Ein Abonnement von JoVE ist erforderlich, um diesen Inhalt anzuzeigen. Melden Sie sich an oder beginnen Sie noch heute mit einer kostenlosen Testphase.

Methodenartikel

Ein Prüfstand Helm Passform und Retention und biomechanischen Maßnahmen von Kopf- und Nackenverletzungen in simulierten Auswirkungen prüfen

8.6K Aufrufe

⸱

DOI:

10.3791/56288

⸱

21. September 2017

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, University of Alberta

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Mit einem anthropometrischen Kopf und Hals, Glasfaser-basierten Passform zwingen, Wandler, ein Array von Kopf Beschleunigung und Hals Kraft/Moment Aufnehmer und ein dual High-speed-Kamera-System, präsentieren wir einen Prüfstand Helm Retention und Auswirkungen auf die biomechanischen studieren Maßnahmen von Kopf und Hals Verletzungen sekundär zu Kopf Auswirkungen.

Zusammenfassung

Konventionelle Weisheit und die Sprache in internationalen Helm Prüfung und Zertifizierung Normen legen nahe, dass entsprechende Helm passen und Aufbewahrung während eines Aufpralls sind wichtige Faktoren bei den Helm-Träger vor Auswirkungen-induzierten Schädigung zu schützen. Dieses Manuskript soll untersuchen Auswirkungen-induzierte Verletzungen Mechanismen in verschiedenen Helm passen Szenarien durch Analyse der simulierten behelmter Auswirkungen bei einer anthropometrischen Testgerät (ATD), ein Array von Kopfform Beschleunigung Wandler und Hals Kraft / in unserer Forschungsgruppe basierend auf Bragg-Gitter in Glasfaser entwickelt Moment Aufnehmer, ein dual-high-Speed-Kamera-System und Helm-Fit Kraftsensoren. Zur Simulation der Auswirkungen fallen einer instrumentierten Kopfform und flexiblen Hals entlang eine lineare Führungsschiene auf einen Amboss. Der Prüfstand ermöglicht die Simulation der Kopf Auswirkungen bei Geschwindigkeiten bis zu 8,3 m/s auf Aufprallflächen, die flachen und schrägen sind. Die Kopfform ist mit einen Sturzhelm und mehrere Fit Szenarien simuliert werden, indem Kontext spezifische Anpassungen an den Helm Positionsindex und/oder Helmgröße. Um Helm Aufbewahrung zu quantifizieren, ist die Bewegung des Helmes auf dem Kopf quantifiziert mit Post-hoc-Bildanalyse. Um Kopf und Hals Verletzungen mögliche zu quantifizieren, werden biomechanische Maßnahmen anhand der Kopfform Beschleunigung und Hals Kraft/Moment gemessen. Diese biomechanischen Maßnahmen durch den Vergleich mit etablierten menschlichen Toleranz Kurven, können das Risiko einer schweren lebensbedrohlichen und/oder leichte diffuse Hirnverletzung abschätzen und Osteoligamentous Hals Verletzungen. Unseres Wissens ist die vorgestellten Testfeld das erste speziell entwickelt, um biomechanischen Auswirkungen auf Kopf und Nacken Verletzung relativ Helm passen und Retention.

Einleitung

Die meisten epidemiologischen Hinweise darauf, Fahrradhelme bieten Schutz vor Kopfverletzungen für Radfahrer aller Altersgruppen1. Die biomechanische Literatur präsentiert das konsequente Design, das den behelmten Kopf relativ weniger schwere Kopf/Gehirn Verletzungen sekundär zu beeinflussen, im Vergleich zu den ungeschützten (UN-behelmter) Kopf2trägt. Einige Untersuchungen zeigen, dass schlechte Helm passen verbunden mit einem erhöhten Risiko von Kopfverletzungen3 ist, was bedeutet, dass Helme am effektivsten sind, wenn richtig passen. Je nach den Kriterien guter Helm Passform definiert falsche Helm benutzen erwies sich so hoch wie bei den behelmte Radfahrer364 %. Trotz epidemiologische Anhaltspunkte dafür, dass Helm passen in die schwere oder die Wahrscheinlichkeit einer Kopfverletzung bei einem Aufprall relevant ist, gibt es minimale experimentelle Arbeit Beurteilung in einer kontrollierten Laborumgebung, ob richtige Helm passen oder Helm zurückhalten hat erhebliche Auswirkungen auf die biomechanischen Maßnahmen Verletzungsgefahr. Eine bezogene Studie untersucht die Wirkung der Motorrad Helm Größenanpassung während behelmter Auswirkungen simuliert mit einem finite-Elemente-Modell4. Eine andere bezogene Studie untersucht die Wirkung der Helm Größenanpassung während experimentelle Auswirkungen5 während der Verwendung sensibler Film Druck, um Fit Kräfte im Fußball Helme zu quantifizieren. Die Wirkung der Rückhaltesysteme im Fahrrad und Motorrad Helm Auswirkungen wurden untersuchten6,7, sowie ein rückwärts Fit Szenario für Preadolescents6.

