Artículo de investigación

Mitigación de impactos en cascos de fútbol americano modernos: avances y limitaciones de diseños específicos para posiciones

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DOI:

10.3791/68278

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13 de enero de 2026

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1Department of Biomedical Engineering, College of Engineering and Applied Science, University of Cincinnati, 2School of Mechanical Engineering, College of Engineering, Purdue University, 3Department of Materials and Mechanical Engineering, College of Engineering and Applied Science, University of Cincinnati

En este artículo

Resumen

Los cascos de fútbol americano modernos rinden por debajo en la parte posterior del casco. El proceso de medición descrito aquí explica la capacidad del casco deportivo para mitigar las aceleraciones traslacionales y rotacionales causadas por impactos de diversas magnitudes. Caracteriza de forma robusta los mecanismos de disipación de energía y puede utilizarse para perfeccionar el proceso de diseño del casco.

Resumen

Se ha demostrado que los impactos repetitivos en la cabeza conducen a la acumulación de cambios en la función, estructura y química cerebral. El casco es el principal equipo de protección para los participantes en el fútbol americano. Los primeros cascos se fabricaron en cuero. Los cascos de plástico con correas para la barbilla se desarrollaron en los años 50, pero los estándares de prueba no se desarrollaron hasta 1973. Aunque esos estándares resultaron en materiales de acolchado mejorados, trabajos previos demostraron que los cascos modernos mitigan mejor las aceleraciones traslacionales que las rotacionales, especialmente en la parte trasera del casco. El objetivo de este estudio fue detallar la metodología utilizada para examinar la mitigación de impactos en cascos de fútbol americano con diferentes mecanismos de disipación de energía, incluidos cascos específicos de posición. Los experimentos se integraron dentro de un marco de análisis dimensional para obtener una técnica que permite evaluar simultáneamente las aceleraciones traslacionales y rotacionales debidas a cargas de impacto cuantificadas en múltiples ubicaciones alrededor del casco. A pesar de las mejoras en la mitigación de impactos general de uno de los cascos probados aquí, en general, no lograron sus objetivos de diseño.

Introducción

Se ha establecido que cada año en Estados Unidos se producen entre 1,6 y 3,8 millones de lesiones cerebrales traumáticas (LCT) relacionadas con deportesen Estados Unidos, resultantes principalmente de deportes de contacto como el fútbol americano, el hockey sobre hielo, el fútbol, el lacrosse, el rugby y la lucha libre. Aunque el fútbol americano muestra consistentemente la mayor tasa de conmoción cerebral diagnosticada, cabe señalar que estas tasas están dramáticamente subestimadas debido a la infranotificación de los síntomas de conmoción 5,6,7,8,9. Con o sin una conmoción cerebral diagnosticada, se ha demostrado que los eventos repetidos de aceleración de la cabeza (rHAEs) pueden provocar cambios marcados en la estructura cerebral10, la función y la química 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Estos rHAEs pueden ser el resultado de impactos directos entre jugadores, un jugador y el suelo, o de eventos de latigazo cervical derivados de impactos en las piernas o el torso. Investigaciones posteriores ilustraron los efectos de las rHAEs en el deterioro cognitivo, la depresión yla ansiedad 22. Incluso se ha sugerido que muchos años de exposición a las rHAEs pueden aumentar el riesgo de trastornos neurodegenerativos a largo plazo como la enfermedad de Alzheimer (EA) y la encefalopatía traumática crónica (CTE)23 tanto en jugadores de fútbol comoen fútbol americano 24,25,26. Para proteger a los participantes en deportes de contacto como el fútbol americano de los efectos perjudiciales de los rHAE, es fundamental comprender la física de los impactos en la cabeza, empezando por el casco, que sirve como principal equipo de protección.

