Name: 现代橄榄球头盔的冲击缓解：位置特定设计的进展与局限 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2026-01-13T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 36 s
Description: 了解美式橄榄球头盔在不同位置冲击下缓解平移与旋转加速度的效果。本研究使用Hybrid III头颈模型测试四种头盔设计，发现现代头盔在减少平移加速度方面效果显著，但在缓解旋转加速度尤其是后部冲击方面存在局限。

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本工作的支持部分由俄亥俄州工人赔偿局提供，项目编号 # WSIC25-240315-028。

所使用的耗材和设备列于材料表中。
1. 数据收集概述
本研究使用了来自两家制造商的四种不同头盔型号。包括2022款SpeedFlex（Riddell，Rosemont，IL），记为H1；Zero 2（Vicis，Seattle，WA），记为H2；专为进攻和防守锋线球员设计的Zero 2 Trench（Vicis，Seattle，WA），记为H2T；以及专为四分卫设计的Zero 2 Quarterback（Vicis，Seattle，WA），记为H2Q。需要注意的是，H2与H2Q之间的差异并不明显。每种头盔型号各测试了三个独立样本，共计12顶头盔。
本研究遵循了 Cummiskey 等人所建立的基本实验步骤。34,44，以及 McIver 等人35. 与这些先前的研究一致，50th 百分位混合III型头部与颈部组件测试装置固定于钢制基板上，用于量化直接冲击裸头模型以及每种测试型号的三种头盔时产生的力和加速度。此处定义的冲击缓解效果，仅指由于头盔存在所导致的加速度降低程度。
2. 数据收集的详细过程
在确保数据采集设备（DAQ）和运行 LabView 程序的计算机已正确连接电源后，将所有传感器接入数据采集设备（DAQ）。
3. 软件初始化
双击名为“Hammer_Time_2017.vi”的自定义LabView程序，以启动数据采集。随后在相应字段中输入基本数据，包括最终数据文件的存储路径、每个文件的敲击次数（通常为五次）、每个位置的文件数量（通常为四个）以及头戴装置的配置文件。数据输入完成后，通过点击运行按钮启动LabView程序。
为了对整个系统进行初步评估，使用模态冲击锤敲击前端、顶部和侧面，以确认冲击锤及全部九个加速度计均能成功采集数据。
4. 冲击递送
每次冲击过程中，根据Padgaonkar等人45定义的3-2-2-2配置，使用九加速度计阵列测量质心（CoM）处的合成加速度。对每次正向和斜向冲击均采集200 ms的时间序列数据，其中包含70 ms的触发前信号，从而获得130 ms的加速度和冲击力测量数据，所有信号的采集频率均为5120 Hz。
5. 冲击类型
针对所有测试情况（无头盔的头模及每种头盔模型），共评估了十四种冲击类型（图1），代表在七个冲击位置（前部、前部凸起、侧面、后部凸起、后部、顶部以及SpeedFlex切口处）的两种入射角度（法向和斜向）。法向冲击垂直于表面施加，斜向冲击则以约45o的角度相对于法向方向施加。这些冲击类型此后分别记为：（1）前部-法向，（2）前部-斜向，（3）前部凸起-法向，（4）前部凸起-斜向，（5）侧面-法向，（6）侧面-斜向，（7）后部凸起-法向，（8）后部凸起-斜向，（9）后部-法向，（10）后部-斜向，（11）顶部-法向，（12）顶部-斜向，以及在SpeedFlex切口位置的（13）切口-法向和（14）切口-斜向（图1）。为简化对特定位置冲击缓解特性的讨论，还定义了两个汇总区域：头盔的前部区域包括冲击类型1、2、3、4、13和14；头盔的后部区域则由冲击类型7、8、9和10组成。
首先使用模态调谐的冲击锤（PCB Piezotronics, Inc.；Depew, NY）对裸露的头部模型施加冲击，具体方法如 Cummiskey 等人所述34,44，以记录冲击过程中施加的力。
对于每次敲击，模态冲击锤触发了200 ms的采样窗口。在对数据进行目视检查以确保无记录错误后，按下保存按钮将数据写入文件。由于实验过程较为剧烈，大多数记录错误源于松动的导线、断裂的锤击电缆或损坏的加速度计导线。每个文件记录五次敲击，每个位置采集四个文件，因此在每个位置共记录二十次冲击，冲击水平分为五个等级：1级（2–4 Ns）、2级（5–7 Ns）、3级（8–10 Ns）、4级（11–13 Ns）、5级（&gt; 14 Ns），每个等级重复三次。
在获取裸头模型参考数据集后，按照制造商的规格，将每种头盔的三个样品依次安装到头模型上。图2展示了对每顶头盔实施全部14种冲击类型的过程。这些步骤使得每种头盔型号共采集到840个数据点。需要注意的是，在每个位置采集最后一次、也是最大强度的锤击数据时，使用了高速摄像机以959 Hz的帧率记录冲击过程（图3）。
6. 后处理
本研究聚焦于作用于Hybrid III头部模型所产生的两个重要输出参数：峰值平动加速度和峰值转动加速度，分别记为ap,和<img alt="动态平衡，角加速度方程，θ̈p，物理公式，转动运动分析" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq1.jpg" style="margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="方程 1">。为了便于比较，这些参数被转换为无量纲形式，分别表示为<img alt="静态平衡，方程，ΣFx=0，ΣFy=0，示意图，教育关键词，受力分析图" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq2.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="方程 2">和<img alt="静态平衡方程；符号θ̈p与转动动力学分析相关" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq3.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="方程 3">，如Cummiskey等人所述34， 