Unsere Arbeit schlägt Methoden, um die Wirkung der Fahrradhelm passen auf das Risiko von Verletzungen mit Helm passen Kraftsensoren, simuliert Auswirkungen mit einer anthropometrischen Kopf und Hals und stereoskopische Hochgeschwindigkeitskameras. Die Ziele unserer vorgeschlagenen Methoden sind Passform zu quantifizieren und das Risiko von Verletzungen in verschiedenen realistischen Auswirkungen Szenarien zu bewerten. Im Gegensatz zu verwandten Methoden untersucht unsere Arbeit Fahrradhelm passen, wo richtige Helm benutzen variiert wird. Ähnlich wie bei vorherigen Methoden, Kopf Kinematik bestimmt sind; Hals-be- und Kopf-Helm Verschiebungen werden jedoch auch quantifiziert. Obwohl die Epidemiologie der Nackenverletzung im Radsport vermuten lässt, dass Nackenverletzungen selten sind, sind sie tendenziell schwerer Kopf Auswirkungen und Krankenhausaufenthalt8,9zugeordnet werden. Der Beweis ist auf ob Helm benutzen reduziert die Preise von Hals Verletzungen8 gemischt und keines der genannten epidemiologischen Studien quantifizieren Aspekte der Helm passt. In Anbetracht der Tatsache, die Nackenverletzung im Radsport tendenziell mehr schwere Unfälle zugeordnet werden und dass Helm passen nicht in Hals Verletzungen Epidemiologie geprüft wurden sind Methoden zur Untersuchung von Kopf und Hals Verletzungen in biomechanische Forschung wertvoll. Diese experimentellen Methoden könnte in biomechanische Studien verwendet werden, die epidemiologische Studien ergänzen die nicht in allen Fällen Steuerung für schwere Auswirkungen oder Helm passen.

In unserer Arbeit wurde eine neuartige Methode zur Überwachung von Relativbewegungen zwischen Kopf und Helm während des Aufpralls entwickelt. Die Fähigkeit zur Überwachung, unabhängig davon, ob der Helm auf dem Kopf bewegt kann wertvolle Einblicke in Helm Stabilität und Strahlenbelastung des ungeschützten Kopfes Verletzungen während des Aufpralls geben. In einer Studie untersucht Helm passen sind Helm Stabilität und Kopf Exposition besonders wertvoll im Helm Leistungsbewertung. Im Gegensatz zu den damit verbundenen Arbeiten, unterschiedliche Auswirkungen und Passform werden Szenarien betonend, abwechslungsreiche Helm Positionierung auch getestet werden.

Derzeit ist richtige Helm passen subjektive und nonspecifically definiert. Im Allgemeinen zeichnet sich guter Helm passen durch Stabilität und Position. Der Helm sollte resistent gegen Bewegung einmal am Kopf befestigt werden und sollte positioniert werden, so dass die Augenbrauen nicht erfasst sind und die Stirn ist nicht übermäßig ausgesetzt. Darüber hinaus sollte etwa eine Fingerbreite Platz zwischen dem Kinn und Kinnriemen3passen. Maßnahmen der Quantifizierung Helm passen sind nicht weit verbreitet; außer Kraft, können Methoden vergleichen Helm Passform basiert auf dem Vergleich von Kopf und Helm Geometrie. Eine solche Methode ist der Helm passen Index von Ellena Et Al. vorgeschlagen 10. unsere vorgeschlagene Methode zur Quantifizierung der Helm passt, Fit Kraftsensoren, schafft ein objektiven Grundlagen für den Vergleich der verschiedenen Helm passen Szenarien in Form von Mittelwert und Standardabweichung der Kräfte, die auf den Kopf. Diese Passform zwingen Werte repräsentieren die Dichtheit eines Helmes sowie die Variation der Dichtheit erfahrenen auf dem Kopf. Diese Sensoren bieten einen quantifizierten Vergleich der Kräfte, die zwischen verschiedenen Szenarien Fit gemacht werden können. Ein sichere eng anliegende Helm würde höhere Kräfte zeigen, während ein lose Helm niederen Kräfte anzeigen würde. Diese Methode der Fit Kraftmessung ist vergleichbar mit dem durchschnittlichen Fit Index von Jadischke5vorgeschlagen. Allerdings nutzen Jadischkes Methoden Druck sensibler Film. Die optischen Sensoren präsentieren wir ermöglichen unauffällige Messung Fit Kraft um den Kopf oder Helm.

Für die Zertifizierung von Helmen ist ein Helm auf einer instrumentierten Kopfform gesichert, die dann ausgelöst wird, zu einer bestimmten Höhe fallen gelassen werden. Kopf und Helm unterliegt dann einem Freifall-Tropfen auf einen Amboss während der Aufnahme von linearen Beschleunigungen. Obwohl in der Regel nicht im Helm-Industrie-Standards verwendet, dienten ein Hybrid III Kopf (Kopfform) und Hals Montage in diese Arbeit mit einer geführten Fallturm Auswirkungen zu simulieren. Im Gegensatz zu den Standards, die in der Regel lineare Kinematik verwenden, erlaubt die Kopfform Beschleunigungsmesser Array auch die Bestimmung der rotatorischen Kinematik, ein wichtiger Parameter bei der Vorhersage der Wahrscheinlichkeit einer diffusen-Hirn-Verletzungen, einschließlich Gehirnerschütterung11 . Durch Messung der linearen Beschleunigung und rotatorische Beschleunigung und Geschwindigkeit Schätzungen der schwere fokalen und diffusen Kopfverletzung erfolgt durch Vergleich der Kinematik, die mehrere vorgeschlagene Kinematik-basierte Verletzungen Bewertungsmethoden in der Literatur 12 , 13. während die Kopfform für automotive Crashtests entwickelt wurde, ist seine Verwendung in Helm Bewertung und Abschätzung des Risikos der Kopfverletzung in behelmter Auswirkungen gut dokumentiert2,14. Die Auswirkungen Simulation Setup enthält auch eine Wägezelle oberen Hals, so dass die Kräfte und Momente mit Nackenschmerzen verbunden zu messenden. Hals-Verletzungsgefahr kann dann durch einen Vergleich Hals Kinetik zu Verletzungen Bewertungsdaten von automotive Verletzung Daten12,13geschätzt werden.