Los primeros cascos de fútbol americano eran de cuero y se convirtieron en un equipo obligatorio en el fútbol universitario en1939-27. Las correas para la barbilla y las mascarillas se usaban en los años 50, pero no fue hasta 1973 cuando el Comité Nacional de Operaciones de Normas para Equipamiento Deportivo (NOCSAE) desarrolló un estándar de prueba. Este estándar basado en torres de caída fue responsable de numerosas mejoras, incluyendo nuevos materiales de amortiguación y novedosos sistemas de mitigación deimpactos 28. Aunque esta metodología proporcionó una base importante, Breedlove et al. fueron los primeros en señalar que no incluir la máscara facial llevaba a subpredicciones sobre las aceleraciones máximas en la parte trasera delcasco 29. Para mitigar esta limitación en el proceso de pruebas, los investigadores comenzaron a utilizar la forma de cabeza Hybrid III, desarrollada originalmente para pruebas de choque automovilística, para evaluar el equipo de protección de los deportes de contacto30, 31, 32, 33. Trabajos recientes han demostrado que los cascos modernos mitigan hasta un 83% de la aceleración traslacional desde un impacto dado hacia la parte frontal del casco, un 80% hacia el lateral del casco y un 75% hacia la parte traseradel casco 34,35%. La mitigación de la aceleración rotacional es considerablemente más variable, a pesar de que se cree que es el correlato principal con el dañotisular 36,37,38,39,40,41,42,43. Los cascos modernos mitigan hasta el 70% de la aceleración rotacional desde un impacto dado hacia la parte frontal del casco, y el 82% hacia el lateral, pero solo un 48% hacia la parte trasera delcasco (34,35).

Según resultados anteriores, el Riddell SpeedFlex (Riddell; Rosemont, IL) y Vicis Zero 1 (Seattle, WA) fueron los modelos de casco con mejor rendimiento, el 35 , tanto en la aceleración traslacional como en la rotacional. En 2022, se desarrolló una nueva versión del Riddell SpeedFlex, así como tres nuevos modelos del Vicis: el Vicis Zero 2; Vicis Zero 2 Trench, diseñado específicamente para linieros; y el Vicis Zero 2 QB, diseñado específicamente para quarterbacks. El estudio actual tenía como objetivo evaluar los cascos que anteriormente tenían el mejor35 y determinar si modificaciones posteriores de diseño, incluidas aquellas destinadas a optimizar el diseño para posiciones específicas, mejoraron sustancialmente el rendimiento. El objetivo general de este estudio fue poner a prueba la hipótesis de que los cascos más modernos funcionarían mejor que la generación anterior tanto en impactos traslacionales como rotacionales.

Protocolo

Los consumibles y el equipo utilizado se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Visión general de la recopilación de datos

En este caso, se utilizaron cuatro modelos diferentes de cascos de dos fabricantes. Entre ellas se incluyó la edición 2022 del SpeedFlex (Riddell, Rosemont, IL), indicada por H1; el Zero 2 (Vicis, Seattle, WA), denotado por H2; la Zanja Zero 2 (Vicis, Seattle, WA), indicada como H2T, diseñada para jugadores de línea ofensiva y defensiva; y el Zero 2 Quarterback (Vicis, Seattle, WA), indicado por H2Q, diseñado para quarterbacks, aunque cabe señalar que las diferencias entre H2 y H2Q no eran evidentes. Para cada modelo de casco, se probaron tres cascos separados, sumando un total de 12 cascos.

El estudio actual siguió el procedimiento básico desarrollado por Cummiskey et al.34,44 y McIver et al.35. En consonancia con estos estudios previos, se utilizó un equipo de pruebas de ensamblaje de cabeza y cuello Hybrid III en percentil 50, fijado a una base de acero, para cuantificar las fuerzas y aceleraciones resultantes de impactos directos en la forma de la cabeza desnuda, así como en cada uno de los tres cascos de cada modelo probado. La mitigación de impactos, tal como se define aquí, era simplemente una medida de la disminución de la aceleración debido a la presencia del casco.

2. Proceso detallado de recogida de datos

Tras asegurarse de que el DAQ y el ordenador que ejecuta el código LabView estaban correctamente conectados a la corriente, todos los sensores se conectaron al DAQ.

3. Inicialización de software

El programa personalizado LabView, titulado "Hammer_Time_2017.vi", se hacía doble clic para iniciar el inicio de la recogida de datos. Los datos básicos se introducían entonces en los campos correspondientes, incluyendo la ruta para el archivo final de datos, el número de visitas por archivo (normalmente cinco), el número de archivos por ubicación (normalmente cuatro) y el perfil del casco. Una vez introducidos los datos, el código LabView se iniciaba pulsando Ejecutar.

Como evaluación preliminar de todo el sistema, se utilizó el martillo de impulso modal para golpear la parte frontal, superior y lateral con el fin de confirmar que el martillo y los nueve acelerómetros estaban recogiendo datos con éxito.

