利用人体测量学头颈部模型、基于光纤的贴合力度传感器、一系列头部加速度与颈部力/力矩传感器，以及双高速摄像系统，我们构建了一个用于研究头盔固定性能及其对头部撞击所致头颈部损伤生物力学指标影响的实验平台。
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本文内容
摘要
摘要
传统观念以及国际头盔测试与认证标准中的表述均表明，头盔在冲击过程中的合适佩戴与有效固定是保护佩戴者免受冲击所致损伤的重要因素。本论文旨在通过分析模拟佩戴头盔的冲击实验，研究不同头盔佩戴状态下的冲击损伤机制。实验采用人体测量测试装置（ATD）、一组头型加速度传感器和颈部力/力矩传感器、双高速摄像系统，以及本研究团队基于光纤布拉格光栅开发的头盔佩戴力传感器。为模拟冲击过程，装配有传感器的头型与柔性颈部沿直线导轨下落至冲击砧板上。该实验平台可模拟最高达8.3 m/s速度的头部冲击，冲击表面可为平面或倾斜面。头型上佩戴撞击用头盔，通过针对头盔位置指数和/或头盔尺寸进行特定情境的调整，可模拟多种佩戴状态。为量化头盔的固定效果，采用事后图像分析方法测量头盔在头型上的位移。为评估头部与颈部的损伤风险，测量基于头型加速度及颈部力/力矩的生物力学参数。这些生物力学参数通过与已建立的人体耐受曲线进行比较，可估算严重危及生命或轻度弥漫性脑损伤以及骨韧带性颈部损伤的风险。据我们所知，本研究所展示的实验平台是首个专门用于评估头盔佩戴与固定状态对头部和颈部生物力学损伤影响的系统。
引言
大多数流行病学证据表明，自行车头盔可为各年龄段的骑行者提供预防头部损伤的保护作用1。生物力学文献一致表明，与未佩戴头盔的头部相比，佩戴头盔的头部在受到撞击时所遭受的头部/脑部损伤相对较轻2。一些研究指出，头盔佩戴不合适会增加头部受伤的风险3，这意味着头盔只有在正确佩戴时才最有效。根据不同研究对“合适佩戴”的定义标准，佩戴头盔的骑行者中佩戴不当的比例高达64%3。尽管流行病学证据表明，在撞击事件中头盔是否合适会影响头部损伤的严重程度或发生概率，但目前尚缺乏在受控实验室条件下，系统评估正确佩戴或头盔固定系统是否对损伤的生物力学指标具有显著影响的实验研究。一项相关研究利用有限元模型模拟了摩托车头盔在不同尺寸下的撞击情况，探讨了尺寸对撞击结果的影响4。另一项相关研究在实验撞击过程中，使用压力敏感薄膜量化美式足球头盔中的贴合压力，从而分析头盔尺寸的影响5。自行车和摩托车头盔的固定系统在撞击中的作用也已被研究6,7，此外还包括针对学龄前儿童头盔向后佩戴情况的研究6。
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方案
1. 头盔适配情景设置
- 在头部周长为 575 mm 的人体测量测试装置头部与颈部（Hybrid III 第 50 百分位男性）上定义拟研究的适配场景。
注：四种适配场景的示例如 表 1 所示，头盔位置对应于 图 1。前倾和后仰的适配场景基于以往流行病学研究中对正确佩戴头盔的定义，即头盔不应遮挡眉毛或暴露前额3。 - 针对每种场景，在头模上标记头盔佩戴位置，以确保头盔适配场景能够被一致地重复。
- 所有适配场景均使用经 CPSC 认证的头盔（提供通用码和加大码）。
注：根据制造商提供的适配指南，通用码最适配该头模的头围。- 对于每种适配场景，保持其他适配参数一致。具体而言，收紧下巴绑带，使下颌下方留出约一根手指宽度的空间，并手动拧紧可调节旋钮以保持稳固贴合。
2. 拟合力测量
- 在头模的皮肤上布置五个贴合传感器，分别位于前部、后部、左侧、右侧和顶部（图2）。
注：这些传感器是研究团队开发的布拉格光栅力传感器的改进版本19
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结果
装配力测量
针对每种装配情况，在每个传感器位置进行装配力测量（图12），并采用假设方差不等的t检验分析显著性（p < 0.05）。所有测量结果的平均标准偏差为±0.14 N。较高的装配力表示装配更紧密。
头部运动学与颈部动力学数据
典型跌落过程中测得的合成头部线性加速度、头部角加速度、头部角速度、上颈部力和上颈部力矩如图所示（图13 至 图17）。合成值通过计算 x、y 和 z 方向矢量的绝对范数获得（图3）。此外，在整个冲击过程中还计算了基于颈部轴向力和力矩推导出的颈部损伤.......