Außerdem wird eine Methode zur Verfolgung Helm Bewegung im Verhältnis zu den Kopf während des Aufpralls mit high-Speed Video vorgeschlagen. Derzeit gibt es keine quantitative Methoden um Helm Stabilität während des Aufpralls zu bewerten. Die Consumer Product Safety Commission (CPSC)15 Fahrrad Helm Standard fordert eine Lagestabilität Test, aber ist nicht Vertreter eines Aufpralls. Darüber hinaus ergibt unabhängig davon, ob der Helm kommt aus der Kopfform sich nur durch den Test gemessen. Unabhängig von der Strahlenbelastung des Kopfes zu Verletzungen kann ein Helm noch passieren, solange es bei Tests auf die Kopfform bleibt. Die vorgeschlagene Methode von tracking-Helm Bewegung ähnelt dem Helm Position Index (HPI)15 und misst den Abstand zwischen den Rand eines Helmes und die Stirn. Diese Kopf-Helm Verschiebung wird verfolgt, mit High-Speed-video-Aufnahmen in der gesamten Auswirkungen um eine Darstellung der Helm Stabilität und Kopf Belichtung während des Aufpralls zu erhalten. Mit direkter lineare verwandeln (DLT)16 und einzigen Wert Zersetzung (SVD)17 Methoden werden Markierungen von zwei Kameras verfolgt.Positionen der Punkte im dreidimensionalen Raum und dann die relative Verschiebung zwischen Helm und Kopf zu bestimmen.

Verschiedene Auswirkungen schwere und Passform Parameter untersucht werden. Die Auswirkungen Szenarien umfassen zwei Aufprallgeschwindigkeiten, zwei Auswirkungen auf Amboss Oberflächen und Torso-erste und Kopf-erste Auswirkungen. Neben einer typischen flachen Amboss-Oberfläche ist abgewinkelt Amboss Auswirkungen auch simuliert, um eine tangentiale Kraftkomponente induzieren. Eine Torso-erste Auswirkungen, im Gegensatz zu einen kopfüber Einfluss ist im Preis inbegriffen, ein Szenario zu simulieren, in der Schulter des Fahrers wirkt sich auf den Boden vor den Kopf, ähnlich wie in früheren Arbeiten18durchgeführt. Schließlich werden diese vier Helm passen Szenarien untersucht: ein regular-Fit, oversized-Passform, eine nach vorne Passform und eine nach hinten Passform. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten ist die Positionierung Helm auf dem Kopf einer untersuchten Parameter sowie Helm Fit und Helm Größe.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Protokoll

1. Helm passen Szenarien Anordnung

  1. Define passen Szenarien untersucht werden, auf eine anthropometrische Test Gerätekopf und Hals (Hybrid III 50. Perzentil männlich) mit einem Kopfumfang von 575 mm.
    Hinweis: Ein Beispiel für vier Fit Szenarien ist in Tabelle 1 mit Helm Positionen entsprechend Abbildung 1 dargestellt. Die vorwärts und rückwärts Fit Szenarien beruhten auf Definitionen der richtige Helm benutzen aus früheren epidemiologischen Studien, die richtige Helmposition angegeben als nicht abdecken der Augenbrauen oder aussetzen der Stirn 3.
  2. Für jedes Szenario markieren Sie jeden Helmposition auf die Kopfform zu gewährleisten, das Helm passen-Szenario wird konsequent wiederholt.
  3. Verwenden CPSC zertifizierten Helm, in universelle und extra große Größen, für alle Szenarien passen.
    Hinweis: Nach dem Hersteller zur Verfügung gestellt Fit Guide, eine Universalgröße passt am treffendsten die Kopfform Umfang.
    1. Für jedes Szenario passen, andere halten Sie sich fit Parameter konsistent. Speziell, ziehen Sie den Kinnriemen zu verlassen etwa eine Fingerbreite Platz unter dem Kinn und ziehen Sie die verstellbare Zifferblatt um einen sicheren Sitz zu erhalten.

