研究記事

現代のフットボールヘルメットにおける衝撃軽減:ポジション特化設計の進歩と限界

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DOI:

10.3791/68278

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2026年1月13日

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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

この記事について

サマリー

現代のフットボールヘルメットは、ヘルメットの後部部分で性能が劣ります。ここで説明する測定プロセスは、スポーツヘルメットがさまざまな衝撃による並進加速度および回転加速度を軽減できる能力を明らかにします。エネルギー放散機構を強固に特徴付け、ヘルメット設計プロセスの洗練にも利用できます。

要約

繰り返しの頭部への衝撃が脳機能、構造、化学反応の変化を引き起こすことが確立されています。ヘルメットはアメリカンフットボールの参加者にとって主要な防護装備です。最初のヘルメットは革で作られました。あご紐付きのプラスチック製ヘルメットは1950年代に開発されましたが、試験基準が整ったのは1973年になってからでした。これらの基準によりパッド材は改善されましたが、以前の研究では現代のヘルメットは特にヘルメットの リアアスペクトにおいて、回転加速度よりも並進加速度をより効果的に軽減することが示されました。本研究の目的は、ポジション特有のヘルメットを含む異なるエネルギー放散機構を持つフットボールヘルメットの衝撃軽減方法を詳細に検証することでした。これらの実験は寸法解析の枠組みに統合され、ヘルメット周辺の複数の場所で定量化された衝撃荷重による並進加速度と回転加速度を同時に評価できる技術が生まれました。ここで試験されたヘルメットの一つの全体的な衝撃軽減の改善があったものの、全体として設計目標は達成されませんでした。

概要

アメリカ合衆国では、毎年160万件から380万件のスポーツ関連外傷性脳損傷(TBI)が発生していることが確認されています。1,2,3,4件は主にフットボール、アイスホッケー、サッカー、ラクロス、ラグビー、レスリングなどの接触スポーツによるものです。フットボールは常に診断された脳震盪の割合が最も高いですが、脳震盪症状の報告が5、6、7、8、9のため、これらの率は著しく過小評価されていることに注意が必要です。診断された脳震盪の有無にかかわらず、繰り返しの頭部加速イベント(rHAEs)は脳構造10、機能、化学に著しい変化をもたらすことが確立されています。11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21.これらのrHAEは、選手同士の直接的な衝突、選手と地面への衝突、または脚や胴体への衝撃によるむち打ち現象が原因となることがあります。その後の研究では、rHAEsが認知障害、うつ病、不安に与える影響が示されました22。さらに、長年rHAEsへの曝露が、サッカー選手やフットボール選手においてアルツハイマー病(AD)や慢性外傷性脳症(CTE)などの長期的な神経変性疾患のリスクを高める可能性があると示唆されています24,25,26。アメリカンフットボールのような接触スポーツの参加者をrHAEの有害な影響から守るためには、頭部への衝撃の物理学を理解することが極めて重要であり、まずは主要な防護装備であるヘルメットから始まります。

最初のフットボールヘルメットは革製で、1939年から27年にかけて大学フットボールの必須装備となりました。1950年代にはあご紐やフェイスマスクが使われていましたが、1973年に国家運動機器基準運営委員会(NOCSAE)によって試験基準が策定されました。このドロップタワーベースの規格は、新しいクッション素材や新しい衝撃軽減システム28など、多くの改良をもたらしました。この方法論は重要な基準を示しましたが、Breedloveらはフェイスマスクを含まなかったことでヘルメット後部のピーク加速度が過小予測されてしまうことを最初に指摘しました。この試験プロセスの欠点を軽減するため、研究者たちはもともと自動車衝突試験用に開発されたハイブリッドIIIヘッドフォームを、接触スポーツ30,31,32,33の保護装備の評価に使用し始めました。最近の研究では、現代のヘルメットは、ヘルメット前部への衝撃による平行加速度の最大83%、側面80%、後部34.35への75%を軽減できることが示されています。回転加速度の緩和はかなり変動的ですが、組織損傷との主要な相関と考えられているにもかかわらず、36,37,38,39,40,41,42,43です。現代のヘルメットは、前方への衝撃による回転加速度の最大70%、側面への82%を軽減しますが、後方への影響はわずか48%です。

