Fahrradzukunft

Ausgabe 14

April 2012

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Wirksamkeit von Fahrradhelmen

von Dr. Ingo R. Keck

Anders als normale Helme sollen Fahrradhelme nicht den Kopf gegen herabfallende Gegenstände schützen, sondern den fallenden Kopf gegen seine eigene Wucht, was mechanisch ungleich schwieriger ist. Sie greifen in ein über Jahrtausende optimiertes biologisches System ein und sollen trotz einfachster Konstruktion hochgradig effektiv sein: Bis zu 85 % aller Kopfverletzungen sollen sie verhindern können, wie man regelmäßig in der Presse lesen kann.

Wer sich mit dem Gebiet beschäftigt, wundert sich über derartige Wunderkräfte, die dem Fahrradhelm zugetraut werden. Die Wirklichkeit sieht ganz anders aus.

Biomechanik des Kopfes

Unser Gehirn liegt nicht fest im Schädel, sondern schwimmt im sogenannten Liquor, der Gehirnflüssigkeit. Das Gehirn besitzt praktisch die gleiche Dichte wie der Liquor, so dass kein Auftrieb entsteht, sondern das Gehirn quasi schwerelos ist. Dieses System ist nötig, um die Drucksprünge, die sekündlich durch das Einpumpen großer Mengen Blut entstehen, auszugleichen. Ein Nebeneffekt ist dabei, dass das Gehirn damit gegen zentrale Stöße (also Stöße in Richtung Schwerpunkt des Kopfes) perfekt geschützt ist: Wegen der identischen Dichte wirkt die Kraft lokal immer in die selbe Richtung, es gibt also keine Kräftegradienten, die das Hirngewebe auseinander ziehen würden. Gleichzeitig sind Flüssigkeiten und Gewebe im Gegensatz zu Gasen praktisch inkompressibel, geben also nicht nach. Dies gilt allerdings nur, solange sich der Schädelknochen nicht zu stark verformt – und hier kommt der nächste Schutz gegen Gehirnverletzungen ins Spiel: Der Schädel bricht und nimmt dadurch Energie auf. Entgegen landläufiger Meinung ist ein glatter Bruch des Schädeldachs ohne weitere Komplikationen kein großes Problem und heilt ohne Schwierigkeiten aus.

Richtig gefährlich für das Gehirn sind dagegen Rotationen. Hier versagt der Schutz durch den Liquor und starke Rotationsbeschleunigungen können sogar innerlich das Gehirn zerreißen (»Diffuse Axonal Injury«). Ein Großteil der Gehirnverletzungen geht wahrscheinlich auf das Konto dieser Rotationsverletzungen, da man im Tierversuch nur durch Rotation alle Symptome einer Gehirnverletzung produzieren konnte, dagegen durch zentrale Stöße nur leichte Gehirnerschütterungen oder fokale Verletzungen [Ommaya 1974] [Nahum et al. 1993]. Die Grenzwerte, ab denen es zu Schäden durch Rotation kommt, sind sehr gering, ab 3.000 rad/s2 kommt es zur Gehirnerschütterung, ab 4.000 rad/s2 mit Bewusstseinsverlust und ab 13.000 rad/s2 sind schwerste dauerhafte Hirnschädigungen zu erwarten. Rechnet man mit 10 cm Kopfradius, entsprechen 3.000 rad/s2 gerade mal einer tangential angreifenden linearen Beschleunigung von 300 m/s2, also 31 mal der Erdbeschleunigung »g«.

Zum Vergleich: Ein Trinkglas wird beim Fallen auf den Steinfußboden mit etwa 1.000 g abgebremst.