2. Kraftmessung passen

  1. Arrange fünf Passform Sensoren auf der Haut von der Kopfform positioniert auf der Vorder-und Rückseite links, rechts und oben ( Abbildung 2).
    Hinweis: Die Sensoren sind eine modifizierte Version des Bragg Gitter Kraftaufnehmer entwickelt innerhalb der Forschung Gruppe 19 , 20 , 21 , 22, optimiert, um Fit Kräfte messen über einen Bereich von 0 bis 50 N. Die modifizierte Sensoren haben eine Dicke und Durchmesser von 2,6 mm und 14 mm bzw..
  2. Nehmen eine Referenzmessung mit den Wandlern auf der UN-behelmter Kopfform nicht ausgelastet. Nehmen Sie diese Referenzmessung vor jeder Fit Kraftmessung.
  3. Ort der Helm auf die Kopfform und Maßnahme Force-Daten für 3 s mit einer Rate von 2,5 kHz. Wiederholen Sie das gleiche Szenario Fit sechsmal für wiederholte Messungen.
  4. Wiederholen Sie das gleiche Messverfahren für alle Szenarien passen.
  5. Convert Wellenlänge Schichtdaten zwingen Messungen durch Multiplikation der gemessenen Wellenlängen aus dem Wandler mit der vorher festgelegten Kalibrierung Konstante für die Passform zwingen Wandler.

3. Fallturm für die Simulation der Auswirkungen

  1. simulieren Auswirkungen auf den behelmten Kopf durch die Linear Führung der Kopfform um eine Auswirkung Oberfläche 19 , 23 zu schlagen. Die dazu erforderliche Ausrüstung ist kontextspezifisch, wie unten aufgeführt.
    1. Montage eines Fallturms eine einstellbare Drop Gimbal, eine anthropometrische Test Gerätekopf und Hals und eine Variable Aufprallfläche bestehen.
      Hinweis: Die Fallhöhe Montage Masse beträgt ca. 11 kg. Die added Mass der Gimbal Konten für den Ausschluss des vollständigen Körpers als effektive Torso Masse besser simulieren eine realistische Wirkung 24.
    2. Arrangieren 9 Uni-axial Beschleunigungssensoren in eine 3-2-2-2 Konfiguration innerhalb der Kopfform ermöglicht lineare und Angular Beschleunigungen der Kopfform an der Schwerpunkt 25 ermittelt werden.
    3. Arrangieren ein speziell dafür gebauten Geschwindigkeit Tor auf die Auswirkungen Turm, Aufprallgeschwindigkeit unmittelbar vor dem Aufprall zu messen.
  2. Kopf Beschleunigung und Hals Kraft/Moment-Daten mit dem Datenerfassungssystem zu sammeln. Filtern Sie analoge Spannungen, für alle Kanäle bei 100 kHz abgetastet. Vor das Datenerfassungssystem gehören einen Hardware-Anti-Aliasing Tiefpass-Filter mit einer Eckfrequenz von 4kHz 26.
  3. Ordnen die Auswirkung Szenario.
    1. Für alle Auswirkungen, entfernen das Helmvisier für bessere Sichtbarkeit während der Motion-tracking zu ermöglichen. Die Wirkung des Visiers während des Aufpralls wird angenommen, dass aufgrund seiner lose Befestigung vernachlässigbar.
    2. Arrangieren alle Tropfen auf die Stirn. Dies ist eine gemeinsame Wirkung Lage im Radsport 27, obwohl auch andere Szenarien simuliert werden konnten.
    3. Simulieren sechs unterschiedliche Auswirkungen Szenarien durch Variation Auswirkungen auf Geschwindigkeit, Schlagfläche und Kopf voran oder Torso-erste Auswirkungen gemäß Tabelle 2.
    4. Erhöhen die Kopfform auf der richtigen Höhe, entsprechend angegeben Aufprallgeschwindigkeiten. Drop der Kopfform aus einer entsprechenden Höhe, in der Regel 0,82 m und 1,83 m, um Geschwindigkeiten von 4 m/s und 6 m/s, bzw. zu erreichen.
      Hinweis: Fügen Sie Höhe wie nötig, um Reibungsverluste zu überwinden hinzu. Zwei Aufprallgeschwindigkeiten von 4 m/s und 6 m/s wählbar auf der Grundlage von früheren Literatur und Standards 28.
    5. Organisieren die Aufprallfläche.
      1. Arrange entweder flach oder 45° abgewinkelt Amboss ( Abbildung 4). Die flache Amboss simuliert fällt auf einer flachen Oberfläche, während die abgewinkelte Amboss Auswirkungen mit einem tangentiale Geschwindigkeitskomponente simuliert.
      2. Decken beider Oberflächen von Ambosse in abrasiven Band, ein Asphaltdecke zu simulieren. Passen Sie die Amboss-Position nach Bedarf zwischen Auswirkungen auf der Helm betroffen sind Kontakte nur die flache Oberfläche des Amboss zu gewährleisten.
  4. Veranlassen den Fallturm kopfüber oder Torso-erste Auswirkungen. Simulieren Kopf und Torso-erste Auswirkungen mit Torso Auswirkungen ähnlich wie die kombinierten Auswirkungen Beladungskonfiguration in Smith Et al. vorgestellt. 18
    1. um einen Kopf voran Einfluss zu simulieren, passen sich nicht den Fallturm.
    2. Um den Oberkörper auf den Boden vor den Kopf zu simulieren legen einen Holzklotz in den Pfad des Gimbals Drop. Legen Sie diesem Holzklotz in einer Höhe, so dass der Kopf ca. 25 mm vom beeinflussen des Amboss die Rumpf-Auswirkungen. Der Kopf wird dann weiterhin den Amboss durch Hals Flexion nur getroffen.
    3. Enthalten eine Schicht aus Schaumstoff zur Minimierung von Schwingungen aus der Fallturm ( Abbildung 5).
    4. Im Gegensatz zu den Auswirkungen auf die kopfüber, passen Sie den Winkel des Halses in Torso-erste Auswirkungen.
      Hinweis: Dieser Hals Winkeleinstellung ermöglicht für den Kopf, den Amboss auf der Stirn nach Beugung, zu beeinflussen, so dass Auswirkungen Lage vergleichbar mit dem Kopf voran Auswirkungen Fall ( Abbildung 6 ist). Neben Auswirkungen auf die Stirn würde dieser Torso-erste Szenario sicherlich bei Seitenaufprall sowie relevant sein. Im Kopf und Torso-erste Auswirkungen dieser Gimbal System ermöglicht die Bewegung des Kopfes und Halses entlang der Strecke nach Aufprall.
  5. Das Datenerfassungssystem, high-Speed-Kameras (siehe Abschnitt 4) und Tropfen die Kopfform gleichzeitig auslösen. Wiederholen Sie die gleiche Wirkung und Fit Szenario Konfiguration 3 Mal mit neuen Helmen jedesmal.
    Hinweis: Die High-Speed-Kameras müssen gleichzeitig mit der Fallturm, in Abschnitt 4 beschriebenen eingerichtet werden.
  6. Unterziehen jedes der vier Szenarien passen zu jedem der 6 unterschiedliche Auswirkungen Szenarien. Insgesamt 72 Tropfen nach 3 Prüfungen der einzelnen Konfigurationen durchführen.
  7. Die Kopfform kinematischen und kinetischen Daten nachbearbeiten.
    1. Filter analoge Signale für Beschleunigung und Kraft/Moment nachträglich über einen 4 th Bestellung Butterworth-Filter in der Nachbearbeitung um Indus zu erfüllenversuchen Sie empfohlene Praxis 26. Filter-Kopf Beschleunigungen und Hals Kräfte wie pro Kanal Frequenz Klasse (CFC) 1000. Filtern Hals Momente nach CFC 600.

