Article de recherche

Atténuation des impacts dans les casques de football modernes : avancées et limites des conceptions spécifiques à la position

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DOI :

10.3791/68278

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13 janvier 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

Dans cet article

Résumé

Les casques de football modernes sont moins performants à l’arrière du casque. Le processus de mesure décrit ici éclaire la capacité du casque de sport à atténuer les accélérations translationnelles et rotationnelles causées par des impacts de différentes magnitudes. Il caractérise de manière robuste les mécanismes de dissipation d’énergie et peut être utilisé pour affiner le processus de conception du casque.

Résumé

Il a été établi que les impacts répétés sur la tête entraînent l’accumulation de modifications de la fonction, de la structure et de la chimie cérébrale. Le casque est l’équipement de protection principal pour les participants au football américain. Les premiers casques étaient fabriqués en cuir. Les casques en plastique avec sangles de menton ont été développés dans les années 1950, mais les normes de test n’ont été développées qu’en 1973. Bien que ces normes aient permis d’améliorer les matériaux de rembourrage, des travaux antérieurs ont démontré que les casques modernes atténuent mieux les accélérations translationnelles que les accélérations de rotation, en particulier sur l’aspect arrière d’un casque. L’objectif de cette étude était de détailler la méthodologie utilisée pour examiner l’atténuation des impacts des casques de football présentant différents mécanismes de dissipation d’énergie, y compris les casques spécifiques à la position. Les expériences ont été intégrées dans un cadre d’analyse dimensionnelle afin de fournir une technique permettant d’évaluer simultanément les accélérations translationnelles et rotationnelles dues à des charges d’impact quantifiées à plusieurs endroits autour du casque. Malgré les améliorations dans la mitigation globale des impacts de l’un des casques testés ici, en général, ils n’ont pas atteint leurs objectifs de conception.

Introduction

Il a été établi qu’il y a entre 1,6 et 3,8 millions de traumatismes crâniens (TCC) liés au sport chaque année auxÉtats-Unis 1,2,3,4, résultant principalement de sports de contact tels que le football américain, le hockey sur glace, le soccer, la crosse, le rugby et la lutte. Bien que le football américain affiche systématiquement le plus grand taux de commotion diagnostiquée, il convient de noter que ces taux sont largement sous-estimés en raison du sous-signalement des symptômes de commotion 5,6,7,8,9. Avec ou sans commotion diagnostiquée, il a été établi que les événements répétés d’accélération de la tête (rHAE) peuvent entraîner des changements marqués de la structurecérébrale 10, de la fonction et de la chimie 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Ces rHAEs peuvent résulter d’impacts directs entre les joueurs, un joueur et le sol, ou d’événements de coup du lapin résultant d’impacts sur les jambes ou le torse. Des recherches ultérieures ont illustré les effets des rHAE sur le trouble cognitif, la dépression et l’anxiété22. Il a même été suggéré que de nombreuses années d’exposition aux rHAE pourraient augmenter le risque de troubles neurodégénératifs à long terme tels que la maladie d’Alzheimer (MA) et l’encéphalopathie traumatique chronique (CTE)23 chez les joueurs de footballet de football américain 24,25,26. Afin de protéger les participants aux sports de contact comme le football américain des effets néfastes des rHAE, il est essentiel de comprendre la physique des impacts à la tête, en commençant par le casque, qui sert de principal équipement de protection.