Sturzoptimierung durch die Evolution

Schaut man sich den menschlichen Schädel genauer an, stellt man fest, dass die Evolution nicht einfach nur auf Mechanik gesetzt hat, um Schäden zu vermeiden. Stattdessen stand offensichtlich im Vordergrund, einen Kontakt im Falle eines Falles ganz zu vermeiden: Im Kopf sitzt nicht nur das Gleichgewichtsorgan, das dem Gehirn ständig die genaue Position des Kopfes meldet, sondern auch noch zwei Augen, um Unfälle generell zu vermeiden und, nicht zu vergessen, eine sensible Kopfhaut mit Millionen von Tasthaaren (abgesehen von nicht mehr ganz jungen Männern). Kinder merken sehr schnell, dass »auf den Kopf fallen« weh tut und lernen nicht nur, es nach Möglichkeit zu vermeiden, sondern entwickeln auch eine sehr genaue Körperwahrnehmung dazu, wo ihr Kopf seine räumlichen Grenzen besitzt. Wer schon mal mit Helm in einem historischen Gebäude oder Industrie-Komplex gearbeitet hat, kennt das Problem, dass man sich ständig den Kopf (oder genauer den Helm) stößt – Körperbild und Realität mit Helm passen nicht mehr zusammen.

Zurück zum Fallen: Kinder lernen, beim Fallen den Kopf weg zu halten vom Boden. Praktisch funktioniert das wie die Kombination aus Gurt und Knautschzone im Auto – statt den Kopf aufprallen zu lassen, wird er über eine lange Strecke (so weit wie man ihn beim Fallen nach oben halten kann bis zum Boden) von der Halsmuskulatur vergleichsweise langsam abgebremst.

Ein Beispiel: Wenn ein Mensch mit dem Kopf in 1,5 m Höhe aus dem Stand wie ein nasser Sack umkippt, dann hat der Kopf kurz vor dem Boden eine Geschwindigkeit von 5,5 m/s (das sind typische Werte aus den Helm-Normen). Wenn der Mensch aber reagiert und den Kopf einrollt, also ihn zum Beispiel anfangs 20 cm über den Boden hält, dann sind es schon einmal nur 5 m/s Ausgangsgeschwindigkeit. Dann reichen lediglich 7 g + 1 g Bremsbeschleunigung, um den Kopf vor dem Boden auf 0 abzubremsen (a = 0,5 ∙ v2/s). 8 g sind, siehe oben, lediglich 25 % der Beschleunigung, ab der es zu einer Gehirnerschütterung kommen kann, also ungefährlich.

Biomechanik des Fahrradhelms

Ein Fahrradhelm greift nun in dieses evolutionär entwickelte System massiv ein: Der Kopfumfang erhöht sich deutlich, bei Kindern verdoppelt sich sogar die Querschnittsfläche. Dadurch steigt nicht nur die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts im Vergleich zum unbehelmten Kopf, auch das erlernte »Weghalten« beim Fallen wird deutlich erschwert oder sogar unmöglich gemacht. Mit der Folge, dass ein behelmter Kopf bei einem Unfall in der Regel deutlich wahrscheinlicher den Boden berührt und dabei auch deutlich höhere Geschwindigkeiten als ohne Helm hat. Auf das Auto übertragen entspricht ein Fahrradhelm also der Idee, die meterlange Knautschzone und den Gurt durch ein paar Zentimeter Styropor zu ersetzen.

Helme sind darauf ausgelegt, bei Fallgeschwindigkeiten von 5,5 m/s auf den oberen Teil des Helmes die maximal auftretende lineare Beschleunigung unter 250 g zu halten, sofern nur 5 kg Gewicht insgesamt fallen [Hansmeier 2001]. Ignoriert man einmal die praktische Unmöglichkeit, einen Unfall konstruieren zu können, der diese Bedingung erfüllt, ohne den Kopf vom Körper zu trennen und schaut nur das an, was die Normen vom Helm verlangen, so fällt folgendes auf:

Diese 250 g sind nicht nur deutlich mehr als das eingebaute menschliche »Rückhaltesystem« leistet, sie sind auch noch eine Größenordnung mehr als die 31 g tangentiale Beschleunigung, ab denen es durch die Rotation zu Hirnschäden kommt. Teilweise wird Helmen auch eine Schutzwirkung gegen Knochenbrüche angedichtet – doch hier liegen die Schwellwerte gerade mal bei 5,8 kN auf 50 cm2, das entspricht 110 g (F = ma, bei 5 kg Kopf) [Nahum 1993]. Sollte ein Helm also bei einem Unfall wie in der Norm dargestellt gewirkt haben, dann hätte das Unfallopfer in der Regel einen Schädelknochenbruch.