これまでの結果に基づくと、リデル・スピードフレックス(Riddell;ローズモント(イリノイ州)およびVicis Zero 1(シアトル、ワシントン州)は、並進加速度と回転加速度の両方で最も優れたヘルメットモデル35 でした。2022年にはリデル・スピードフレックスの新バージョンと、ヴィシスの3つの新モデルが開発されました:ヴィシス・ゼロ2、ラインマン専用に設計されたVicis Zero 2 Trench、そしてクォーターバック向けに特別に設計されたヴィシス・ゼロ2 QBです。本研究は、これまでベスト35 を記録したヘルメットを評価し、特定のポジションに最適化する設計変更を含む後続の設計変更がパフォーマンスを大幅に向上させるかどうかを判断することを目的としていました。この研究の全体的な目的は、最新のヘルメットが前世代よりもトランスレーショナルおよび回転影響の両方で優れた性能を発揮するという仮説を検証することでした。

プロトコル

消耗品や使用機器は 材料表に記載されています。

1. データ収集の概要

ここでは、2つのメーカーから4種類の異なるヘルメットモデルが使用されました。これには2022年版のSpeedFlex(リデル、ローズモント、IL)でH1と表記されたものが含まれます。ゼロ2(ワシントン州シアトルのヴィシス)、H2で表記;ゼロ2トレンチ(Vicis、シアトル、ワシントン州)、H2Tと呼ばれ、オフェンシブおよびディフェンシブラインの選手向けに設計されました。そしてZero 2 Quarterback(Vicis、シアトル、ワシントン州)はH2Qと呼ばれ、クォーターバック向けに設計されましたが、H2とH2Qの違いは明確ではなかったことに注意が必要です。各ヘルメットモデルごとに3つの別々のヘルメットがテストされ、合計12個のヘルメットが作られました。

本研究は、Cummiskeyら34,44およびMcIverら35によって開発された基本手順に従って行われました。これらの前回の研究と一致し、50パーセンタイルのハイブリッドIII頭と首の組み立て試験装置を鋼製ベースプレートに固定し、裸の頭部形態および各モデルの3つのヘルメットに直接衝突する力と加速度を定量化しました。ここで定義される衝撃軽減は、ヘルメットの存在による加速度の低下を単に測ったものでした。

2. 詳細なデータ収集プロセス

DAQとLabViewコードを実行するコンピュータが適切に電源に接続されていることを確認した後、すべてのセンサーをDAQに接続しました。

3. ソフトウェア初期化

カスタムのLabViewプログラム「Hammer_Time_2017.vi」がダブルクリックでデータ収集を開始しました。その後、最終データファイルのパス、ファイルあたりのヒット数(通常5回)、場所ごとのファイル数(通常4回)、ヘッドギアプロファイルなど、適切なフィールドに基本データを入力します。データ入力後、 Runボタンを押すことでLabViewのコードが起動されました。

システム全体の予備評価として、モーダルインパルスハンマーを用いて前面、上部、側面を叩き、ハンマーと9基すべての加速度計が正常にデータを収集しているか確認しました。

4. インパクトデリバリー

各衝突の伝達時、Padgaonkarら45による3-2-2-2構成の9加速度計アレイを用いて重心での加速度(CoM)を測定しました。各垂直衝突および斜め衝突ごとに200ミリ秒の時系列が収集され、70ミリ秒のプリトリガーが行われ、130ミリ秒の加速度と衝撃力の測定が提供され、すべての信号は5120Hzで収集されました。