4. Entrega de impacto

Durante la entrega de cada impacto, las aceleraciones resultantes en el centro de masa (CoM) se midieron utilizando una matriz de nueve acelerómetros en una configuración 3-2-2-2, según la definida por Padgaonkar et al.45. Se recopiló una serie temporal de 200 ms para cada impacto normal y oblicuo con un pre-disparo de 70 ms, proporcionando 130 ms de mediciones de aceleración y fuerza de impacto, con todas las señales recogidas a 5120 Hz.

5. Tipos de impacto

Se evaluaron catorce tipos de impacto (Figura 1) para todos los casos de prueba (forma de cabeza descubierta y cada modelo de casco), representando dos ángulos de incidencia (normal y oblicuo) en cada uno de los siete puntos de impacto (Delantero, Delantero, Lateral, Jefe Trasero, Trasero, Superior y el Corte SpeedFlex). Los impactos normales se realizaron perpendiculares a la superficie y los impactos oblicuos se realizaron en un ángulo de aproximadamente 45º respecto a la dirección normal. Estos tipos de impacto se denominan a continuación por: (1) Delantero-Normal, (2) Delantero-Oblicuo, (3) Frontal-Boss-Normal, (4) Frontal-Boss-Oblique, (5) Lateral-Normal, (6) Lateral-Oblicuo, (7) Trasero Boss-Normal, (8) Trasero Boss-Oblicuo, (9) Trasero-Normal, (10) Trasero-Oblicuo, (11) Top-Normal, (12) Top-Oblicuo y, en la ubicación del corte SpeedFlex, tanto (13) Cortado-Normal-como (14) Cortado-Oblicuo (Figura 1)). Para simplificar la discusión sobre las características específicas de mitigación de impactos por posición, también se definieron dos regiones agregadas: el Aspecto Frontal del casco abarcaba los tipos de impacto 1, 2, 3, 4, 13 y 14; y la parte trasera del casco consistía en los tipos de impacto 7, 8, 9 y 10.

Los impactos se administraban primero a la forma de cabeza desnuda usando un martillo de impulso ajustado modalmente (PCB Piezotronics, Inc.; Depew, NY) tal como lo describen Cummiskey et al.34,44, para registrar la fuerza aplicada durante el impacto.

Por cada impacto, el impacto del martillo de impulso modal activaba la ventana de adquisición de 200 ms. Tras inspeccionar visualmente los datos para asegurarse de que no había errores de registro, se pulsaba el botón de guardar para escribir los datos en un archivo. Debido a la violencia de los experimentos, la mayoría de los errores de registro se deben a cables sueltos, un cable de martillo roto o cables rotos del acelerómetro. Para cinco impactos por archivo, y cuatro archivos por ubicación, se registraron un total de veinte impactos en cada ubicación en los niveles 1 (2-4 Ns), 2 (5-7 Ns), 3 (8-10 Ns), 4 (11-13 Ns), 5 (> 14 Ns), con tres repeticiones.

Tras la adquisición de un conjunto de referencia para la forma de cabeza desnuda, se ajustaron en serie tres ejemplares de cada casco a la forma de la cabeza, según las especificaciones del fabricante. Los 14 tipos de impacto se entregaron a cada uno de los tres cascos (Figura 2). Estos procedimientos resultaron en la recopilación de un total de 840 puntos de datos para cada modelo de casco. Cabe señalar que para la recopilación del último y mayor golpe de martillo en cada ubicación, se utilizó una cámara de alta velocidad para documentar el golpe a una tasa de 959 Hz (Figura 3).

6. Postprocesamiento

Este estudio se centra en dos parámetros importantes de salida que resultan de impactos aplicados a una forma de cabeza Híbrida III: las aceleraciones de vertimiento y rotación de pico, ap y figure-protocol-1, respectivamente. Para fines de comparación, estos parámetros se reformularon en forma adimensional, figure-protocol-2, y figure-protocol-3, respectivamente, tal como describieron Cummiskey et al.34,
figure-protocol-4(1)
figure-protocol-5(2)

donde t* es la diferencia entre un tiempo de referencia (100 ms) y la duración del impacto medida por el martillo de impulso, y wn es el ancho del mástil. El impulso entregado a la forma de cabeza (desnuda o con casco) también se convertía en una variable de entrada adimensional, figure-protocol-6, y se daba por,

figure-protocol-7(3)

donde mh es la masa de la forma de cabeza, y F(t) es la fuerza del impacto en función del tiempo, integrada a lo largo de la duración del impacto.