Les premiers casques de football étaient en cuir et sont devenus un équipement obligatoire dans le football universitaire en1939-27. Les sangles mentonières et les masques faciaux étaient utilisés dans les années 1950, mais ce n’est qu’en 1973 qu’une norme de test a été développée par le Comité national d’exploitation des normes pour l’équipement sportif (NOCSAE). Cette norme basée sur la tour de chute a été responsable de nombreuses améliorations, notamment de nouveaux matériaux d’amortissement et de nouveaux systèmes d’atténuation d’impact28. Bien que cette méthodologie fournisse une base importante, Breedlove et al. furent les premiers à souligner que l’absence du masque facial menait à sous-prévoir les accélérations maximales à l’arrière ducasque 29. Afin de pallier cette lacune dans le processus de test, les chercheurs ont commencé à utiliser la forme de tête Hybrid III, initialement développée pour les tests de collision automobile, afin d’évaluer les équipements de protection des sports de contact30, 31, 32, 33. Des travaux récents ont démontré que les casques modernes atténuent jusqu’à 83 % de l’accélération translationnelle d’un impact donné vers l’avant du casque, 80 % vers le côté du casque, et 75 % vers l’arrière ducasque (34,35). La mitigation de l’accélération rotationnelle est nettement plus variable, bien qu’elle soit considérée comme le principal corrélé des lésionstissulaires 36,37,38,39,40,41,42,43. Les casques modernes atténuent jusqu’à 70 % de l’accélération de rotation d’un impact donné vers l’avant du casque, et 82 % vers le côté du casque, mais seulement 48 % à l’arrière ducasque (34,35).

D’après les résultats précédents, le Riddell SpeedFlex (Riddell ; Rosemont, IL) et Vicis Zero 1 (Seattle, WA) étaient les modèles decasques les plus performants, le 35 , tant en termes d’accélérations translationnelles que rotatives. En 2022, une nouvelle version du Riddell SpeedFlex a été développée, ainsi que trois nouveaux modèles de la Vicis : la Vicis Zero 2 ; Vicis Zero 2 Trench, spécialement conçu pour les linemen ; et le quarterback Vicis Zero 2, spécialement conçu pour les quarterbacks. L’étude actuelle visait à évaluer les casques qui avaient auparavant obtenu lemeilleur 35 et à déterminer si les modifications ultérieures, y compris celles visant à optimiser le design du casque pour des positions spécifiques, amélioraient substantiellement les performances. L’objectif global de cette étude était de tester l’hypothèse selon laquelle les casques les plus récents auraient de meilleures performances que la génération précédente, tant pour les impacts translationnels que rotatifs.

Protocole

Les consommables et l’équipement utilisés sont listés dans le Tableau des Matériaux.

1. Aperçu de la collecte de données

Ici, quatre modèles de casques différents de deux fabricants ont été utilisés. Cela incluait l’édition 2022 du SpeedFlex (Riddell, Rosemont, IL), indiquée H1 ; le Zero 2 (Vicis, Seattle, WA), indiqué H2 ; la tranchée Zero 2 (Vicis, Seattle, WA), désignée H2T, conçue pour les joueurs de la ligne offensive et défensive ; et le Zero 2 Quarterback (Vicis, Seattle, WA), désigné H2Q, conçu pour les quarterbacks, bien qu’il faille noter que les différences entre H2 et H2Q n’étaient pas évidentes. Pour chaque modèle de casque, trois casques distincts ont été testés, pour un total de 12 casques.

L’étude actuelle a suivi la procédure de base développée par Cummiskey et al.34,44, et McIver et al.35. Conformément à ces études précédentes, un système d’essai d’assemblage tête et cou Hybrid III au50e percentile, fixé à une base en acier, a été utilisé pour quantifier les forces et accélérations résultant d’impacts directs sur la forme de la tête nue ainsi que sur chacun des trois casques de chaque modèle testé. La mitigation des impacts, telle que définie ici, était simplement une mesure de la diminution de l’accélération due à la présence du casque.

2. Processus détaillé de collecte des données

Après avoir vérifié que le DAQ et l’ordinateur qui exécute le code LabView étaient correctement connectés à l’alimentation, tous les capteurs ont été branchés au DAQ.

3. Initialisation logicielle

Le programme LabView personnalisé, intitulé « Hammer_Time_2017.vi », était double-cliqué pour lancer le début de la collecte de données. Les données de base étaient ensuite saisies dans les champs appropriés, notamment le chemin du fichier de données final, le nombre de visites par fichier (généralement cinq), le nombre de fichiers par emplacement (généralement quatre), et le profil de la tête de jeu. Une fois les données saisies, le code LabView était lancé en appuyant sur Exécuter.

En tant qu’évaluation préliminaire de l’ensemble du système, le marteau à impulsion modale a été utilisé pour frapper l’avant, le dessus et le côté afin de confirmer que le marteau et les neuf accéléromètres collectaient avec succès des données.