<img alt="静态平衡方程；\(\overline{a_p} = \frac{a_p t^2}{w_n}\)；描述运动的物理公式" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq4.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="方程 4">     (1) 
<img alt="角动力学方程，θ̈_p = θ̈_p t^2 示意图，阐释转动运动概念" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq5.jpg" style="margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="方程 5">    (2)
其中，t* 是参考时间（100 ms）与通过冲击锤测得的撞击持续时间之间的差值，wn 为颈部宽度。传递至头模（无头盔或戴头盔状态）的冲量也被转换为一个无量纲输入变量 <img alt="静力平衡方程 ΣFx=0, MA=0，附示意图；物理学研究中的受力平衡分析。" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq6.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="公式 6">，其表达式为：
<img alt="静力平衡方程，示意图；积分公式 I̅ = t*∫F(t)dt/mhwn；定量分析。" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq7.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="Equation 7">    (3)
其中，mh 为头型部分的质量，F(t) 为随时间变化的冲击力，在冲击持续时间内进行积分。
使用自定义的 MATLAB 程序采集并处理加速度时程曲线。采集完成后，所有时程曲线均通过一个四阶巴特沃斯低通滤波器（截止频率为 750 Hz）以降低噪声。随后利用运动学方程计算质心处的合平动加速度和合转动加速度44,45。这些值以无量纲形式输出，用于评估头模的响应特性34。每次记录的冲击事件均输出其峰值平动加速度（PTA）和峰值转动加速度（PRA）作为时程数据。
7. 统计学分析
本研究还沿用了先前开发的数据降维和统计分析流程34,35。简而言之，<img alt="静力平衡，方程，ΣFx=0，ΣFy=0，示意图，教育关键词，受力分析图" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq2.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px; margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="方程 2"> 和 <img alt="静力平衡方程；符号 θ̈p 与转动动力学分析相关" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq3.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px; margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="方程 3"> 均被证明与无量纲冲量 <img alt="静力平衡方程 ΣFx=0, MA=0 配示意图；物理学中的力平衡分析" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq6.jpg" style="font-size: 14px; opacity: 0.9; margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="方程 6"> 之间存在幂律关系46。对于平动加速度，该模型的形式为：
<img alt="静力平衡方程：a̅p = B1I̅^β1；与力平衡分析相关的公式。" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq8.jpg" style="margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="Equation 8">    (4)
采用类似的方法对无量纲旋转加速度进行建模。随后使用Grubb方法的改进版本剔除异常值，并生成最终的曲线拟合34。采用α水平为0.05的协方差分析（ANCOVA）检验各头盔回归系数之间的差异，并进行Tukey事后检验及Holm-Sidak p值校正34,47。
通过该过程生成的最终中间渐近曲线被用于确定每顶头盔的冲击缓解效果。在使用介于<img alt="静力平衡方程 ΣFx=0, MA=0 及示意图；物理学研究中的受力平衡分析" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq6.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px; margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="方程 6">的最小值与最大值之间的总共100个等间距数值计算出每条曲线下面积后，即可确定头盔在各个位置的有效性（图4）。
<img alt="用于比较戴头盔与未戴头盔情景的缓解公式，数学方程。" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq9.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="方程 9">    (5)
上述过程同样重复应用于峰值角加速度。冲击衰减值的最大值为1（代表100%的衰减），衰减值越高，头盔的防护性能越好。将0.05的衰减变化作为阈值，代表具有实际物理意义的效应量大小。这一增幅相当于最大可能衰减程度的5%，对于一个整个赛季参与对抗性运动并累积典型数量（500–1,000次）头部冲击暴露的普通运动员而言，大致可消除其中25–50次头部冲击的影响1,12。

