Analysis of different averaging techniques to describe the kinematics of human occupants in frontal decelerations

Abstract

Esta tesis analiza tres métodos de estandarización de trayectorias para caracterizar el movimiento de ocupantes durante simulaciones de choque frontales a baja velocidad y evaluar la variabilidad asociada a la edad en la respuesta. El conjunto de datos incluye trece voluntarios varones (nueve jóvenes y cuatro de edad avanzada), cuyas trayectorias del tronco superior fueron registradas mediante marcadores colocados en puntos de referencia anatómicos. El objetivo es estudiar cómo las diferencias individuales, especialmente la edad, influyen en el movimiento de los ocupantes en situaciones similares a un choque, y evaluar la idoneidad de distintos enfoques analíticos para describir esta variabilidad.

El primer método aplica una aproximación mediante B-splines para suavizar las trayectorias de los marcadores, seguida de un Análisis de Componentes Principales (PCA) y modelos de regresión para identificar patrones dominantes de movimiento y su relación con las características de los sujetos. El segundo método se centra en el instante de máximo desplazamiento de la cabeza, analizando las posiciones relativas entre marcadores mediante PCA y métricas adicionales, como ángulos en las vértebras y distancias entre marcadores. El tercer método utiliza reparametrización por longitud de arco junto con registro temporal de señales, con el objetivo de alinear trayectorias entre sujetos, generando curvas medias de movimiento y envolventes de variabilidad por grupo de edad.

Los resultados muestran que cada método aporta una perspectiva distinta para comprender la cinemática del ocupante durante el choque. Mientras que el primero detectó diferencias sutiles en el patrón de movimiento torácico entre grupos de edad, el segundo evidenció variaciones sistemáticas en la alineación espinal de los mayores. El tercero confirmó un menor desplazamiento hacia delante y una mayor variabilidad en los sujetos de avanzada edad. Aunque el tamaño muestral es limitado, los hallazgos demuestran el valor de estos enfoques para capturar diferencias individuales y respaldar el desarrollo de sistemas de seguridad más inclusivos y representativos.

This thesis investigates three trajectory standardization methods to characterize human motion during low-speed frontal decelerations and assess age-related variability in biomechanical responses. The dataset consists of thirteen male volunteers (nine young and four elderly) whose upper-body kinematics were recorded using motion capture markers placed on anatomical landmarks. The aim is to explore how individual differences, particularly age, influence occupant movement in crash-like scenarios, and to evaluate the suitability of different analytical techniques for capturing this variability.

The first method applies B-spline approximation to smooth landmark trajectories, followed by Principal Component Analysis (PCA) and regression modeling to identify dominant motion patterns and their relationship to subject characteristics. The second method focuses on the time frame of maximum head displacement, analyzing relative landmark positions through PCA and additional posture metrics, such as joint angles and inter-landmark distances. The third method employs arc-length re-parameterization and signal registration to align trajectories across subjects, generating average motion curves and variability envelopes for each age group.

Results show that each method offers a distinct lens for understanding occupant kinematics. While the first method revealed subtle differences in thoracic motion patterns between age groups, the second highlighted systematic variations in spinal alignment among elderly participants. The third method confirmed that older subjects exhibited reduced forward displacement and greater variability throughout the motion. Although the sample size was limited, the combined insights from these techniques demonstrate their value in capturing individual differences and contribute to the development of more inclusive and representative safety systems.