4. Livraison d’impact

Lors de chaque impact, les accélérations résultantes au centre de masse (CoM) ont été mesurées à l’aide d’un réseau de neuf accéléromètres dans une configuration 3-2-2-2, telle que définie par Padgaonkar et al.45. Une série temporelle de 200 ms a été collectée pour chaque impact normal et oblique avec une pré-déclenchement de 70 ms, fournissant 130 ms de mesures d’accélération et de force d’impact, tous les signaux étant collectés à 5120 Hz.

5. Types d’impact

Quatorze types d’impact (Figure 1) ont été évalués pour tous les cas d’essai (forme tête nue et chaque modèle de casque), représentant deux angles d’incidence (normal et oblique) à chacun des sept points d’impact (Avant, Avant Boss, Côté, Arrière, Arrière, Haut et la SpeedFlex Cut Out). Les impacts normaux ont été effectués perpendiculairement à la surface, et les impacts obliques à un angle d’environ 450 par rapport à la direction normale. Ces types d’impact sont désormais désignés par : (1) Avant-Normal, (2) Avant-Oblique, (3) Avant-Boss-Normal, (4) Avant-Boss-Oblique, (5) Side-Normal, (6) Side-Oblique, (7) Arrière-Boss-Normal, (8) Arrière-Boss-Oblique, (9) Arrière-Normal, (10) Arrière-Oblique, (11) Top-Normal, (12) Top-Oblique, et, à l’emplacement du SpeedFlex Cut Out, à la fois (13) Coupé-Normal-Coupé et (14) Coupé-Oblique (Figure 1)). Pour simplifier la discussion des caractéristiques d’atténuation des impacts spécifiques à la position, deux régions agrégées ont également été définies : l’aspect frontal du casque englobait les types d’impact 1, 2, 3, 4, 13 et 14 ; et l’aspect arrière du casque comprenait les types d’impact 7, 8, 9 et 10.

Les impacts ont d’abord été appliqués à la forme à tête nue à l’aide d’un marteau impulsionnel modalement accordé (PCB Piezotronics, Inc. ; Depew, NY) tel que décrit par Cummiskey et al.34,44, pour enregistrer la force appliquée lors de l’impact.

Pour chaque coup, l’impact du marteau d’impulsion modale déclenchait la fenêtre d’acquisition de 200 ms. Après inspection visuelle des données pour s’assurer qu’il n’y avait pas d’erreurs d’enregistrement, le bouton Enregistrer était pressé pour écrire les données dans un fichier. En raison de la violence des expériences, la plupart des erreurs d’enregistrement proviennent de fils desserrés, d’un câble de marteau cassé ou de fils d’accéléromètre cassés. Pour cinq impacts par fichier, et quatre dossiers par emplacement, un total de vingt impacts ont été enregistrés à chaque emplacement aux niveaux 1 (2-4 Ns), 2 (5-7 Ns), 3 (8-10 Ns), 4 (11-13 Ns), 5 (> 14 Ns), avec trois répétitions.

Après l’acquisition d’un ensemble de référence pour la forme à tête nue, trois exemplaires de chaque casque ont été montés en série sur la forme de la tête, selon les spécifications du fabricant. Les 14 types d’impact ont été appliqués à chacun des trois casques (Figure 2). Ces procédures ont permis de collecter un total de 840 points de données pour chaque modèle de casque. Notez que pour la collecte du dernier et plus grand coup de marteau à chaque emplacement, une caméra à grande vitesse a été utilisée pour documenter le coup à une fréquence d’images de 959 Hz (Figure 3).

6. Post-traitement

Cette étude se concentre sur deux paramètres importants de sortie résultant des impacts sur une forme de tête hybride III : les accélérations translationnelles maximales et rotationnelles maximales, ap, et figure-protocol-1, respectivement. À des fins de comparaison, ces paramètres ont été reformulés sous forme sans dimension, figure-protocol-2, et figure-protocol-3, respectivement, comme décrits par Cummiskey et al.34,
figure-protocol-4(1)
figure-protocol-5(2)

où t* est la différence entre un temps de référence (100 ms) et la durée de l’impact telle que mesurée par le marteau à impulsion, et wn est la largeur du manche. L’impulsion transmise à la forme de tête (nue ou casquée) était également convertie en une variable d’entrée sans dimension, figure-protocol-6, et donnée par,

figure-protocol-7(3)

où mh est la masse de la forme de tête, et F(t) est la force d’impact en fonction du temps, intégrée sur la durée de l’impact.