作者声明他们与本研究无任何利益冲突。

尽管最新一代头盔可减轻64%–87%的线性加速度和44%–88%的旋转加速度，现代美式足球头盔的Rear Aspect在总体上仍表现出较差的冲击缓解能力，尤其是针对9型冲击。此外，根据本测试协议，较新型号的H1总体性能并未优于SpeedFlex 18，但较新的Vicis头盔确实表现出普遍改进，其头盔后部的旋转冲击缓解率首次超过50%。
然而，必须认识到，头盔的前部与后部在冲击缓解评分上持续存在的差异，表明不应依赖单一指标来判定特定头盔的质量34,35,48,49,50。H2T 头盔在缓解线性加速度方面表现良好，但在缓解旋转加速度方面表现较差，这清晰地说明了使用单一指标评估如此复杂行为特征所存在的缺陷。从历史来看，现代美式足球头盔在缓解线性加速度方面已取得一定成效，但在考虑旋转加速度时，其性能则表现出更大的变异性34,35（图5）。
还应注意的是，目前这一代头盔似乎未能实现针对特定位置设计的头盔的设计目标。对于位置特异性头盔而言，区分平动加速度和转动加速度至关重要：多年来，NOCSAE 所要求的唯一测试模式是平动加速度，而转动加速度通常被认为与脑损伤的发生最为相关36,37,38,39,40,41。本研究方法的一个优势在于，平动加速度和转动加速度被分别进行表征、归一化和无量纲化处理，从而能够在整体评估和头盔性能设计中同时考虑这两方面因素。另一个优势是采用无头盔状态下的头部冲击数据对数据集进行归一化处理，有效消除了由于 Hybrid III 颈部结构的不对称性可能导致的颈部刚度差异，并提供了从 0 到 1 变化的简明合成平动和转动加速度衰减值，对应各个测试位置。该分析之所以可行，是因为同步集成了脉冲锤以测量施加到头模上的随时间变化的力，以及加速度计阵列以测量所产生的加速度。
尽管已有大量研究致力于表征在不同竞技水平的训练和比赛中头部所受到的加速度21,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62，但头部撞击过程中产生的力的大小尚未在实际情况下得到表征。in situ。为了估算橄榄球运动中所经历的峰值接触力，有研究指出，高中橄榄球运动员与女子足球运动员的头部加速度事件分布几乎完全相同61。一项基于实验室的足球头部撞击研究63显示，测得的峰值撞击力约为 4,600 N。考虑到头盔增加的质量，预计峰值力会高出约 30%。本研究中产生的峰值接触力为 5,307 N，处于预期的 6,000 N 范围之内。
线卫球员通常在额部区域承受最高比例的冲击1,12,59,64,65。H2T 头盔在减轻额部区域平移加速度方面表现最佳，但在考虑旋转加速度时，其性能不及其他头盔。头盔前部增加的材料使其质量增大，可能有助于减轻平移加速度，但似乎妨碍了外壳发生形变的能力，导致旋转加速度升高。这一设计策略令人意外，因为已有充分文献记录表明，Vicis 头盔的主要能量耗散机制依赖于外壳的柔韧性。
相比之下，四分卫以及许多外接手经常遭受头部后方的严重撞击。在考虑平移加速度时，H2Q 在四种后方撞击类型中的两种表现最佳；但在考虑旋转加速度时，H2Q 在所有四种后方撞击类型中的表现均不理想。目前尚不清楚为何 H2Q 在后方撞击方面的表现不如基础款 H2。头盔结构上并无明显差异，但制造商指出在某些未明确说明的位置存在垫层材料的不同。未来的研究应更详细地检验所有 H2 型号，重点对壳体66和垫层材料进行力学-化学分析，并开发高分辨率的计算模型，以分析其动态结构特性67,68,69,70,71,72,73。本研究收集的数据理想情况下应与此前对头盔所用各类材料的力学表征数据相结合66，以构建有限元分析模型，因为采用模态调谐的冲击锤可提供明确定义的力输入，与测得的加速度响应相匹配。理想情况下，此类分析应在敏感性分析框架内进行74,75,76,77。
目前的方法由于由人工施加每次打击，且打击范围预先设定，因此被认可存在一定的变异性。为弥补这一因素，确保每个减震指标均基于分布在既定冲量范围内的60次独立打击结果得出。因此，这可被视为测试方案的一个特点，因为在实际比赛中的冲击在力度、作用位置以及相对于头盔表面的倾斜角度方面均具有固有的随机性。另一个需要考虑的因素是锤头接触面的尺寸。在头盔与头盔碰撞的情况下，锤头接触面作用的面积大于头盔本身的接触面积；而相比之下，在头盔与地面碰撞时，其产生的接触面积又小于天然草皮的接触面积。未来的研究应更精确地探讨这些冲击的性质。任何头盔测试方案的一个更普遍的弱点是缺乏量化实际比赛中所受冲击力的数据。未来的研究需要通过实验手段解决这一问题，因为这将有助于优化针对头盔各个位置计算冲击减震效果时所采用的冲量范围。