4. Motion Capture mit einer hohen Geschwindigkeit Dual-Kamera-System

Hinweis: Aufnahme Markerpositionen von zwei high-Speed-Kameras ermöglichen dreidimensionale Markerpositionen mit DLT Methode 16 im bestimmt werden Post-processing. Um Verschiebungen der Kopf-Helm zu bestimmen, track Marker auf die Kopfform und Helm während des Aufpralls.

  1. Ordnen Sie High-Speed-Kameras rund um den Fallturm.
    1. Anordnen zwei High-Speed-Kameras rund um den Tropfen Turm auf Capture synchronisiert Bilder der Helm und Kopfform Bewegung während des Aufpralls.
      1. Einen master-Kamera an der Seite des Fallturms und eine Slave-Kamera bei ca. 45° vom Master ( Abbildung 7). Richten Sie ein 250 W Licht zwischen den Kameras, um ausreichende Belichtung zu ermöglichen.
  2. High-Speed Kameras konfigurieren.
    1. Equip jede Kamera mit einem 50 mm f/1.4 oder 100 mm f/2.0-Makro-Objektiv, je nachdem das Sichtfeld erforderlich. Legen Sie die Öffnungen auf den Linsen bei 8.0.
      Hinweis: Diese Blende ermöglicht ausreichend scharf in die gewünschte Schärfentiefe. Das erforderliche Sichtfeld reichten von 30-60 cm, je nach Szenario Auswirkungen.
    2. Konfigurieren Sie beide Kameras bei 1280 x 800 Pixel bei einer Framerate von 1000 Bildern pro Sekunde oder schneller zu erfassen. Die maximale Belichtungszeit pro Frame wird also 600 µs.
    3. Synchronisieren die beiden Kameras in Frames und innere Uhr. Ein Trigger so einrichten, dass beide Kameras gleichzeitig auslösen.
  3. Den Raum indem man ein Standbild aus einem Kalibrierung Rahmen von jeder Kamera zu kalibrieren.
    Hinweis: Für die direkte lineare Transformation (DLT)-Methode, muss der Raum zunächst kalibriert werden.
    1. Bewegen Sie einen Kalibrierung Käfig mit 17 bekannten Kalibrierung Punktpositionen in das Blickfeld der beiden Kameras und ein einzelnes Bild von jeder Kamera zu nehmen. Mindestens 11 gemeinsame Punkte von beiden Kameras sichtbar sein.
    2. Finden Sie die zweidimensionale Koordinaten der einzelnen Marker mit tracking-Software.
      Hinweis: Ein Koordinatenmessgerät (KMG) bestimmt die Punktpositionen des Käfigs Kalibrierung vor der Kalibrierung DLT.
    3. Mit einer Reihe von Berechnungen mit der Kalibrierung Markern durchgeführt ' Koordinaten (bekannt als DLT) 16, verwandeln jede zwei dimensionale Marker Standorten in dreidimensionalen Koordinaten relativ zu der Kalibrierung-Käfig Koordinatensystem im Post-Processing.
  4. Um Helm Verschiebung zu quantifizieren, die Strecke zwischen einem Punkt auf der Stirn der Kopfform und zum Rand des Helmes mit der Tracking-Software.
    Hinweis: Da diese Punkte nicht von beiden Kameras sichtbar sind, verfolgen einem Satz von drei sichtbare Markierungen auf jeder der Kopfform und Helm statt. Die Punkte auf der Stirn und Helm dann indirekt verfolgt werden können.
  5. Legen Sie Motion-tracking-Marker auf die Kopfform und ein Standbild der Verweis von der Kopfform von jeder Kamera zu nehmen.
    1. Für diese Methode des indirekten Marker Trackings, nehmen ein Referenzbild Kopfform mit jeder Kamera. Sicherzustellen, dass diese Referenz-Bild aus drei Markierungen und eine Referenz Markierung auf dem Kopf definiert besteht.
    2. Maximieren die Entfernung zwischen Markern mit drei Referenz-Punktpositionen gleichzeitig in beiden Kameras ' Feld Ansichten.
      Hinweis: Maximierung des Abstands für eine höhere Genauigkeit verringernd, indirekter Marker tracking-Empfindlichkeit zu tracking-Fehlern ermöglicht. Die drei Marker ermöglichen die dreidimensionale Rekonstruktion der Bewegung in der Nachbearbeitung, sowie die Schätzung des Standortes Stirn.