Las trazas de aceleración se recogían y procesaban utilizando un programa personalizado de MATLAB. Tras la recogida, todas las pistas pasaban por un filtro pasa-bajos Butterworth de cuarto orden (frecuencia de corte de 750 Hz) para reducir el ruido. Posteriormente, se utilizaron ecuaciones cinemáticas para calcular la aceleración traslacional y rotacional resultante en el CoM44,45. Estos valores se emitieron como cantidades adimensionales para evaluar la respuesta de la forma cabeza34. La Aceleración Traslacional Máxima (PTA) y la Aceleración Rotacional Máxima (PRA) se emitieron como datos trazados para cada impacto registrado.

7. Análisis estadístico

El estudio actual también siguió la línea de reducción de datos y análisis estadístico desarrolladaanteriormente 34,35. En resumen, tanto figure-protocol-8, como figure-protocol-9, se demostró estar relacionados con el impulso adimensional, figure-protocol-10, por una relación de ley de potencia46. Para la aceleración traslacional, este modelo tiene la forma,

figure-protocol-11(4)

Se utilizó un enfoque similar para modelar la aceleración rotacional adimensional. Se utilizó entonces una versión modificada del método de Grubb para eliminar valores atípicos y se generó un ajuste final de curva34. Se utilizó una prueba ANCOVA con un nivel de α de 0,05 para examinar las diferencias entre los coeficientes de regresión de cada casco, con una prueba post-hoc de Tukey y una corrección del valor p deHolm-Sidak 34,47.

Las curvas asintóticas intermedias finales generadas por este proceso se utilizaron para determinar la mitigación de impactos de cada casco. Una vez calculada el área bajo cada curva usando un total de 100 valores espaciados uniformemente que abarcan la distancia entre los valores mínimo y máximo para figure-protocol-12, fue posible determinar la efectividad del casco en cada ubicación (Figura 4),

figure-protocol-13(5)

Este proceso se repetía para las aceleraciones rotacionales máximas. Con un valor máximo de uno (que representa el 100% de atenuación), cuanto mayor sea la atenuación por impacto, mejor rendimiento del casco. Se utilizó un cambio en la mitigación de 0,05 como valor umbral, representando un tamaño de efecto físicamente significativo. Tal aumento corresponde al 5% de la mitigación máxima posible y eliminaría aproximadamente los efectos de 25-50 impactos en la cabeza para un atleta típico que participa en toda una temporada de contacto y acumula un número típico de 500-1.000 exposiciones a impactos conla cabeza 1,12.

Resultados

Las masas de los cuatro cascos aquí probados oscilaron entre 1,986 kg para el H2Q y 2,243 kg para el H2T (Tabla 1), que es el casco más grande reportado hasta la fecha.

Durante el experimento, la fuerza máxima generada por el martillo de impulso modal fue de 5.307 N.

Aceleraciones traslacionales

Como se demostró anteriormenteen 34,35, la adición de cualquier casco a la forma de cabeza desnuda provocaba una disminución significativa en la aceleración adimensional máxima y una disminución correspondiente en los coeficientes de regresión que relacionaban las aceleraciones máximas con el impulso entregado. Entre los cuatro cascos analizados en este estudio, la mitigación del impacto traslacional osciló entre 0,643 y 0,872 (Tabla 2). Para los modelos base, el H1 mostró una reducción en la mitigación de impacto traslacional de al menos 0,05 para cinco tipos de impacto (tipos de impacto 5 - 8 y 10) y no mostró un aumento de al menos 0,05 para ningún tipo de impacto. En contraste, el H2 demostró un aumento en la mitigación del impacto traslacional de al menos 0,05 para cinco tipos de impacto (tipos de impacto 5 - 8 y 10) y ninguna disminución de esa magnitud.

En términos de tipo de impacto, el H2T alcanzó la máxima mitigación para ocho de los 14 tipos de ubicación/incidencia de impacto (Tabla 2). El H2Q se desempeñó mejor para dos tipos: tipo de impacto 7 - empatado con el H2T - y tipo de impacto 9. Curiosamente, dos cascos de un estudio anterior, el Vicis Zero 1 y el Riddell SpeedFlex 18, funcionaron mejor para dos tipos de impacto (tipos de impacto 1 y 2). El H2 alcanzó la máxima mitigación para el tipo de impacto 6, mientras que el H1 no registró ninguno de los rendimientos máximos.