Les traces d’accélération étaient collectées et traitées à l’aide d’un programme MATLAB personnalisé. Après la collecte, toutes les pistes étaient passées à travers un filtre passe-bas Butterworth de quatrième ordre (fréquence de coupure de 750 Hz) pour réduire le bruit. Des équations cinématiques ont ensuite été utilisées pour calculer l’accélération translationnelle et rotationnelle résultante au CoM44,45. Ces valeurs étaient produites sous forme de grandeurs sans dimension pour évaluer la réponse de la formetête 34. L’accélération translationnelle de pointe (PTA) et l’accélération rotationnelle de pic (PRA) étaient données de trace pour chaque impact enregistré.

7. Analyse statistique

La présente étude a également suivi la chaîne de réduction des données et d’analyse statistique développéeprécédemment 34,35. En résumé, il a été démontré que figure-protocol-8tous deux , et figure-protocol-9, sont liés à l’impulsion sans dimension, figure-protocol-10, par une relation de loi de puissance46. Pour l’accélération translationnelle, ce modèle a la forme,

figure-protocol-11(4)

Une approche similaire a été utilisée pour modéliser l’accélération rotationnelle sans dimension. Une version modifiée de la méthode de Grubb a ensuite été utilisée pour éliminer les valeurs aberrantes, et un ajustement final de courbe a étégénéré 34. Un test ANCOVA avec un niveau α de 0,05 a été utilisé pour examiner les différences entre les coefficients de régression de chaque casque, avec un test post-hoc de Tukey et une correction de la valeur p deHolm-Sidak 34,47.

Les courbes asymptotiques intermédiaires finales générées par ce procédé ont été utilisées pour déterminer l’atténuation des impacts pour chaque casque. Une fois la surface sous chaque courbe calculée en utilisant un total de 100 valeurs espacées uniformément couvrant la distance entre les valeurs minimales et maximales pour figure-protocol-12, il était possible de déterminer l’efficacité du casque à chaque emplacement (Figure 4),

figure-protocol-13(5)

Ce processus a été répété pour les accélérations de rotation maximales. Avec une valeur maximale de un (représentant 100 % d’atténuation), plus l’atténuation d’impact est élevée, meilleur est le casque. Un changement d’atténuation de 0,05 a été utilisé comme valeur seuil, représentant une taille d’effet physiquement significative. Une telle augmentation correspond à 5 % de l’atténuation maximale possible et éliminerait à peu près les effets de 25 à 50 impacts à la tête pour un athlète typique participant à une saison entière de contact et accumulant un nombre typique de 500 à 1 000 expositions aux impactsà la tête 1,12.

Résultats

Les masses des quatre casques testés ici variaient de 1,986 kg pour le H2Q à 2,243 kg pour le H2T (Tableau 1), qui est le casque le plus massif jamais rapporté.

Au cours de l’expérience, la force maximale générée par le marteau d’impulsion modale était de 5 307 N.

Accélérations translationnelles

Comme démontré précédemment34,35, l’ajout de tout casque à la forme tête nue entraînait une diminution significative de l’accélération de pointe sans dimension et une diminution correspondante des coefficients de régression reliant les accélérations maximales à l’impulsion délivrée. Parmi les quatre casques testés pour cette étude, la mitigation translationnelle de l’impact variait de 0,643 à 0,872 (Tableau 2). Pour les modèles de base, le H1 a montré une réduction de l’atténuation des impacts translationnelles d’au moins 0,05 pour cinq types d’impact (types d’impact 5 à 8 et 10) et n’a montré aucune augmentation d’au moins 0,05 pour aucun type d’impact. En revanche, le H2 a démontré une augmentation de l’atténuation de l’impact translationnel d’au moins 0,05 pour cinq types d’impact (types d’impact 5 à 8 et 10) et aucune diminution de cette ampleur.