已有研究证实，美国每年发生160万至380万例与运动相关的创伤性脑损伤（TBIs）1,2,3,4，主要由足球、冰球、足球（soccer）、长曲棍球、橄榄球和摔跤等接触性运动引起。尽管足球运动中确诊的脑震荡发生率始终最高，但应注意的是，由于脑震荡症状普遍存在漏报现象，这些发生率数据被严重低估。5,6,7,8,9无论是否被诊断为脑震荡，已有研究证实，重复性头部加速事件（rHAEs）可导致大脑结构发生显著改变10、功能与化学性质11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21这些重复性头部加速事件（rHAEs）可能由运动员之间的直接碰撞、运动员与地面的碰撞，或因腿部或躯干受到撞击引发的鞭梢样动作所致。后续研究揭示了rHAEs对认知功能障碍、抑郁和焦虑的影响。22甚至有研究提出，长期暴露于重复性头部加速事件（rHAEs）可能会增加罹患阿尔茨海默病（AD）和慢性创伤性脑病（CTE）等长期神经退行性疾病的风险。23 在足球和橄榄球运动员中24,25,26为了保护美式足球等接触性运动参与者免受重复性头部加速事件（rHAEs）的有害影响，理解头盔撞击的物理机制至关重要，因为头盔是主要的防护装备。
最早的橄榄球头盔由皮革制成，并于1939年成为大学橄榄球比赛中的必备装备27。到20世纪50年代，已开始使用下巴绑带和面部护罩，但直到1973年，国家运动器材标准执行委员会（NOCSAE）才制定了测试标准。这一基于落塔的测试标准推动了多项改进，包括新型缓冲材料和创新的冲击缓解系统28。尽管该方法提供了重要的基准，Breedlove 等人首次指出，测试中未包含面部护罩会导致对头盔后部峰值加速度的低估29。为了弥补测试过程中的这一缺陷，研究人员开始采用原本用于汽车碰撞测试的Hybrid III头部模型，以评估对抗性运动中防护装备的性能30,31,32,33。近期研究表明，现代头盔可将作用于头盔前部的特定冲击平动加速度降低最多达83%，侧部降低80%，后部降低75%34,35。尽管旋转加速度被认为与组织损伤的主要相关因素，其缓解效果却表现出显著的变异性36,37,38,39,40,41,42,43。现代头盔可将作用于头盔前部的特定冲击旋转加速度降低最多达70%，侧部降低82%，但后部仅降低48%34,35。
根据先前的研究结果，Riddell SpeedFlex（Riddell；伊利诺伊州罗斯蒙特）和 Vicis Zero 1（华盛顿州西雅图）在减缓线性加速度和旋转加速度方面表现最佳35。2022年，Riddell SpeedFlex 推出了新版本，同时 Vicis 也推出了三款新型号：Vicis Zero 2、专为锋线球员设计的 Vicis Zero 2 Trench，以及专为四分卫设计的 Vicis Zero 2 QB。本研究旨在评估此前表现最佳的头盔型号35，并确定后续的设计改进（包括为特定位置优化头盔设计的改动）是否显著提升了防护性能。本研究的总体目标是验证最新款头盔在线性和旋转冲击下的表现优于上一代产品的假设。

<table><tbody><tr><td>加速度计导线</td><td>PCB Piezotronics</td><td>型号 030C10</td><td>需要六个。</td></tr><tr><td>成人美式足球头盔（大号）</td><td>头盔型号列于下方</td><td>NA</td><td>每种型号使用三个，以保持外部效度。</td></tr><tr><td>数据采集模块</td><td>National Instruments</td><td>9234</td><td></td></tr><tr><td>Hybrid III 第50百分位男性头部组件</td><td>Humanetics</td><td>78051-61X-H</td><td></td></tr><tr><td>Hybrid III 第50百分位男性颈部组件</td><td>Humanetics</td><td>78051-90-H</td><td></td></tr><tr><td>LabView 软件</td><td>National Instruments</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>笔记本电脑</td><td>Dell</td><td>XPS 16</td><td>其他型号亦可接受。</td></tr><tr><td>大号软橡胶头撞击锤</td><td>PCB Piezotronics</td><td>型号 084A30&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>低噪声锤击电缆</td><td>PCB Piezotronics</td><td>型号 003D20</td><td></td></tr><tr><td>模态调谐脉冲锤</td><td>PCB Piezotronics</td><td>型号 086D20</td><td></td></tr><tr><td>钢板</td><td>Midwest Steel and Aluminum</td><td>12&quot;×12&quot;×1&quot;</td><td>五块钢板钻孔并用螺栓连接，构成颈部基座。</td></tr><tr><td>三轴加速度计</td><td>PCB Piezotronics</td><td>型号 356A03</td><td></td></tr><tr><td>三轴加速度计电缆</td><td>PCB Piezotronics</td><td>型号 034G05</td><td></td></tr><tr><td>单轴加速度计</td><td>PCB Piezotronics</td><td>型号 352C22/NC</td><td>需要六个。</td></tr><tr><td></td><td>Riddell Speedflex</td><td></td><td>标记为 &quot;H1&quot;</td></tr><tr><td></td><td>Vicis Zero 2</td><td></td><td>标记为 &quot;H2&quot;</td></tr><tr><td></td><td>Vicis Zero 2 Trench</td><td></td><td>标记为 &quot;H2T&quot;</td></tr><tr><td></td><td>Vicis Zero 2 QB</td><td></td><td>标记为 &quot;H2Q&quot;</td></tr></tbody></table>

现代美式足球头盔中的冲击缓解：位置特异性设计的进步与局限

Impact Mitigation in Modern Football Helmets: Advances and Limitations of Position-Specific Designs