Die Helmnormen sind also nicht darauf ausgelegt, einen Schutz gegen Verletzungen zu gewährleisten. Historisch gesehen wurde in ihnen das definiert, was gerade technisch mit Helmen machbar war – offensichtlich auf den speziellen Bereich beschränkt, wo die vormals weit verbreiteten Sturzringe ihnen nicht das Wasser reichen konnten. Im Endeffekt wurden die Sturzringe heute praktisch vollständig vom Markt verdrängt.

Vor diesem Hintergrund ist es nun interessant zu sehen, wie Radhelme sich in der Realität auswirken.

Fahrradhelme und das Unfallgeschehen

Die größte Studie zu Fahrradhelmen dürfte die zugleich am wenigsten bekannte sein. 1987 wunderte sich Gregory B. Rodgers über die Ergebnisse einer anderen Studie, die nicht nur Fahrradhelmen in den USA überragende Schutzwirkungen zuwies, sondern Ähnliches auch für einem neuen Standard für Fahrräder in den USA. Rodgers besorgte sich die Daten für die USA für die Jahre 1973–1987 und fand recht schnell weitreichende Fehler in der Auswertung. Sein einfaches Regressionsmodell ergab nicht nur keinerlei Einfluss des Fahrradstandards, sondern stattdessen: Eine hochsignifikante Korrelation zwischen Helm und Todesfällen (0,08 (0,017 Standardfehler)) und zwischen den Trends bei Radfahrern und Fußgängern (1,10 (0,26)) bei angenommenen 7 Jahren Lebensdauer eines Fahrrads. Das Ergebnis bedeutet: Wenn 10 % mehr Radfahrer Helme tragen, kommt es zu 0,8 % mehr (nicht weniger) Todesfällen. Im weiteren ergab sich, dass das Unfallgeschehen der Radfahrer von denselben Faktoren beeinflusst wird wie bei den Fußgängern. Diese Faktoren haben einen viel größeren Einfluss als Fahrradhelme [Rodgers 1988].

Noch ein anderes interessantes Ergebnis findet sich bei Rodgers: Die Zahl der Helmträger korrelierte auch positiv mit der Zahl der Verletzten (16,5 (14,7)) und um eine Größenordnung geringer mit der Zahl der Kopfverletzten (1,2 (1,5)). Diese Ergebnisse sind nicht signifikant. Es ist aber wahrscheinlich, dass mehr Fahrradhelme zu mehr Kopfverletzungen geführt haben. Und immerhin als Trend zeichnet sich ab, dass sie auch die Zahl aller Verletzungen mehr als verzehnfachen könnten. Jedenfalls werden Verletzungen durch das Tragen von Fahrradhelmen nicht weniger.

Wie wirken sich Rodgers’ Ergebnisse auf die Wirkung von Fahrradhelmen aus? Dazu ein kleines Gedankenexperiment: Geht man davon aus, dass ohne Helm pro Jahr 1.000 Radfahrer mit Kopfverletzungen und 10.000 Radfahrer mit Verletzungen an anderen Stellen auftreten und alle in einer klinischen Statistik erfasst werden.

Jetzt setzen 1,5 % der Radfahrer einen Helm auf. Es bleiben:
9.850 Verletzte, 985 Kopfverletzte (ohne Helm (oH)) 2.625 Verletzte, 33 Kopfverletzte (mit Helm (mH)), denn der Helm erhöht in unserem Beispiel ja die Risiken.

Man könnte jetzt auf die Idee kommen, die Wirksamkeit des Fahrradhelms direkt auf Basis dieser Zahlen berechnen zu können. Dazu machen wir eine Fall-Kontroll-Studie, nehmen die Kopfverletzen als »Fälle« und die Verletzten als »Kontrollen«. Die Wirksamkeit des Helmes definiert sich dann aus den Verhältnissen der Häufigkeiten beider Gruppen, im Englischen »odds ratio« genannt:

Helmwirkung = (Fälle mH ÷ Kontrollen mH) ÷ (Fälle oH ÷ Kontrollen oH)

In unserem Beispiel:
Helmwirkung = (33 ÷ 2.625) ÷ (985 ÷ 9.850) = 0,125

Also schützen die Helme in unserem Beispiel vor (100 % – 12,5 %) = 87,5 % aller Kopfverletzungen!