Sur la base du type d’impact, le H2T a atteint la mitigation maximale pour huit des 14 types de lieu/incidence d’impact (Tableau 2). Le H2Q a mieux performé pour deux types : le type d’impact 7 - à égalité avec le H2T - et le type d’impact 9. Fait intéressant, deux casques issus d’une étude précédente, le Vicis Zero 1 et le Riddell SpeedFlex 18, ont chacun mieux performé pour deux types d’impact (types d’impact 1 et 2). Le H2 a atteint la mitigation maximale pour le type d’impact 6, tandis que le H1 n’a enregistré aucune des meilleures performances.

Accélérations de rotation

L’atténuation des impacts pour les accélérations de rotation variait de 0,444 à 0,882 pour le type d’impact 14 (Tableau 3). Pour les modèles de base, le H1 a montré une réduction de l’atténuation des impacts rotationnels d’au moins 0,05 pour cinq types d’impact (types d’impact 2, 5, 7, 10 et 13) et une augmentation d’au moins 0,05 uniquement pour le type d’impact 12. En revanche, le H2 a montré une augmentation de l’atténuation de l’impact rotationnel d’au moins 0,05 pour neuf types d’impact (types d’impact 3-6, 8, 9 et 12-14) et une diminution de cette magnitude uniquement pour le type d’impact 11.

Le H2 a atteint la mitigation maximale pour sept des 14 types d’impact (Tableau 3). Le H2Q a mieux performé pour deux types d’impact : (types d’impact 2 et 4). Le H2T a été le mieux adapté au type d’impact 12. Fait intéressant, deux modèles testés précédemment ont mieux performé pour deux types d’impact chacun : le Schutt Pro VTD II a affiché la meilleure atténuation des impacts pour les types d’impact 7 et 10, tandis que le Vicis Zero 1 a mieux performé pour les types d’impact 1 et11-35.

Cette étude représente la première fois qu’un casque de football testé selon ce protocole démontre une atténuation d’impact supérieure à 50 % pour le type d’impact 9. Trois casques, le H1, le H2 et le H2T, ont tous dépassé ce seuil, le H2 affichant la meilleure réponse à 0,529 (Tableau 3). Fait intéressant, le H2Q n’a atteint que 0,473 pour ce type d’impact, ce qui est nettement inférieur à la valeur du modèle de base.

Sur l’aspect frontal (types d’impact 1-4, 13 et 14), la principale région importante pour les joueurs de la ligne offensive et défensive, le H2T était manifestement le meilleur pour atténuer les accélérations translationnelles, avec les scores d’atténuation les plus élevés à quatre des six emplacements (Tableau 2). En revanche, le H2T était moins efficace pour atténuer les accélérations de rotation sur l’aspect frontal, étant surpassé pour tous les types d’impact associés (Tableau 3) par le Vicis Zéro 1, le H2 ou le H2Q.

Sur l’arrière (types d’impact 7 à 10), la principale région d’importance pour les quarterbacks et certains receveurs, les casques les plus performants étaient le H2 et le Schutt Pro VTD II, déjà testé.

DISPONIBILITÉ DES DONNÉES :

Toutes les données utilisées pour les calculs décrits ici seront mises à disposition via UC Figshare (DOI : 10.60696/uc.30661718).

figure-results-1
Figure 1 : Quatorze types différents d’impacts ont été délivrés via un marteau à impulsion modalement accordé sur une forme de tête Hybrid III. Dans la vue de face (A) et la vue arrière (B), les impacts normaux sont indiqués par des flèches noires tandis que les flèches grises représentent des impacts obliques, qui ont été effectués à un angle d’environ 45 degrés par rapport à la normale de la surface. Les emplacements et types d’impact étaient indiqués par (1) Avant-Normal, (2) Avant-Oblique, (3) Avant-Boss-Normal, (4) Avant-Boss-Oblique, (5) Side-Normal, (6) Side-Oblique, (7) Arrière-Boss-Normal, (8) Arrière-Boss-Oblique, (9) Arrière-Normal, (10) Arrière-Oblique, (11) Top-Normal, (12) Top-Oblique, et, à l’emplacement du SpeedFlex Cut Out, à la fois (13) Coupé-Normale et (14) Découpé-Oblique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