5. 影響の種類

14種類の衝撃 タイプ (図1)がすべてのテストケース(裸頭形態および各ヘルメットモデル)で評価され、7つの衝撃部位(フロント、フロントボス、サイド、リアボス、リア、トップ、SpeedFlexカットアウト)それぞれで2つの迎角(垂直角と斜め角)を表しました。通常衝撃は表面に対して垂直に、斜めの衝撃は約45度 の角度で行われました。これらの衝撃タイプは以下で表されます:(1) 前方ノーマル、(2) フロント斜め、(3) フロントボスノーマル、(4) フロントボス斜め、(5) サイドノーマル、(6) サイド斜め、(7) リアボスノーマル、(8) リアボス斜め、(9) リアノーマル、(10) リア斜め、(11) トップノーマル、(12) トップ斜め、そしてスピードフレックスカットアウトの位置では、(13) カットアウトノーマルおよび(14) カットアウト斜めの両方(図1)).位置ごとの衝撃軽減特性の議論を簡素化するため、2つの集約領域も定義されました。ヘルメットの 正面側面 は衝撃タイプ1、2、3、4、13、14を含み、ヘルメットの リアアスペクト はインパクトタイプ7、8、9、10で構成されていました。

衝撃はまず、モデリックチューニングされたインパルスハンマー(PCB Piezotronics, Inc.)を用いて裸頭形状に投与されました。Depew, NY)をCummiskeyらが記述したように、衝突時の加えられた力を記録する。

ヒットごとにモーダルインパルスハンマーの衝撃で200ミリ秒の捕捉ウィンドウが発動しました。記録エラーがないか目視的に確認した後、セーブボタンを押してデータをファイルに書き込みました。実験の激しいため、ほとんどの記録エラーは緩んだ配線、切れたハンマーケーブル、または断線によるものです。ファイルあたり5回、各位置に4件の命中で合計20回の衝撃が記録され、レベル1(2-4Ns)、2(5-7Ns)、3(8-10Ns)、4(11-13Ns)、5(>14Ns)、3回の繰り返しが記録されました。

裸頭型の基準セットが導入された後、各ヘルメットの3個がメーカー仕様に従って頭部型に順次装着されました。14種類の衝撃タイプすべてが3つのヘルメットそれぞれに配達されました(図2)。これらの手順により、各ヘルメットモデルごとに合計840のデータポイントが収集されました。各場所での最後の最大のハンマー打撃の収集には、高速カメラが使用され、959Hzのフレームレートで打撃を記録しました(図3)。

6. 後処理

本研究は、ハイブリッドIIIヘッドフォームに与えられる衝撃から生じる2つの重要な出力パラメータ、すなわち平行進加速度と回転加速度のピーク、それぞれpとfigure-protocol-1に焦点を当てています。比較の目的で、これらのパラメータはそれぞれ無次元、figure-protocol-2、figure-protocol-3に再構成され、Cummiskeyらによって記述されています。
figure-protocol-4(1)
figure-protocol-5(2)

ここで t* は基準時間(100ms)とインパルスハンマーで測定された衝撃持続時間の差、 wn はネックの幅です。頭部形態(裸またはヘルメット)に届くインパルスも無次元入力変数 figure-protocol-6に変換され、次のように表されます。

figure-protocol-7(3)

ここでmhは頭部形状の質量、F(t)は衝撃の時間の関数であり、衝突時間に積分されたものです。

加速トレースはカスタムMATLABプログラムで収集・処理されました。収集後、すべてのトレースはノイズを低減するために4次バターワースローパスフィルター(750Hzカットオフ周波数)を通過させました。その後、運動学的方程式を用いてCoM44,45での並進加速度および回転加速度を計算しました。これらの値は無次元量として出力され、34の頭部の応答を評価するために使われました。ピーク並進加速度(PTA)およびピーク回転加速度(PRA)は、記録された各衝突ごとにトレースデータとして出力されました。

7. 統計解析

本研究は、以前に開発されたデータ削減および統計分析パイプラインも34、35に追跡されました。簡単に言えば、 figure-protocol-8と figure-protocol-9の両方が無次元インパルスfigure-protocol-10とべき乗則関係によって関連していることが示されました。並進加速度の場合、このモデルは次の形をとります。

figure-protocol-11(4)

無次元回転加速度のモデル化にも同様の手法が用いられました。その後、グラブ法の修正版を用いて外れ値を削除し、最終的な曲線適合34を生成しました。ANCOVA検定でαレベル0.05を用いて、Tukeyの事後検定とHolm-Sidakのp値補正34,47を用いて各ヘルメットの回帰係数差を調べました。