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讨论
本文介绍了在模拟佩戴头盔的头部冲击中研究头盔适配性的方法。通过适配力传感器量化头盔的适配性，使用装有颈部的人体模型头模在导轨式落塔上模拟冲击，并通过高速视频追踪头盔的运动。在不同适配条件下模拟了多种冲击场景，以研究头盔适配性对生物力学指标的影响。
头盔贴合传感器能够区分不同头盔佩戴情况下贴合力的差异（图12）。不同佩戴情况之间的贴合力趋势与头盔性能的相关性较弱。预期贴合稳定性较差的佩戴方式（例如向后倾斜的佩戴，如图1所示）会表现出显著更低的贴合力。尽管头盔移动幅度增加（向后倾斜佩戴，图19），但与正常佩戴相比，仅在一个传感器位置检测到向后倾斜佩戴时的贴合力显著降低。该结果表明，头盔在头部的紧度可能并非决定其动态稳定性的唯一因素。本研究中，贴合力的测量是在头部倒置的情况下进行的。测量也可在头部正立的位置进行，这将导致在头顶部位测得的力高于本研究中报告的数值。然而，比较不同佩戴情况下贴合力的.......
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披露
作者声明无利益冲突，且不会因本文的发表而获得任何经济利益。
致谢
我们衷心感谢加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）（发现基金 435921）、Pashby 运动安全基金（2016 年：RES0028760）、班廷研究基金会（发现奖 31214）、NBEC 公司（加拿大）以及阿尔伯塔大学工程学院和机械工程系提供的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Hybrid III 头部模型 | Humanetics 或 Jasti-Utama | N/A | 第50百分位假人，用于冲击模拟 |
| Hybrid III 颈部 | Humanetics 或 Jasti-Utama | N/A | 第50百分位假人，用于冲击模拟 |
| 线性加速度计 | Measurement Specialties | 64C-2000-360 | 用于头部加速度测量 |
| 上颈部载荷传感器 | mg Sensor | N6ALB11A | 用于颈部载荷测量 |
| 高速相机 | Vision Research | v611 | 用于运动捕捉 |
| 相机镜头 | Carl Zeiss | N/A | 50 mm f1/.4，用于运动捕捉 |
| 相机镜头 | Carl Zeiss | N/A | 100 mm f/2.0，用于运动捕捉 |
| 自行车头盔 | Bell | N/A | Traverse |
| 数据采集系统 | National Instruments | PXI 6251 | 用于 Hybrid III 信号采集 |
| 头部冲击落塔 | University of Alberta | N/A | 定制设计，用于冲击模拟 |
| 光学解调仪 | Smart Fibres Ltd. | N/A | SmartScan，用于光学传感器力测量 |
| 头盔贴合力度传感器 | University of Alberta | N/A | 定制设计，用于测量头盔贴合力度 |
参考文献
- Thompson, D. C., Rivara, F. P., Thompson, R. S. Effectiveness of Bicycle Safety Helmets in Preventing Head Injuries: A Case-Control Study. JAMA. 276 (24), 1968-1973 (1996).
- Cripton, P. A., Dressler, D. M., Stuart, C. A., Dennison, C. R., Richards, D.
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重印与许可