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Figure 2 : Un impact front-normal infligé à un casque de football commun qui montre la déformation maximale, la force correspondante (A), l’accélération translationnelle (B) et l’accélération rotationnelle (C), représentées en fonction du temps. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 3 : La déformation maximale observée lors d’un impact Front-Normal appliqué à chacun des quatre casques étudiés ici. Les images montrent la rigidité relative de la coque du casque H1 et la conformité relative des coques utilisées pour fabriquer les H2 et H2Q. Pour la même ampleur d’impact, le H2T engage moins la coque du casque que le H2 ou le H2Q. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

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Figure 4 : L’atténuation des impacts translationnelles a été mesurée en utilisant les accélérations translationnelles maximales (A) pour la forme tête nue et les accélérations translationnelles correspondantes (B) pour la forme casque pour chaque type de casque. La présence du casque diminuait considérablement les deux accélérations mesurées. Pour calculer l’atténuation des impacts, les accélérations de pic pour les formes de tête nue et casque ont été mesurées et utilisées pour calculer l’impulsion sans dimension, figure-results-5, et l’accélération translationnelle sans dimension, figure-results-6. En intégrant les zones sous la courbe pour la forme tête nue, en soustrayant la surface correspondante pour la forme tête casquée, et en normalisant par la surface sous la forme tête nue, on obtenait une valeur comprise entre zéro et un. L’atténuation de l’impact rotationnel a été calculée de manière similaire. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

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Figure 5 : Résumé de l’atténuation des impacts translationnelles et rotationnelles pour deux des 14 types d’impact différents étudiés ici sur tous les casques testés avec cette méthode à ce jour. L’atténuation des accélérations translationnelles pour les impacts Front Normal (Type 1) (A) illustre une amélioration subtile du Riddell SpeedFlex et peu de changement dans les casques Vicis. La réduction des accélérations translationnelles pour les impacts Normal arrière (Type 9) (B) a montré des changements similaires pour le Riddell et des améliorations subtiles pour les casques Vicis. Fait intéressant, les deux types de casques ont légèrement régressé en ce qui concerne la réduction des accélérations de rotation lors des impacts frontaux (C). Les améliorations les plus spectaculaires dans la réduction des impacts rotatifs ont été observées pour les impacts arrière (D), avec les Riddell SpeedFlex et Vicis Zero 2 affichant les valeurs les plus élevées à ce jour. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

Type de casqueMasse (kg)Matériau de la coquille
H12.074Polycarbonate
H22.015Élastomère thermoplastique
H2T2.243Élastomère thermoplastique
H2Q1.986Élastomère thermoplastique

Tableau 1 : Masse et matériau de coque pour chaque casque testé.

Type d’impactSpeedFlexH1VicisH2H2TH2Q
Aspect18Zéro 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
7Arrière0.7470.6430.6980.7480.7540.754
8Arrière0.7790.7030.6990.7580.7660.762
9Arrière0.7470.6990.7410.7770.7640.795
10Arrière0.7560.70.7150.7870.7880.775
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

Tableau 2 : Atténuation des accélérations translationnelles par type d’impact. L’ombre grise indique les casques testés dans le cadre de l’étude actuelle. Les chiffres en gras indiquent les meilleures performances à ce jour pour un type d’impact donné.

Type d’impactSpeedFlexH1VicisH2H2TH2Q
Aspect18Zéro 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
7Arrière0.730.5850.6980.7470.7360.666
8Arrière0.5780.6130.4790.6220.5940.595
9Arrière0.4830.520.3910.5290.5050.473
10Arrière0.7010.6210.6930.7060.6920.688
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

Tableau 3 : Atténuation des accélérations de rotation par type d’impact. L’ombre grise indique les casques testés dans le cadre de l’étude actuelle. Les chiffres en gras indiquent les meilleures performances à ce jour pour un type d’impact donné.

