Ausgabe 14 · April 2012
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Wirksamkeit von Fahrradhelmen
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
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, sodass 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
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
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
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
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
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
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 (
Wie kann das sein, wenn sie doch in »Wirklichkeit« in unserem
Gedankenexperiment die Wahrscheinlichkeit einer Kopverletzung um
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
330 Verletzte, 218 Kopfverletzte (oH) 103 Verletzte, 17 Kopfverletze (mH)
Damit ergab sich eine Schutzwirkung von
Helmwirkung = (17 / 103) / (218 / 330) = 0,25
also
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
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 (
In der Seattle-Studie findet man
Um den Einfluss zu quantifizieren, nehmen wir einmal die
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