已有研究证实，重复性头部冲击会导致大脑功能、结构和化学特性发生累积性改变。头盔是美式橄榄球运动员使用的主要防护装备。最早的头盔由皮革制成。20世纪50年代开发出了带下巴绑带的塑料头盔，但直到1973年才制定出相应的测试标准。尽管这些标准推动了缓冲材料的改进，但先前的研究表明，现代头盔对平移加速度的缓解效果优于对旋转加速度的缓解，尤其是在头盔的后部区域。本研究旨在详细描述用于评估不同能量耗散机制（包括位置专用型头盔）的橄榄球头盔抗冲击性能的方法学。实验结合量纲分析框架，建立了一种技术，可对头盔多个位置受到量化冲击载荷后产生的平移加速度和旋转加速度进行同步评估。尽管本次测试的某一款头盔在整体抗冲击性能上有所改进，但总体而言，这些头盔并未实现其设计目标。

本研究测试的四顶头盔质量范围为1.986 kg（H2Q）至2.243 kg（H2T）（表1），后者是迄今为止报道的最重头盔。
在实验过程中，模态冲击锤产生的峰值力为 5,307 N。
平移加速度
如先前研究所示34,35，在无头盔的头部模型上加装任何头盔均会导致峰值无量纲加速度显著降低，同时使峰值加速度与所施加冲量之间的回归系数相应减小。在本研究测试的四种头盔中，平动冲击缓解系数介于 0.643 至 0.872 之间（表 2）。对于基础模型而言，H1 在五种冲击类型（冲击类型 5 - 8 和 10）中表现出至少 0.05 的平动冲击缓解能力下降，且在任何冲击类型中均未出现至少 0.05 的提升。相比之下，H2 在五种冲击类型（冲击类型 5 - 8 和 10）中表现出至少 0.05 的平动冲击缓解能力提升，且未出现同等幅度的下降。
从冲击类型来看，H2T在14种冲击位置/发生类型的其中8种中实现了最大的减震效果（表2）。H2Q在两种类型中表现最佳：第7类冲击（与H2T并列）和第9类冲击。有趣的是，在之前的一项研究中，Vicis Zero 1和Riddell SpeedFlex 18两款头盔各自在两种冲击类型中表现最优（分别为第1类和第2类冲击）。H2在第6类冲击中实现了最大的减震效果，而H1则未在任何一项测试中取得最佳表现。
旋转加速度
对于冲击类型14，旋转加速度的冲击缓解效果在0.444至0.882之间（表3）。在基础模型中，H1在五种冲击类型（冲击类型2、5、7、10和13）中表现出至少0.05的旋转冲击缓解降低，仅在冲击类型12中表现出至少0.05的增加。相比之下，H2在九种冲击类型（冲击类型3-6、8、9和12-14）中表现出至少0.05的旋转冲击缓解提升，仅在冲击类型11中出现该幅度的下降。
在14种冲击类型中，H2在其中7种类型上实现了最大的减震效果（表3）。H2Q在两种冲击类型中表现最佳（冲击类型2和4）。H2T在冲击类型12中表现最佳。有趣的是，两种先前测试的头盔模型各自在两种冲击类型中表现最优：Schutt Pro VTD II在冲击类型7和10中表现出最高的减震效果，而Vicis Zero 1在冲击类型1和11中表现最佳35。
本研究是首个根据该协议测试的橄榄球头盔在9型冲击中表现出超过50%减震效果的案例。H1、H2和H2T三款头盔均超过了这一标准，其中H2的表现最佳，达到0.529（表3）。有趣的是，H2Q在此类冲击中的数值仅为0.473，显著低于基础型号的数值。
在 正面观 （冲击类型1-4、13和14），这是进攻线和防守线球员最关键的受力区域，H2T在降低线性加速度方面表现出最显著的效果，在六个测试位置中的四个位置上均取得了最高的减震评分表 2）。相比之下，H2T 在减轻旋转加速度方面效果较差 正面观，其表现均逊色于每一个相关联的 影响 类型 (表3由Vicis Zero 1、H2或H2Q测定。
在后部区域（冲击类型7-10），该区域对四分卫和部分外接手尤为重要，表现最佳的头盔为H2和此前测试过的Schutt Pro VTD II。
数据可用性：
本文所述计算所用的全部数据将通过加州大学 Figshare 平台提供（DOI: 10.60696/uc.30661718）。
<img alt="Impact analysis diagram of helmet with force arrows for biomechanical study." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68278/68278fig1.jpg" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="Figure 1"> 
图1：共施加了14种不同类型的冲击 通过 将模态调谐的冲击锤连接到Hybrid III头部模型。 在正面视图中（A）和后视图（B），正常冲击以黑色箭头表示，灰色箭头表示斜向冲击，斜向冲击的施加角度约为与表面法线成45度。冲击位置和类型分别为：（1）前部-正常，（2）前部-斜向，（3）前部凸台-正常，（4）前部凸台-斜向，（5）侧部-正常，（6）侧部-斜向，（7）后部凸台-正常，（8）后部凸台-斜向，（9）后部-正常，（10）后部-斜向，（11）顶部-正常，（12）顶部-斜向；在SpeedFlex切口位置，分别为（13）切口-正常和（14）切口-斜向。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68278/68278fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="头盔冲击测试；力、平移加速度、旋转加速度曲线；轨迹分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68278/68278fig2.jpg" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="图 2"> 
图 2：对一种常见的美式足球头盔施加正面法向冲击，显示峰值形变，以及相应随时间变化的力（A）、平移加速度（B）和旋转加速度（C）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68278/68278fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="头盔撞击测试；四种美式足球头盔的比较；Riddell SpeedFlex、Vicis Zero 2 型号。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68278/68278fig3.jpg" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="图3"> 
图3：在对本研究中四种头盔施加前部法向撞击时观察到的最大变形情况。图像显示了H1头盔壳体的相对刚性，以及用于制造H2和H2Q头盔壳体的相对柔顺性。在相同撞击强度下，H2T头盔参与变形的壳体部分少于H2或H2Q头盔。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68278/68278fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="平动加速度与冲量的关系；比较无头盔和戴头盔条件下的图表。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68278/68278fig4.jpg" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="图4"> 