    3. Halten die Referenz-Markierung zwischen den Augen auf der unteren Stirn und andere Markierungen auf die Kopfform verteilt. Sicherzustellen, dass diese drei anderen Markierungen sichtbar von beiden Kameras im gesamten Auswirkungen ( Abbildung 8).
  6. Motion-tracking-Marker auf dem Helm und noch Referenzbilder des Helms von jeder Kamera wie beschrieben die Kopfform zu Referenzzwecken (Abschnitt 4.5).
    1. Stellen Sie sicher, das die Referenz besteht aus mindestens vier Motion Tracking-Marker anzeigen. Eine Markierung auf der Unterseite der Helm Krempe als Referenz zu halten und die anderen drei Markierungen auf den Helm zu verbreiten. Stellen Sie sicher, dass diese drei Marker von beiden Kameras im gesamten Auswirkungen sichtbar sind. Nehmen Sie ein einzelnes Bild von jeder Kamera für die Helm-Referenz ( Abbildung 9).
  7. Das Datenerfassungssystem, high-Speed-Kameras und Tropfen die Kopfform gleichzeitig wie in Abschnitt 3 beschrieben auslösen.
    Hinweis: Der Fallturm müssen gleichzeitig mit den High-Speed-Kameras eingerichtet werden. Nach der Einnahme von Referenzbildern, kann ein Tropfen durchgeführt werden.
    1. Anordnen der Helm passen Szenario. Notieren Sie die Tropfen. Signal ein Auslöser der Kameras manuell beim Aufprall. Aufnahme zu vereinbaren damit 3 s wird aufgezeichnet, bevor der Auslöser und 8 s wird nach dem Trigger aufgezeichnet. Manuell überprüfen und Halterung der synchronisierten Kamerabilder um die Auswirkungen nur enthalten.

5. Kopf-Helm Tracking-Marker und Post-Processing

  1. Kopf und Helm-Marker in der Wirkung, mit Kamera-spezifische Software verfolgen.
    1. Strecke sechs Punkte pro Drop: drei auf den Helm und die Kopfform ( Abbildung 10). Mit der Software bestimmen die transiente zweidimensionale Pixelkoordinaten der einzelnen Marker.
  2. Die DLT-Methode verwenden, um dreidimensionale Koordinaten der nachverfolgten Marker während ein Tropfen zu berechnen.
    Hinweis: Mit der Kalibrierdaten aus dem Käfig Kalibrierung und die Drop Daten aus den beiden Kameras, die DLT-Methode ermitteln die dreidimensionalen Koordinaten der nachverfolgten Marker während ein Tropfen.
  3. Verwenden die SVD (Singulärwert Zersetzung) Methode 17 um die 3-d-dimensionalen Koordinaten der Kopfform Stirn und Helm Krempe zu berechnen. Der Unterschied zwischen diesen beiden Punkten ist Kopf-Helm Verschiebung.
    1. Verwendung der SVD-Methode, die Lage eines Verweises zu schätzen zeigen auf jeder Kopfform Stirn und Helm randvoll von den verfolgten Markern.
    2. Verwenden Sie die SVD-Methode, um die Transformationsmatrix der drei Marker zwischen dem Referenzrahmen und jeden einzelnen Frame eines Tropfens zu finden. Diese Transformation kann angewendet werden, um die Stirn oder Helm Krempe Standorte finden.
  4. Führen diese indirekte Verfolgung auf den Helm und die Kopfform. Die Verschiebung zwischen der Stirn und Helm Krempe kann dann überwacht ( Abbildung 11).

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Ergebnisse

Fit Kraftmessung
Für jedes Szenario passen, passen Kraft Messung an jedem Sensor-Standort (Abbildung 12) durchgeführt wurde und ein t-Test, ungleiche Varianzen vorausgesetzt wurde durchgeführt, um die Bedeutung zu bestimmen (p < 0,05). Die durchschnittliche Standardabweichung über alle Messungen betrug ± 0,14 N. Higher Fit Kräfte zeigen eine engere Passform.

