig sydkoreansk man (69 kg) (Nam-Kyu, 2009; Ogden et al., 2004).

Gå till Metoder – allmänt

Potentiellt mervärde 3: Modellbröstvävnad

Forskare kan förbättra de människoliknande modellerna genom att undersöka vilka frågor man ställer om bröstvävnadens betydelse vid skador på grund av en fordonskollision.

Metod: Formulera forskningsfrågor

Bröstvävnaden är viktig av två anledningar; dels på grund av den direkta skadan på bröstet, dels på grund av skillnader i placeringen av säkerhetsbältet, vilket kan få stor effekt vid en kollision.

• Skador på bröstet vid fordonskollisioner

  Användningen av säkerhetsbälte gör mycket stor skillnad för säkerheten vid en krock, men trepunktsbältets komprimerande och skärande krafter kan orsaka bröstskador, inklusive skador på bröstvävnaden, även om sådana är ovanliga (Paddle et al., 2009). Bröstvävnadsskador kan variera i svårighetsgrad från milda krosskador med blåmärken till svåra brösttrauman där bröstet rycks loss från bröstväggen och det uppstår inre blödningar på grund av skadade blodkärl på revbenens insida (Paddle et al., 2009).

  Bröstskador är särskilt bekymmersamma hos ammande kvinnor eftersom mjölkgångarna kan gå sönder (Sircar et al., 2010). Problem kan också uppstå för kvinnor med bröstimplantat (Gatta et al., 2006).

  Skador på mjuka bröstvävnader är inte något som enbart drabbar kvinnor. Fall av Mondors syndrom – som orsakas av skador på vener i bröstkorgsväggen – har rapporterats hos både kvinnor och män efter trafikolyckor där patienten haft säkerhetsbälte på sig (Gatta et al., 2006).

• Bröst och placering av säkerhetsbälte
  

  Vissa kvinnor placerar säkerhetsbältet felaktigt eftersom de upplever det som obekvämt att lägga axelremmen över brösten. Felaktig användning av säkerhetsbältet innebär en betydligt ökad risk att skadas vid en krock (Nordhoff, 2005).

  Under graviditeten "sker antropomorfiska förändringar i hela kroppen och inte endast i bukområdet" och förändrad bröststorlek "är särskilt betydande eftersom detta påverkar säkerhetsbältets bekvämlighet och placering" (Acar et al., 2009). Säkerhetsbälten som är anpassade för bukmåttet hos 95:e percentilen icke-gravida kvinnor tar inte hänsyn till de 62 procent gravida kvinnor i tredje trimestern som har större bukmått (Acar et al., 2009a). Forskare arbetare med att utveckla finita elementmodeller för att förbättra fordonssäkerheten för gravida kvinnor (Acar et al., 2009b) (se fallstudien Gravida krockdockor).

Gå till Metoder – allmänt

The European Commission asked the Gendered Innovations project to review some of their Framework Programme 7 research (FP7). One project we reviewed was THOMO—the "Development of a Finite Element Model of the Human Thorax and Upper Extremities." THOMO aims to improve automobile safety. We identify gendered innovations in THOMO research, methods of sex and gender analysis, and points of potential "value added" for this research through the future application of gendered innovations methods.

Test subjects are important for automobile design, seatbelt design, and crash test dummy design. Historically, a 50th percentile (by height and weight) male cadaver thorax was used in crash tests. Standards often default to male (see chart below).

Gendered Innovations:

THOMO included female bodies in the design of their research. They chose bodies also at the 5th percentile of humans—a much smaller body—that includes many women AND men of smaller stature. Innovations good for women are often also good for men. Taking both women and men—of various ethnic backgrounds—as the norm expands creativity in science and technology. From the start, products, devices, and therapies can be designed for a broad population. This will ensure the safety of the broadest group of users.

Potential Value Added to Future Research through the Application of Gendered Innovations Methods:

Analyzing Factors Intersecting with Sex and Gender suggests three value-added hypotheses for future research in this area:

1. Studying the effects of age and menopausal status on thoracic bone architecture is important because bones become weaker as people age, especially for women after menopause.
2. Including geographically-diverse populations may be crucial. Populations differ by size—Asian men, for example, might be more similar in size and weight to European women than to European men.
3. Modeling breast tissue may be important. Breast tissue can be damaged in accidents, which can be significant, especially for women who are breast feeding. Breast tissue also often determines how the seatbelt sits across the body, and can be important in how the ribs absorb shock.