图4：通过测量无头盔头模的峰值平动加速度（A）以及每种头盔对应的戴头盔头模的平动加速度（B），来评估平动冲击的减缓效果。 头盔的存在显著降低了所测得的两种加速度。为了计算冲击减缓效果，测量了无头盔和戴头盔头模的峰值加速度，并用于计算无量纲冲量 <img alt="静力平衡方程 ΣFx=0, MA=0，附示意图；物理学中的力平衡分析。" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq6.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="方程6"> 和无量纲平动加速度 <img alt="静力平衡，方程，ΣFx=0, ΣFy=0，示意图，教育关键词，受力体图分析" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq2.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="方程2">。对无头盔头模曲线下的面积进行积分，减去戴头盔头模对应的面积，再以无头盔头模曲线下的面积进行归一化，得到一个介于0和1之间的数值。旋转冲击的减缓效果以类似方法计算。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68278/68278fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="平移和旋转冲击缓解柱状图；前部、后部冲击分析；头盔评估。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68278/68278fig5.jpg" data-altupdatedat="1780372819000" data-alt="Figure 5"> 
图5：针对所研究的14种不同冲击类型中的两种，采用本方法至今测试的所有头盔在平移和旋转冲击缓解方面的综合结果。 在正面法向（I型）冲击中对平移加速度的缓解效果（A）显示，Riddell SpeedFlex 头盔有轻微改善，而 Vicis 头盔则变化不大。在后部法向（IX型）冲击中对平移加速度的缓解效果（B）显示，Riddell 头盔的变化相似，Vicis 头盔则有轻微改善。有趣的是，在缓解前向冲击的旋转加速度方面（C），两种头盔的表现均略有退步。在后向冲击的旋转加速度缓解方面（D）则观察到最显著的改善，Riddell SpeedFlex 和 Vicis Zero 2 均达到了迄今为止的最高值。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68278/68278fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>头盔类型</td>
			<td>质量 (kg)</td>
			<td>外壳材料</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>H1</td>
			<td>2.074</td>
			<td>聚碳酸酯</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>H2</td>
			<td>2.015</td>
			<td>热塑性弹性体</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>H2T</td>
			<td>2.243</td>
			<td>热塑性弹性体</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>H2Q</td>
			<td>1.986</td>
			<td>热塑性弹性体</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：所测试每顶头盔的质量和壳体材料。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td rowspan="2">冲击类型</td>
			<td></td>
			<td>SpeedFlex</td>
			<td rowspan="2">H1</td>
			<td>Vicis</td>
			<td rowspan="2">H2</td>
			<td rowspan="2">H2T</td>
			<td rowspan="2">H2Q</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>型号</td>
			<td>18</td>
			<td>Zero 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1</td>
			<td>正面</td>
			<td>0.705</td>
			<td>0.706</td>
			<td>0.832</td>
			<td>0.821</td>
			<td>0.82</td>
			<td>0.799</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2</td>
			<td>正面</td>
			<td>0.744</td>
			<td>0.733</td>
			<td>0.817</td>
			<td>0.803</td>
			<td>0.804</td>
			<td>0.791</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3</td>
			<td>正面</td>
			<td>0.75</td>
			<td>0.751</td>
			<td>0.786</td>
			<td>0.798</td>
			<td>0.805</td>
			<td>0.779</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4</td>
			<td>正面</td>
			<td>0.741</td>
			<td>0.756</td>
			<td>0.759</td>
			<td>0.792</td>
			<td>0.804</td>
			<td>0.78</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5</td>
			<td></td>
			<td>0.804</td>
			<td>0.703</td>
			<td>0.726</td>
			<td>0.781</td>
			<td>0.773</td>
			<td>0.801</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6</td>
			<td></td>
			<td>0.808</td>
			<td>0.756</td>
			<td>0.713</td>
			<td>0.811</td>
			<td>0.81</td>
			<td>0.807</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>7</td>
			<td>背面</td>
			<td>0.747</td>
			<td>0.643</td>
			<td>0.698</td>
			<td>0.748</td>
			<td>0.754</td>
			<td>0.754</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8</td>
			<td>背面</td>
			<td>0.779</td>
			<td>0.703</td>
			<td>0.699</td>
			<td>0.758</td>
			<td>0.766</td>
			<td>0.762</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>9</td>
			<td>背面</td>
			<td>0.747</td>
			<td>0.699</td>
			<td>0.741</td>
			<td>0.777</td>
			<td>0.764</td>
			<td>0.795</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10</td>
			<td>背面</td>
			<td>0.756</td>
			<td>0.7</td>
			<td>0.715</td>
			<td>0.787</td>
			<td>0.788</td>
			<td>0.775</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11</td>
			<td></td>
			<td>0.701</td>
			<td>0.697</td>
			<td>0.832</td>
			<td>0.804</td>