Kinematis...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Diskussion

Methoden zur Untersuchung Helm passt hier, in simulierten behelmter Kopf, den Auswirkungen dargestellt werden. Helm passen wurde mit Fit Kraftsensoren quantifiziert, Auswirkungen wurden mit einem ATD Kopfform und Hals auf eine geführte Fallturm simuliert und Helm-Bewegung wurde mit high-Speed Video verfolgt. Unter verschiedenen Fit Szenarien, die Auswirkungen auf die biomechanischen Maßnahmen der Helm passt zu untersuchen wurden unterschiedliche Auswirkungen Szenarien simuliert.

Die Helm passe...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Offenlegungen

Die Autoren haben keine Konflikte offenzulegen und stehen nicht für die Veröffentlichung dieser Arbeit finanziell profitieren.

Danksagungen

Wir dankbar anerkennen, Mittel aus dem naturwissenschaftlichen und Engineering Research Council (NSERC) von Kanada (Discovery Stipendien 435921), der Pashby Sport Sicherheitsfonds (2016: RES0028760), der Banting Research Foundation (Discovery Award 31214), NBEC Inc. () (Kanada), und der Fakultät für Maschinenbau und Fakultät für Maschinenbau an der University of Alberta.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Hybrid III HeadformHumanetics oder Jasti-UtamaN/A50. Perzentil ATD, für die Aufprallsimulation
Hybrid III NeckHumanetics oder Jasti-UtamaN/A 50. Perzentil ATD, für die Aufprallsimulation
Lineare BeschleunigungssensorenMeasurement Specialties64C-2000-360für die Messung der Kopfbeschleunigung
Upper Neck Load Cellmg SensorN6ALB11Afür die Messung der Nackenbelastung
High Speed CameraVision Researchv611für Motion Capture
KameraobjektivCarl ZeissN/A50 mm f1/.4, für Motion
Capture KameraobjektivCarl ZeissN/A100 mm f/2.0, für Motion
CaptureFahrradhelm KlingelN/ATraverse
DatenerfassungssystemNational MessgerätePXI 6251für die Hybrid-III-Signalerfassung
Head Impact Drop TowerUniversity of AlbertaN/AKundenspezifisch für die Aufprallsimulation
Optischer InterrogatorSmart Fibres Ltd.N/ASmartScan, für die Kraftmessung von optischen Sensoren
Fit Force SensorUniversity of AlbertaN/AKundenspezifisch, für die Messung von Helmpasskräften