Wie kann das sein, wenn sie doch in »Wirklichkeit« in unserem Gedankenexperiment die Wahrscheinlichkeit einer Kopverletzung um 120 % erhöhen und die Wahrscheinlichkeit einer Verletzung sogar um 1.650 %? Der Trick ist, dass unsere Fall-Kontroll-Studie implizit davon ausgeht, dass sich Radfahrer mit Helm und ohne Helm mit der selben Wahrscheinlichkeit verletzen und dass der Einfluss des Helms nur auf die Kopfverletzungen beschränkt bleibt.

Die Seattle-Studie – auch bekannt als »Bis zu 85 % aller Kopfverletzungen …«

1989 wurde dann eine Studie von Thompson und seinen Mitarbeitern publiziert, die heute noch den wichtigsten Wegbereiter für den Radhelm darstellt: »A Case-Control Study of the Effectiveness of Bicycle Safety Helmets« [Thompson et al. 1989]. Diese Studie nutze die gleichen Fall- und Kontrollgruppen wie in unserem Gedankenexperiment (allerdings war die überwiegende Mehrheit der verletzten Radfahrer Kinder), besitzt aber zusätzlich noch eine weitere Kontrollgruppe, bestehend aus Radfahrern einer Krankenversicherung (hier ebenfalls wieder über 85 % unter 15 Jahre alt). Sie fanden:

330 Verletzte, 218 Kopfverletzte (oH) 103 Verletzte, 17 Kopfverletze (mH)

Damit ergab sich eine Schutzwirkung von

Helmwirkung = (17 ÷ 103) ÷ (218 ÷ 330) = 0,25

also 75 % Schutz vor Kopfverletzungen. Doch wie kamen sie auf die populären 85 % Schutzwirkung? Das ging mit der zweiten Kontrollgruppe der Krankenversicherung:

428 Kontrollen, 218 Kopfverletzte (oH) 130 Kontrollen, 17 Kopfverletze (mH)

Damit ergibt sich zwar auch nur eine Schutzwirkung von

Helmwirkung = (17 ÷ 130) ÷ (218 ÷ 428) = 0,26

aber diese wurde durch die Anpassung an die Unterschiede der Gruppen zwischen Kontrollen und Fällen auf 0,15 angehoben, was einer Schutzwirkung von 85 % entspricht.

Wer hat Recht?

Wer hat nun Recht? Die Studie von Rodgers, zwar kaum bekannt, in der aber die gesamte USA über mehrere Jahre hinweg beobachtet wurde, oder die Studie von Thompson und Mitarbeiter, tausendfach zitiert, die den Einfluss des Helms auf die Wahrscheinlichkeit einer Verletzung trotz deutlicher Hinweise einfach ignoriert?

Die Antwort liegt darin, die Nebeninformation beider Studien zu untersuchen. Steigt die Verletztenzahl durch den Helm, sollten sich unter den Verletzten deutlich mehr Helmträger als auf der Straße finden (90 % der Verletzungen ereigneten sich auf gepflasterter oder asphaltierter Fläche). Reduziert der Helm wirklich die Kopfverletzungen, sollte man unter den Verletzten dieselbe Helmtragequote wie auf der Straße feststellen. Gibt es interne Unterschiede in den Kontrollgruppen die den Vergleich beeinflussen, dann sollte sich der Helm auch auf die Wahrscheinlichkeit einer Verletzung auswirken.