			<td>0.832</td>
			<td>0.783</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12</td>
			<td></td>
			<td>0.753</td>
			<td>0.748</td>
			<td>0.823</td>
			<td>0.866</td>
			<td>0.872</td>
			<td>0.848</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>13</td>
			<td>正面</td>
			<td>0.741</td>
			<td>0.719</td>
			<td>0.817</td>
			<td>0.834</td>
			<td>0.836</td>
			<td>0.819</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>14</td>
			<td>正面</td>
			<td>0.767</td>
			<td>0.77</td>
			<td>0.808</td>
			<td>0.846</td>
			<td>0.853</td>
			<td>0.824</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表2：不同类型冲击下平动加速度的减缓效果。灰色阴影表示在本研究中测试的头盔。加粗数字表示特定冲击类型迄今为止的最佳性能。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td rowspan="2">冲击类型</td>
			<td></td>
			<td>SpeedFlex</td>
			<td rowspan="2">H1</td>
			<td>Vicis</td>
			<td rowspan="2">H2</td>
			<td rowspan="2">H2T</td>
			<td rowspan="2">H2Q</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>型号</td>
			<td>18</td>
			<td>Zero 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1</td>
			<td>正面</td>
			<td>0.479</td>
			<td>0.472</td>
			<td>0.698</td>
			<td>0.669</td>
			<td>0.669</td>
			<td>0.653</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2</td>
			<td>正面</td>
			<td>0.55</td>
			<td>0.444</td>
			<td>0.727</td>
			<td>0.716</td>
			<td>0.696</td>
			<td>0.738</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3</td>
			<td>正面</td>
			<td>0.684</td>
			<td>0.676</td>
			<td>0.769</td>
			<td>0.842</td>
			<td>0.832</td>
			<td>0.814</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4</td>
			<td>正面</td>
			<td>0.728</td>
			<td>0.738</td>
			<td>0.773</td>
			<td>0.848</td>
			<td>0.843</td>
			<td>0.853</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5</td>
			<td></td>
			<td>0.811</td>
			<td>0.758</td>
			<td>0.783</td>
			<td>0.863</td>
			<td>0.84</td>
			<td>0.846</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6</td>
			<td></td>
			<td>0.811</td>
			<td>0.775</td>
			<td>0.801</td>
			<td>0.871</td>
			<td>0.853</td>
			<td>0.858</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>7</td>
			<td>背面</td>
			<td>0.73</td>
			<td>0.585</td>
			<td>0.698</td>
			<td>0.747</td>
			<td>0.736</td>
			<td>0.666</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8</td>
			<td>背面</td>
			<td>0.578</td>
			<td>0.613</td>
			<td>0.479</td>
			<td>0.622</td>
			<td>0.594</td>
			<td>0.595</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>9</td>
			<td>背面</td>
			<td>0.483</td>
			<td>0.52</td>
			<td>0.391</td>
			<td>0.529</td>
			<td>0.505</td>
			<td>0.473</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10</td>
			<td>背面</td>
			<td>0.701</td>
			<td>0.621</td>
			<td>0.693</td>
			<td>0.706</td>
			<td>0.692</td>
			<td>0.688</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11</td>
			<td></td>
			<td>0.564</td>
			<td>0.57</td>
			<td>0.723</td>
			<td>0.67</td>
			<td>0.698</td>
			<td>0.642</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12</td>
			<td></td>
			<td>0.619</td>
			<td>0.75</td>
			<td>0.769</td>
			<td>0.846</td>
			<td>0.853</td>
			<td>0.762</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>13</td>
			<td>正面</td>
			<td>0.53</td>
			<td>0.477</td>
			<td>0.755</td>
			<td>0.811</td>
			<td>0.789</td>
			<td>0.795</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>14</td>
			<td>正面</td>
			<td>0.685</td>
			<td>0.69</td>
			<td>0.778</td>
			<td>0.882</td>
			<td>0.878</td>
			<td>0.855</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表3：不同类型冲击下旋转加速度的缓解情况。灰色阴影表示在本研究中测试的头盔。加粗数字表示特定冲击类型迄今为止的最佳性能。