Referenzen

  1. 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).
  2. Cripton, P. A., Dressler, D. M., Stuart, C. A., Dennison, C. R., Richards, D. Bicycle helmets are highly effective at preventing head injury during head impact: Head-form accelerations and injury criteria for helmeted and unhelmeted impacts. Accid. Anal. Prev. 70, 1-7 (2014).
  3. Lee, R. S., Hagel, B. E., Karkhaneh, M., Rowe, B. H. A systematic review of correct bicycle helmet use: how varying definitions and study quality influence the results. Inj. Prev. 15 (2), 125-131 (2009).
  4. Chang, L. -T., Chang, C. -H., Chang, G. -L. Fit effect of motorcycle helmet - A finite element modeling. JSME Int. J. Ser. Solid Mech. Mater. Eng. 44 (1), 185-192 (2001).
  5. Jadischke, R. Football helmet fitment and its effect on helmet performance. Wayne State Univ. Theses. , Available from: http://digitalcommons.wayne.edu/oa_theses/176 (2012).
  6. Klug, C., Feist, F., Tomasch, E. Testing of Bicycle Helmets for Preadolescents. IRCOBI Conf. Proc. , Available from: https://trid.trb.org/view.aspx?id=1370437 (2015).
  7. McIntosh, A. S., Lai, A. Motorcycle Helmets: Head and Neck Dynamics in Helmeted and Unhelmeted Oblique Impacts. Traffic Inj. Prev. 14 (8), 835-844 (2013).
  8. Olivier, J., Creighton, P. Bicycle injuries and helmet use: a systematic review and meta-analysis. Int. J. Epidemiol. 46 (1), 278-292 (2017).
  9. Rivara, F. P., Thompson, D. C., Thompson, R. S. Epidemiology of bicycle injuries and risk factors for serious injury. Inj. Prev. 3 (2), 110-114 (1997).
  10. Ellena, T., Subic, A., Mustafa, H., Pang, T. Y. The Helmet Fit Index - An intelligent tool for fit assessment and design customisation. Appl. Ergon. 55, 194-207 (2016).
  11. Takhounts, E. G., Craig, M. J., Moorhouse, K., McFadden, J., Hasija, V. Development of Brain Injury Criteria (BrIC). Stapp Car Crash J. 57, 243-266 (2013).
  12. Eppinger, R., Sun, E., et al. Development of improved injury criteria for the assessment of advanced automotive restraint systems - II. , (1999).
  13. Mertz, H. J., Irwin, A. L., Prasad, P. Biomechanical and scaling bases for frontal and side impact injury assessment reference values. Stapp Car Crash J. 47, 155(2003).
  14. Newman, J. A., Beusenberg, M. C., Shewchenko, N., Withnall, C., Fournier, E. Verification of biomechanical methods employed in a comprehensive study of mild traumatic brain injury and the effectiveness of American football helmets. J. Biomech. 38 (7), 1469-1481 (2005).
  15. CPSC. Safety Standard for Bicycle Helmets; Final Rule. , (1998).
  16. Miller, N. R., Shapiro, R., McLaughlin, T. M. A technique for obtaining spatial parameters of segments of biomechanical systems from cinematographic data. J. Biomech. 13, 535-547 (1980).
  17. Arun, K. S., Huang, T. S., Blostein, S. D. Least-Squares Fitting of Two 3-D Point Sets. IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 9 (5), 698-700 (1987).
  18. Smith, T. A., Halstead, P. D., McCalley, E., Kebschull, S. A., Halstead, S., Killeffer, J. Angular head motion with and without head contact: implications for brain injury. Sports Eng. 18 (3), 165-175 (2015).
  19. Butz, R., Dennison, C. In-fibre Bragg grating impact force transducer for studying head-helmet mechanical interaction in head impact. J. Light. Technol. 33 (13), 8(2015).
  20. Butz, R. C., Knowles, B. M., Newman, J. A., Dennison, C. R. Effects of external helmet accessories on biomechanical measures of head injury risk: An ATD study using the HYBRIDIII headform. J. Biomech. 48 (14), 3816-3824 (2015).
  21. Dennison, C. R., Wild, P. M. Superstructured fiber-optic contact force sensor with minimal cosensitivity to temperature and axial strain. Appl. Opt. 51, 1188-1197 (2012).
  22. Dennison, C. R., Wild, P. M. Sensitivity of Bragg gratings in birefringent optical fibre to transverse compression between conforming materials. Appl. Opt. 49, 2250-2261 (2010).
  23. Knowles, B. M., Yu, H., Dennison, C. R. Accuracy of a Wearable Sensor for Measures of Head Kinematics and Calculation of Brain Tissue Strain. J. Appl. Biomech. 33 (1), 2-11 (2017).
  24. Nightingale, R. W., McElhaney, J. H., Richardson, W. J., Myers, B. S. Dynamic responses of the head and cervical spine to axial impact loading. J. Biomech. 29, 307-318 (1996).
  25. Padgaonkar, A. J., Krieger, K. W., King, A. I. Measurement of Angular Acceleration of a Rigid Body Using Linear Accelerometers. J. Appl. Mech. 42 (3), 552-556 (1975).
  26. SAE. J211 Instrumentation for Impact Test - Part 1: Electronic Instrumentation. , Society of Automotive Engineers. (2014).
  27. Depreitere, B., Lierde, C. V., et al. Bicycle-related head injury: a study of 86 cases. Accid. Anal. Prev. 36, 561-567 (2004).
  28. Fahlstedt, M., Baeck, K., et al. Influence of Impact Velocity and Angle in a Detailed Reconstruction of a Bicycle Accident. Proc. 2012 Int. IRCOBI Conf. Biomech. Impacts. , Available from: https://lirias.kuleuven.be/handle/123456789/357473 787-799 (2012).
  29. Newman, J. A. A Generalized Model for Brain Injury Threshold (GAMBIT). IRCOBI Conf. Proc. , (1986).
  30. Newman, J. A., Shewchenko, N., Welbourne, E. A proposed New Biomechanical head injury assessment function - the maximum power index. Stapp Car Crash J. 44, 215-247 (2000).
  31. NOCSAE. Standard Test Method and Equipment used in Evaluating the Performance Characteristics of Protective Headgear/Equipment NOCSAE Doc (ND) 001- 11m12. , (2012).
  32. Cobb, B. R., MacAlister, A., Young, T. J., Kemper, A. R., Rowson, S., Duma, S. M. Quantitative comparison of Hybrid III and National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment headform shape characteristics and implications on football helmet fit. Proc. Inst. Mech. Eng. Part P J. Sports Eng. Technol. 229 (1), 39-46 (2015).
  33. Cobb, B. R., Zadnik, A. M., Rowson, S. Comparative analysis of helmeted impact response of Hybrid III and National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment headforms. Proc. Inst. Mech. Eng. Part P J. Sports Eng. Technol. 230 (1), 50-60 (2016).
  34. de Jager, M., Sauren, A., Thunnissen, J., Wismans, J. Global and a Detailed Mathematical Model for Head-Neck Dynamics. Proc. Stapp Car Crash Conf. 40, 269-281 (1996).
  35. Aare, M., Halldin, P. A New Laboratory Rig for Evaluating Helmets Subject to Oblique Impacts. Traffic Inj. Prev. 4 (3), 240-248 (2003).

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Nachdrucke und Genehmigungen

Tags

Sitzfestigkeit von HelmenKopfaufprallsimulationanthropometrische TestvorrichtungHochgeschwindigkeitskamerasKopfmodellbeschleunigungNackenkraftmomentMessung der Helmretentionbiomechanische VerletzungsmaßeKalibrierung der AufprallgeschwindigkeitFallturmtests
Ein Prüfstand Helm Passform und Retention und biomechanischen Maßnahmen von Kopf- und Nackenverletzungen in simulierten Auswirkungen prüfen
Kontaktieren Sie uns
Der Bibliothek empfehlen

Datenschutz

Nutzungsbedingungen

Richtlinien

Urheberrecht © 2026 MyJoVE Corporation. Alle Rechte vorbehalten.