Aceleraciones rotacionales

La mitigación de impacto para aceleraciones rotacionales osciló entre 0,444 y 0,882 para el tipo de impacto 14 (Tabla 3). Para los modelos base, el H1 mostró una reducción en la mitigación de impactos rotacionales de al menos 0,05 para cinco tipos de impacto (tipos de impacto 2, 5, 7, 10 y 13) y un aumento de al menos 0,05 solo para el tipo de impacto 12. En contraste, el H2 demostró un aumento en la mitigación de impactos rotacionales de al menos 0,05 para nueve tipos de impacto (tipos de impacto 3-6, 8, 9 y 12-14) y una disminución de esa magnitud solo para el tipo de impacto 11.

El H2 alcanzó la máxima mitigación para siete de los 14 tipos de impacto (Tabla 3). El H2Q funcionó mejor para dos tipos de impacto: (tipos de impacto 2 y 4). El H2T rindió mejor para el tipo de impacto 12. Curiosamente, dos modelos previamente probados funcionaron mejor para dos tipos de impacto cada uno: el Schutt Pro VTD II mostró la mayor mitigación de impactos para los tipos de impacto 7 y 10, mientras que el Vicis Zero 1 rindió mejor para los tipos de impacto 1 y11-35.

Este estudio representa la primera vez que un casco de fútbol americano probado según este protocolo ha demostrado una mitigación de impacto superior al 50% para el tipo de impacto 9. Tres cascos, el H1, el H2 y el H2T, superaron esa cifra, siendo el H2 la que demostró la mejor respuesta con 0,529 (Tabla 3). Curiosamente, el H2Q solo alcanzó 0,473 para este tipo de impacto, lo que es sustancialmente inferior al valor del modelo base.

En el Aspecto Frontal (tipos de impacto 1-4, 13 y 14), la principal región importante para los jugadores de línea ofensiva y defensiva, el H2T fue demostrablemente el mejor mitigando aceleraciones traslacionales, con las puntuaciones de mitigación más altas en cuatro de las seis ubicaciones (Tabla 2). En cambio, el H2T fue menos eficaz mitigando aceleraciones rotacionales en el Aspecto Frontal, siendo superado en todos los tipos de impacto asociados (Tabla 3) por el Vicis Zero 1, H2 o H2Q.

En la parte trasera (tipos de impacto 7-10), la principal región de importación para quarterbacks y algunos receptores, los cascos con mejor rendimiento fueron el H2 y el previamente probado Schutt Pro VTD II.

DISPONIBILIDAD DE DATOS:

Todos los datos utilizados para los cálculos descritos estarán disponibles a través de UC Figshare (DOI: 10.60696/uc.30661718).

figure-results-1
Figura 1: Catorce tipos diferentes de impactos se entregaron mediante un martillo de impulso modalmente ajustado a una forma de cabeza Híbrida III. En la vista frontal (A) y la vista trasera (B), los impactos normales se indican con flechas negras, mientras que las flechas grises representan impactos oblicuos, que se ejecutaron en un ángulo de aproximadamente 45 grados respecto a la superficie normal. Las ubicaciones y tipos de impacto se indicaban por (1) Frontal-Normal, (2) Delantero-Oblicuo, (3) Frente Boss-Normal, (4) Frente Boss-Oblicuo, (5) Lateral Normal, (6) Lateral Oblicuo, (7) Jefe Trasero-Normal, (8) Jefe Trasero-Oblicuo, (9) Trasero Normal, (10) Trasero Oblicuo, (11) Top-Normal, (12) Top-Oblicuo y, en la ubicación del corte SpeedFlex, tanto (13) Corte Normal como (14) Corte Oblicuo. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 2: Un impacto frontal normal aplicado a un casco de fútbol americano común que muestra la deformación máxima, la fuerza correspondiente (A), la aceleración traslacional (B) y la aceleración rotacional (C), mostradas en función del tiempo. Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 3: La deformación máxima observada durante un impacto Front-Normal aplicado a cada uno de los cuatro cascos estudiados aquí. Las imágenes muestran la rigidez relativa de la carcasa del casco H1 y la relativa flexibilidad de las carcasas utilizadas para fabricar el H2 y el H2Q. Para la misma magnitud de impacto, el H2T activa menos la carcasa del casco que el H2 o el H2Q. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 4: La mitigación de impactos traslacional se midió utilizando las aceleraciones traslacionales máximas (A) para la forma de cabeza desnuda y las correspondientes aceleraciones traslacionales (B) para la forma de cabeza con casco para cada tipo de casco. La presencia del casco disminuyó drásticamente ambas aceleraciones medidas. Para calcular la mitigación de impactos, se midieron las aceleraciones máximas para las formas de cabeza desnuda y casco, que se utilizaron para calcular el impulso adimensional, figure-results-5, y la aceleración translacional adimensional, figure-results-6. Integrar las áreas bajo la curva para la forma de cabeza desnuda, restar el área correspondiente para la forma de cabeza con casco y normalizar por el área bajo la forma de cabeza desnuda proporcionó un valor entre cero y uno. La mitigación del impacto rotacional se calculó de forma similar. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