现代足球头盔在头盔后部区域的性能表现欠佳。本文所述的测量方法阐明了运动头盔缓解不同强度冲击所导致的线性加速度和旋转加速度的能力。该方法可有效表征能量耗散机制，并可用于优化头盔的设计流程。

已证实，重复性头部冲击会导致大脑功能、结构和化学特性发生累积性改变。头盔是主要的……

我们在Hurt实验室的研究重点是如何保障人们的安全，尤其是头盔在其中所起的作用。过去我们已经发现，头部受到撞击会导致大脑在结构、功能和化学层面发生改变。因此，目前最明显且值得研究的问题就是：头盔如何促进安全防护？首先，从两家制造商获取四种不同的头盔模型用于测试。每种头盔模型分别测试三个独立的头盔，共获得12个头盔。准备一个第50百分位的Hybrid III头部与颈部组件测试装置，并将其固定在钢制底板上，用于冲击测试。在确保数据采集系统和运行 LabVIEW 程序的计算机均已正确连接电源后，将用于在装置上进行冲击测试的工具摆放到位，以测量裸头模型及每顶头盔上的力和加速度。将所有传感器接入数据采集系统。双击名为 Hammer Time 2017 的自定义 LabVIEW 程序，以启动数据采集。将基本数据输入到相应字段中，包括最终数据文件的文件路径、每组文件的击打次数设为五次、每个位置的文件数设为四个，以及头戴装置的轮廓。通过点击运行按钮启动 LabVIEW 程序，开始数据采集过程。使用模态冲击锤敲击头型的前部，以进行初步的系统检查。敲击头模顶部以进一步确认数据采集，然后敲击头模侧面，以验证锤子及全部九个加速度计是否正在记录数据。使用呈3-2-2-2构型排列的九加速度计阵列，测量每次冲击过程中质心处的合加速度。对每次法向和斜向冲击采集200毫秒的时间序列，其中包含70毫秒的触发前时间，从而获得130毫秒的加速度和冲击力测量数据。以 5,120 Hz 的采样率采集所有信号。针对所有测试案例（包括无防护头模及每种头盔模型），定义 14 种冲击类型，代表在七个冲击位置上的两种入射角度。将垂直于表面的冲击定义为法向冲击，与法向方向成约 45 度角的冲击定义为斜向冲击。冲击类型的表示方式如下所示。为了简化特定位置的分析，将定义的冲击类型归类为聚合区域，例如前部和后部区域的冲击。使用模态调谐的脉冲锤对裸露的头模施加冲击，以记录冲击过程中施加的力。利用锤击触发每次冲击对应的200毫秒数据采集窗口。目视检查记录的信号，确认无记录错误。在不同脉冲强度下进行冲击，每个强度重复三次。每文件记录五次冲击，每个冲击位置采集四个文件，以在每个位置获得20次冲击数据。完成无头盔状态下的头模参考数据集后，根据制造商的规格，将每种头盔型号的三个样品分别安装到头模上。对每顶头盔施加全部14种规定的冲击类型，从而每种头盔型号共采集840个数据点。在每个位置进行最终且力度最大的锤击时，使用帧速率为959 Hz的高速摄像机记录冲击过程。H2T头盔的质量最高，达2.243千克，是迄今为止测试中最重的头盔。与无头盔状态相比，所有头盔均显著降低了平移加速度。在14种冲击类型中，H2T头盔在8种情况下实现了最高的平移加速度缓解效果，其中包括前部六个冲击点中的四种，而H1头盔则未在任何冲击类型中表现最佳。在平移和旋转加速度的缓解方面，H2头盔的表现 consistently 优于H1头盔。在后部冲击类型七中，H2 和 H2Q 在平移性能方面表现更优。在冲击类型九的旋转减缓方面，H1、H2 和 H2T 均超过了 50%，其中 H2 最高，达到 0.529，而 H2Q 显著较低，为 0.473。我们做了三件重要的事情，这些与头盔通常的测试方法不同。第一点是，我们实际测量输入的力以及质心处的加速度。因此，通过获取输入力和输出加速度，便能够为每一次头部撞击建立一个传递函数。另一项操作是，我们先在不佩戴头盔的情况下进行测试，然后戴上头盔再次测试。这可以消除颈部存在的任何不对称性或任何类型的非理想特性。接下来，我们进行的第三项操作是同时测量平移加速度和角加速度。这一点非常重要，因为在过去多年中，人们仅测试了平移加速度，而目前普遍认为，角加速度或旋转加速度才是造成损伤最严重的因素。因此，对我们来说，将这些数据公之于众也非常重要。我们发现，目前的头盔，尤其是现有的橄榄球头盔，在降低旋转加速度或角加速度方面表现不佳，特别是在头盔后部区域。因此，如果你的头盔后部受到撞击，此时头盔所能提供的保护作用最小。因此，我们未来的研究方向是：如何设计出更优质的头盔，使其在头部各个位置都能吸收尽可能多的能量。同时，我们如何将这一理念拓展到建筑头盔或其他生活场景中的头盔设计中。

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科研

JoVE Journal

Bioengineering

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