Discussion

Alors que la dernière génération de casques a été identifiée pour atténuer 64 % à 87 % des accélérations translationnelles, et 44 % à 88 % des accélérations de rotation, l’aspect arrière des casques de football modernes continue de présenter une faible atténuation des impacts en général, en particulier pour le type d’impact 9. De plus, bien que le H1 plus récent n’ait généralement pas été meilleur performant que le SpeedFlex 18 selon ce protocole de test, les nouveaux casques Vicis ont montré une amélioration généralisée, avec une atténuation des impacts rotationnels à l’arrière du casque dépassant pour la première fois les 50 %.

Il est cependant crucial que la persistance des différences dans les scores d’atténuation des impacts entre l’aspect frontal et l’aspect arrière du casque doit être reconnue comme empêchant l’utilisation d’un seul indicateur pour déterminer la qualité d’un casquedonné 34,35,48,49,50 . Le H2T, qui a bien réussi à atténuer les accélérations translationnelles mais mal à atténuer les accélérations rotationnelles, illustre clairement le risque d’utiliser une métrique unique pour un profil comportemental aussi complexe. Historiquement, les casques de football modernes ont réussi à atténuer les accélérations translationnelles, mais des performances nettement plus variables lorsqu’on considère les accélérations derotation 34,35 (Figure 5).

Il convient également de noter que les objectifs de conception des casques spécifiques à la position ne semblent pas être atteints par l’itération actuelle des casques. Pour les casques spécifiques à la position, il est important de distinguer les accélérations translationnelles, pendant de nombreuses années le seul mode de test requis par NOCSAE, et les accélérations rotationnelles, souvent considérées comme les plus pertinentes pour le développement des traumatismescrâniens 36,37,38,39,40,41 . L’un des points forts de la méthodologie utilisée ici est que les accélérations translationnelles et rotationnelles sont caractérisées, normalisées et non dimensionnalisées séparément, ce qui permet de prendre en compte les deux dans l’évaluation globale et la conception des performances du casque. Un autre point fort est l’utilisation des impacts de tête nue pour normaliser l’ensemble de données, éliminant ainsi efficacement les différences de rigidité du cou pouvant être observées dues aux asymétries de la structure du cou Hybrid III, et fournissant des mitigations simples de translation et de rotation qui varient de zéro à un à chaque emplacement. Cette analyse est réalisable grâce à l’intégration simultanée d’un marteau impulsionnel pour mesurer la force en fonction du temps délivré à la forme de tête et d’un réseau d’accéléromètres pour mesurer les accélérations obtenues.

Bien qu’il y ait eu un effort considérable pour caractériser les accélérations de la tête lors des entraînements et des matchs à de nombreux niveaux de jeu 21,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62, l’ampleur des forces générées lors des impacts de tête n’a pas été caractérisée in situ. Afin de fournir une estimation des forces de contact maximales ressenties dans le football, il a été noté que les joueuses de football américain au lycée et les joueuses de football féminin présentent des distributions presque identiques des événements d’accélérationde la tête 61. Une étude en laboratoire sur les impacts de tête dans le football63 a montré que la force maximale mesurée était d’environ 4 600 N. En tenant compte de la masse supplémentaire du casque, on pourrait s’attendre à ce que les forces de pointe soient environ 30 % plus élevées. La force de contact maximale générée lors de cette étude était de 5 307 N, ce qui se situe dans la fourchette attendue de 6 000 N.

Les linemen subissent généralement le plus grand pourcentage d’impacts sur la régionfrontale : 12, 59, 64, 65. Le H2T était le meilleur pour atténuer les accélérations translationnelles de l’aspect frontal, mais il était surpassé par d’autres casques lorsque l’on considérait les accélérations de rotation. Le matériau supplémentaire ajouté à l’avant du casque augmentait sa masse, aidant probablement à atténuer les accélérations translationnelles, mais semblait gêner la capacité de la coque à se déformer, provoquant des accélérations de rotation plus élevées. C’est une stratégie de conception surprenante car il est bien documenté que le principal mécanisme de dissipation d’énergie du casque Vicis est la flexibilité de la coque.