figure-results-7
Figura 5: Resumen de la mitigación de impactos traslacional y rotacional para dos de los 14 tipos de impacto diferentes estudiados aquí en todos los cascos probados con este método hasta la fecha. La mitigación de las aceleraciones traslacionales para impactos Frontales Normales (Tipo 1) (A) ilustra una mejora sutil en los Riddell SpeedFlex y poco cambio en los cascos Vicis. La mitigación de las aceleraciones traslacionales para los impactos Rear Normal (Tipo 9) (B) mostró cambios similares en el Riddell y mejoras sutiles en los cascos Vicis. Curiosamente, ambos tipos de casco retrocedieron ligeramente en cuanto a mitigar las aceleraciones rotacionales por impactos frontales (C). Las mejoras más notables en la mitigación de impactos rotacionales se observaron en los impactos traseros (D), con tanto el Riddell SpeedFlex como el Vicis Zero 2 mostrando los valores más altos hasta la fecha. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Tipo de cascoMasa (kg)Material de la cáscara
H12.074Policarbonato
H22.015Elastómero termoplástico
H2T2.243Elastómero termoplástico
H2Q1.986Elastómero termoplástico

Tabla 1: Masa y material de la carcasa para cada casco probado.

Tipo de impactoSpeedFlexH1VicisH2H2TH2Q
Aspecto18Cero 1
1Frontal0.7050.7060.8320.8210.820.799
2Frontal0.7440.7330.8170.8030.8040.791
3Frontal0.750.7510.7860.7980.8050.779
4Frontal0.7410.7560.7590.7920.8040.78
50.8040.7030.7260.7810.7730.801
60.8080.7560.7130.8110.810.807
7Parte trasera0.7470.6430.6980.7480.7540.754
8Parte trasera0.7790.7030.6990.7580.7660.762
9Parte trasera0.7470.6990.7410.7770.7640.795
10Parte trasera0.7560.70.7150.7870.7880.775
110.7010.6970.8320.8040.8320.783
120.7530.7480.8230.8660.8720.848
13Frontal0.7410.7190.8170.8340.8360.819
14Frontal0.7670.770.8080.8460.8530.824

Tabla 2: Mitigación de aceleraciones traslacionales por tipo de impacto. El sombreado gris indica cascos probados como parte del estudio actual. Los números en negrita indican el mejor rendimiento hasta la fecha para un tipo de impacto dado.

Tipo de impactoSpeedFlexH1VicisH2H2TH2Q
Aspecto18Cero 1
1Frontal0.4790.4720.6980.6690.6690.653
2Frontal0.550.4440.7270.7160.6960.738
3Frontal0.6840.6760.7690.8420.8320.814
4Frontal0.7280.7380.7730.8480.8430.853
50.8110.7580.7830.8630.840.846
60.8110.7750.8010.8710.8530.858
7Parte trasera0.730.5850.6980.7470.7360.666
8Parte trasera0.5780.6130.4790.6220.5940.595
9Parte trasera0.4830.520.3910.5290.5050.473
10Parte trasera0.7010.6210.6930.7060.6920.688
110.5640.570.7230.670.6980.642
120.6190.750.7690.8460.8530.762
13Frontal0.530.4770.7550.8110.7890.795
14Frontal0.6850.690.7780.8820.8780.855

Tabla 3: Mitigación de aceleraciones rotacionales por tipo de impacto. El sombreado gris indica cascos probados como parte del estudio actual. Los números en negrita indican el mejor rendimiento hasta la fecha para un tipo de impacto dado.