In der Seattle-Studie findet man 7,2 % Helmträger unter den Kopfverletzten, 23,8 % Helmträger unter den Verletzten und 23,3 % bei der zweiten Kontrollgruppe. Aber wie hoch war der Anteil der Helmträger auf der Strasse? Zum Glück fanden praktisch zeitgleich zur Seattle-Studie Zählungen dazu statt, die in einem anderen Artikel veröffentlicht wurden, interessanterweise mitverfasst von F. P. Rivara, ebenfalls Mitautor von [di Giuseppi 1989]. Demnach war die Helmtragequote in Seattle über alle Zählstellen gerechnet gerade mal 5,5 %, auf der Fahrbahn wahrscheinlich deutlich darunter (leider wird hier nur ein Wert von 2,2 % für Seattle und Portland zusammen angegeben). Es spricht also einiges dafür, dass die gemessene Schutzwirkung der Seattle-Studie in Wirklichkeit durch den genau gegenteiligen Effekt hervorgerufen wurde: Deutlich mehr Verletzte und etwas mehr Kopfverletzte durch den Helm.

Um den Einfluss zu quantifizieren, nehmen wir einmal die 2,2 % als korrekten Wert für die Helmtragequote auf der Straße an. Dann müssen wir den tatsächlichen Faktor F des Helmeinflusses berechnen über

F = \frac{(V-V_{oH}) * (1-HTQR)}{HTQR * V_{oH}}

Ein F = 1 würde eine identische Wahrscheinlichkeit für eine Verletzung bei Helmträgern und Nicht-Helmträgern bedeuten, ein F kleiner 1 eine geringere Wahrscheinlichkeit für die Helmträger, ein F größer als 1 eine größere Wahrscheinlichkeit.

Dabei steht V für die Gesamtzahl der Verletzten, HTQR für die reale Helmtragequote und VoH für die Verletzten ohne Helm.

Setzt man die bekannten Zahlen ein, ergibt sich:

  • Bei den Kopfverletzten ein Faktor von 3,5
  • Bei den Verletzten ein Faktor von 14

Die Ergebnisse der Studie aus Seattle sprechen also genauso gut für eine massive Erhöhung der Verletzungswahrscheinlichkeit durch den Helm. Und sie decken sich im Rahmen der Messgenauigkeit gut mit den Ergebnissen von Rodgers.

Zusammenfassung

Helme, die statt zu schützen das Verletzungsrisiko erhöhen, und Studien, die ihnen trotzdem wunderbare Schutzwirkungen attestieren, widersprechen sich nicht wirklich, wie das Beispiel in diesem Artikel zeigt. Wer einen Überblick über das Gebiet hatte, konnte schon 1988 nach der Lektüre des Artikels von Rodgers wissen, wie Radhelme wirklich wirken und warum die Fall-Kontroll-Studien, die danach überraschend hohe Wirksamkeit zeigten, so gänzlich ungeeignet sind, in dieser Frage korrekte Antworten zu liefern.

Nachtrag: Sehr informative Präsentation zum Thema Helmpflicht und ihre Auswirkungen

Zum Autor

Dr. Ingo R. Keck, Physiker, arbeitet als Dozent für Statistik an der Universität Regensburg. Nach vielen Jahren ohne Fahrrad im Ausland erfreut er sich gerade an Spike-Reifen, LED-Licht und Kinderanhänger.

Literatur

Hansmeier 2001
Patrik Hansmeier: Radhelme und ihre Normen. Hardshell
Nahum 1993
Nahum et al. 1993
Alan M. Nahum, John W. Melvin (Hg.): Accidental Injury, Biomechanics and Prevention. Chapter 11. New York: Springer-Verlag, 1993
Ommaya 1974
A. K. Ommaya, T. A. Genneralli: Cerebal Concussion and Traumatic Unconsciousness. In: Brain, Bd. 97, 1974. S. 633–654
Rodgers 1988
G. B. Rodgers: Reducing Bicycle Accidents: A Reevaluation of the Impacts of the CPSC Bicycle Standard and Helmet Use. In: Journal of Products Liability, Bd. 11, 1988. S. 307–317
Thompson et al. 1989
R. S. Thompson, F. P. Rivara, D. C. Thompson: A Case-Control Study of the Effectiveness of Bicycle Safety Helmets.In: The New England Journal of Medicine. Bd. 320, 1989. S. 1361–1367
di Giuseppi 1989
C. G. di Giuseppi, F. P. Rivara, T. D. Koepsell, L. Polissar: Bicycle Helmet Use by Children. In: JAMA, Bd. 262, 1989. S. 2256–2261

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