En revanche, les quarterbacks, et de nombreux receveurs, subissent souvent de graves impacts à l’arrière de la tête. Le H2Q a mieux performé pour deux des quatre types d’impact à l’angle arrière lorsque les accélérations translationnelles étaient considérées, mais aucun des types d’impact à l’arrière lors des accélérations de rotation. On ne sait pas pourquoi le H2Q n’a pas aussi bien performé à l’arrière que le H2 de base. Il n’y avait pas de différences évidentes dans la structure des casques, mais le fabricant note une différence dans le matériau du rembourrage à certains endroits non spécifiés. Les travaux futurs devraient examiner tous les modèles H2 plus en détail, en mettant l’accent sur l’analyse mécano-chimique des coques66 et du rembourrage, ainsi que sur le développement de modèles computationnels haute résolution pour analyser les caractéristiques structurellesdynamiques 67,68,69,70,71,72,73 . Les données recueillies ici devraient idéalement être combinées avec des caractérisations mécaniques antérieures des différents matériaux qui composent lecasque 66 pour générer des analyses par éléments finis, car l’utilisation du marteau à impulsion modalement accordé fournit une force bien définie pour accompagner l’accélération résultante. Idéalement, cette analyse serait réalisée dans le cadre d’un cadre de sensibilité 74,75,76,77.

La méthode actuelle est reconnue pour présenter une certaine variabilité en raison du fait qu’un humain porte chaque coup sur une plage prédéfinie. Pour compenser, il a été assuré que chaque métrique d’atténuation résulte de 60 coups indépendants répartis sur une plage d’impulsions établie. Par conséquent, cela peut être considéré comme une caractéristique du protocole de test, puisque les impacts sur le terrain sont effectués avec un niveau inhérent d’aléatoire en ce qui concerne leur magnitude, leur position et leur angle d’inclinaison par rapport à la surface du casque. Un autre point à considérer est la taille de la face du marteau. Pour le contact casque contre casque, la face du marteau agit sur une surface plus grande que le casque. En revanche, pour le casque au sol, cela génère une surface de contact plus petite que le gazon. Les travaux futurs devraient examiner plus précisément la nature de ces impacts. Une faiblesse plus générale de tout protocole d’essai de casque est l’absence de données quantifiant les forces d’impact réelles subies sur le terrain. Les travaux futurs devront traiter ce problème de manière expérimentale, car cela aidera à affiner la plage d’impulsions sur lesquelles la mitigation des impacts doit être calculée pour chaque emplacement du casque.

Déclarations de divulgation

Les auteurs certifient qu’ils n’ont aucun conflit d’intérêts lié à cette étude.

Remerciements

Le soutien à ce travail a été en partie assuré par le Bureau of Workers' Compensation de l’Ohio, projet # WSIC25-240315-028.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Fil d’accéléromètrePiézotronique sur PCBModèle 030C10Six requises.
Casque de football adulte taille grandeTypes de casques listés ci-dessousNATrois exemplaires de chaque modèle servaient à maintenir la validité externe.
Module d’acquisition de donnéesInstruments nationaux9234
Assemblage de tête mâle Hybrid III au 50e percentileHumanétique78051-61X-H
Assemblage du cou mâle Hybrid III au 50e percentileHumanétique78051-90-H
Logiciel LabViewInstruments nationauxNA
Ordinateur portableDellXPS 16D’autres modèles sont acceptés.
Grosse embout en caoutchouc souple pour traîneauPiézotronique sur PCBModèle 084A30.  ;
Câble de marteau à faible bruitPiézotronique sur PCBModèle 003D20
Marteau à impulsion modalement accordéPiézotronique sur PCBModèle 086D20
Plaques en acierAcier et aluminium du Midwest12"x12"x1 »Cinq plaques percées et boulonnées pour former la base du manche.
Accéléromètre triaxialPiézotronique sur PCBModèle 356A03
Câble d’accéléromètre triaxialPiézotronique sur PCBModèle 034G05
Accéléromètre uniaxialPiézotronique sur PCBModèle 352C22/NCSix requises.
Riddell SpeedflexNoté « H1 »
Vicis Zéro 2Noté « H2 »
Tranchée Vicis Zéro 2Désigné « H2T »
Vicis Zero 2 QBIndiqué « H2Q »

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