Discusión

Aunque la última generación de cascos mitigó entre el 64% y el 87% de las aceleraciones traslacionales, y entre el 44% y el 88% de las aceleraciones rotacionales, el aspecto trasero de los cascos de fútbol americano modernos sigue mostrando una mitigación de impactos pobre en general, especialmente para el tipo de impacto 9. Además, aunque el H1 más reciente no rindió, en general, mejor que el SpeedFlex 18 según este protocolo de pruebas, los cascos Vicis más recientes sí mostraron una mejora generalizada, con la mitigación de impactos rotacional en la parte trasera del casco superando por primera vez el 50%.

Sin embargo, es fundamental que la discrepancia persistente en las puntuaciones de mitigación de impactos entre el Aspecto Frontal y el Aspecto Trasero del casco debe reconocerse como que impide el uso de una única métrica para determinar la calidad de un cascodado 34,35,48,49,50. El H2T, que tuvo un buen desempeño en mitigar aceleraciones traslacionales pero mal en mitigar aceleraciones rotacionales, ofrece una clara ilustración del riesgo de usar una métrica singular para un perfil conductual tan complejo. Históricamente, los cascos modernos de fútbol americano han tenido éxito mitigando aceleraciones traslacionales, pero un rendimiento considerablemente más variable al considerar las aceleracionesrotacionales 34,35 (Figura 5).

También cabe señalar que los objetivos de diseño de los cascos específicos por posición no parecen cumplirse con la iteración actual de cascos. Para cascos específicos de posición, es importante distinguir entre aceleraciones traslacionales, durante muchos años el único modo de prueba requerido por NOCSAE, y aceleraciones rotacionales, que a menudo se consideran las más relevantes para el desarrollo de traumatismoscerebrales 36,37,38,39,40,41 . Una de las fortalezas de la metodología utilizada aquí es que las aceleraciones traslacional y rotacional se caracterizan, normalizan y adimensionan por separado, lo que permite considerar ambas en la evaluación general y en el diseño del rendimiento del casco. Otra fortaleza es el uso de los impactos en la cabeza desnuda para normalizar el conjunto de datos, eliminando efectivamente las diferencias en la rigidez del cuello que pueden observarse debido a asimetrías en la estructura del mástil Hybrid III y proporcionando mitigaciones simples de traslación y rotación resultantes que varían de cero a uno en cada ubicación. Este análisis es factible gracias a la integración simultánea de un martillo de impulso para medir la fuerza en función del tiempo entregado a la forma de cabeza y una matriz de acelerómetros para medir las aceleraciones resultantes.

Aunque ha habido un esfuerzo considerable para caracterizar las aceleraciones de cabeza durante los entrenamientos y partidos en muchos niveles diferentesde juego 21,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62, la magnitud de las fuerzas generadas durante los impactos de cabeza no se ha caracterizado in situ. Para proporcionar una estimación de las fuerzas de contacto máximas experimentadas en el fútbol americano, se observó que las jugadoras de fútbol americano de instituto y las futbolistas femeninas presentan distribuciones casi idénticas de eventos de aceleraciónde cabeza 61. Un estudio de laboratorio sobre impactos de cabeza en el fútbol63 en el que la fuerza máxima medida fue aproximadamente 4.600 N. Teniendo en cuenta la masa añadida del casco, se esperaría que las fuerzas máximas fueran aproximadamente un 30% mayores. La fuerza de contacto máxima generada durante este estudio fue de 5.307 N, que está dentro del rango esperado de 6.000 N.

Los linieros suelen experimentar el mayor porcentaje de impactos en la región frontal: 1,12,59,64,65. El H2T era el mejor mitigando las aceleraciones traslacionales del Aspecto Frontal, pero fue superado por otros cascos cuando se consideraban las aceleraciones rotacionales. El material extra añadido en la parte frontal del casco aumentaba su masa, probablemente ayudando a mitigar las aceleraciones traslacionales, pero parecía interferir con la capacidad de la carcasa para deformarse, provocando mayores aceleraciones de rotación. Esta es una estrategia de diseño sorprendente, ya que está bien documentado que el principal mecanismo de disipación de energía del casco Vicis es la flexibilidad de la carcasa.

En cambio, los quarterbacks y muchos receptores suelen sufrir impactos severos en la parte posterior de la cabeza. El H2Q rindió mejor para dos de los cuatro tipos de impacto de Ángulo Trasero cuando se consideraban aceleraciones traslacionales, pero ninguno de los tipos de impacto de Ángulo Trasero cuando se consideraban aceleraciones rotacionales. No está claro por qué el H2Q no rindió tan bien en la parte trasera en comparación con el H2 base. No había diferencias evidentes en la estructura de los cascos, pero el fabricante señala una diferencia en el material del acolchado en algunos lugares no especificados. Futuros trabajos deberían examinar todos los modelos H2 con más detalle, con énfasis en el análisis mecanoquímico de las cáscaras66 y el acolchado, así como en el desarrollo de modelos computacionales de alta resolución para analizar las características estructuralesdinámicas 67,68,69,70,71,72,73 . Los datos recogidos aquí idealmente se combinarían con caracterizaciones mecánicas previas de los distintos materiales que componen elcasco 66 para la generación de análisis por elementos finitos, ya que el uso del martillo de impulso ajustado modalmente proporciona una entrada de fuerza bien definida que acompaña la aceleración resultante. Idealmente, este análisis se realizaría dentro del contexto de un marco de sensibilidad 74,75,76,77.

Se reconoce que el método actual presenta cierta variabilidad debido a que un humano da cada golpe en un rango predefinido. Para compensar, se aseguró que cada métrica de mitigación fuera el resultado de 60 golpes independientes distribuidos en un rango establecido de impulsos. Por lo tanto, esto puede considerarse una característica del protocolo de prueba, ya que los impactos en el campo se realizan con un nivel inherente de aleatoriedad respecto a su magnitud, ubicación y ángulo de inclinación respecto a la superficie del casco. Otra consideración es el tamaño de la cara del martillo. Para el contacto casco con casco, la cara del martillo actúa sobre un área mayor que el casco. En cambio, para casco con tierra, genera un área de contacto menor que el césped. Los trabajos futuros deberían examinar con mayor precisión la naturaleza de estos impactos. Una debilidad más general de cualquier protocolo de prueba de casco es la falta de datos que cuantifiquen las fuerzas de impacto reales experimentadas en el campo. Futuros trabajos deben abordar este problema de forma experimental, ya que ayudará a afinar el rango de impulsos sobre los cuales se debe calcular la mitigación de impactos para cada ubicación del casco.

Divulgaciones

Los autores certifican que no existen conflictos de intereses relacionados con este estudio.

Agradecimientos

El apoyo para este trabajo fue proporcionado en parte por la Oficina de Compensación para Trabajadores de Ohio, Proyecto # WSIC25-240315-028.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Cable del acelerómetroPiezotrónica de PCBModelo 030C10Se requieren seis.
Casco de fútbol americano para adultos tamaño grandeTipos de casco listados a continuaciónNATres de cada modelo se usan para mantener la validez externa.
Módulo de adquisición de datosInstrumentos Nacionales9234
Ensamblaje de cabeza macho del Híbrido III en percentil 50Humanética78051-61X-H
Ensamblaje de mástil macho Hybrid III en percentil 50Humanética78051-90-H
LabView SoftwareInstrumentos NacionalesNA
PortátilDellXPS 16Otros modelos son aceptables.
Punta de goma blanda de trineo grandePiezotrónica de PCBModelo 084A30. 
Cable martillo de bajo ruidoPiezotrónica de PCBModelo 003D20
Martillo de impulso modalmente sintonizadoPiezotrónica de PCBModelo 086D20
Placas de aceroAcero y aluminio del Medio Oeste12"x12"x1"Cinco placas perforadas y atornilladas para formar la base del cuello.
Acelerómetro triaxialPiezotrónica de PCBModelo 356A03
Cable de acelerómetro triaxialPiezotrónica de PCBModelo 034G05
Acelerómetro uniaxialPiezotrónica de PCBModelo 352C22/NCSe requieren seis.
Riddell SpeedflexDenotado por "H1"
Vicis Zero 2Denotado por "H2"
Fosa Vicis Zero 2Denotado por "H2T"
Vicis Zero 2 QBDenotado por "H2Q"

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