このプロセスで生成された最終的な中間漸近曲線は、各ヘルメットの衝撃軽減策を決定するために利用されました。各曲線下の面積を、最小値と最大 figure-protocol-12値の間の距離を均等に100個の値を用いて計算すると、各位置でのヘルメットの有効性を判断できるようになりました(図4)。

figure-protocol-13(5)

このプロセスは回転加速度のピークでも繰り返されました。最大値が1(100%減衰を表す)の場合、衝撃減衰が高いほどヘルメットの性能は良くなります。緩和度の変化0.05が閾値として用いられ、物理的に意味のある効果量を表しました。この増加は最大軽減の5%に相当し、典型的なアスリートがシーズン全体で接触し、500〜1,000回の頭部衝撃曝露を積み重ねた場合、25〜50回の頭部衝撃の影響をほぼ除去できます。

結果

ここで試験された4つのヘルメットの質量は、H2Qの1.986kgからH2Tの2.243kg(表1)まで幅があり、これはこれまでに報告された中で最も大きなヘルメットです。

実験の過程で、モーダルインパルスハンマーによって生み出された最大力は5,307 Nでした。

並進加速度

前述の34,35で示されたように、裸の頭部形態にいかなるヘルメットを加えても、無次元加速度のピークが大幅に減少し、それに対応するピーク加速度と伝達されるインパルスを結びつける回帰係数も減少しました。本研究でテストされた4つのヘルメットのうち、平移影響軽減値は0.643から0.872の範囲でした(表2参照)。ベースモデルでは、H1は5つの影響タイプ(影響タイプ5〜8および10)で翻訳的影響軽減が少なくとも0.05減少し、いずれの衝突タイプでも少なくとも0.05の増加は見られませんでした。対照的に、H2は5つの影響タイプ(影響タイプ5〜8、10)で翻訳的影響軽減が少なくとも0.05増加し、その規模の減少は見られませんでした。

影響タイプ別では、H2Tは14種類の衝突場所/発生タイプのうち8つで最大緩和効果を達成しました(表2参照)。H2Qは2種類で最も性能を発揮しました:H2Tと同率のインパクトタイプ7とインパクトタイプ9です。興味深いことに、以前の研究で発表されたVicis Zero 1とRiddell SpeedFlex 18のヘルメットは、それぞれ2種類の衝撃タイプ(インパクトタイプ1と2)で最も優れた性能を示しました。H2はタイプ6の衝撃で最大の軽減効果を達成しましたが、H1はトップクラスの性能を上げませんでした。

回転加速度

回転加速度の衝撃緩和は、衝突タイプ14で0.444から0.882の範囲でした(表3)。ベースモデルでは、H1は5種類の衝撃タイプ(衝撃タイプ2、5、7、10、13)で回転衝撃軽減が少なくとも0.05減少し、衝撃タイプ12でのみ少なくとも0.05の増加を示しました。対照的に、H2は9種類の衝撃タイプ(3-6、8、9、12-14)で回転衝撃軽減が少なくとも0.05増加し、その規模の減少は衝突タイプ11のみで示されました。

H2は14種類の衝突タイプのうち7種で最大の軽減効果を達成しました(表3参照)。H2Qは2種類の衝撃タイプ(衝撃タイプ2と4)で最も優れた性能を示しました。H2Tは衝撃タイプ12で最も優れた性能を発揮しました。興味深いことに、以前にテストされた2つのモデルがそれぞれ2種類の衝撃タイプで最も優れた性能を示しました。Schutt Pro VTD IIは衝撃タイプ7と10で最高の衝撃軽減を示し、Vicis Zero 1は衝撃タイプ1と1135で最も優れた性能を示しました。

この研究は、このプロトコルに従ってテストされたフットボールヘルメットがタイプ9の衝撃軽減を50%以上示した初めてのケースです。H1、H2、H2Tの3つのヘルメットがこの基準を超え、H2は0.529という最良の応答を示しました (表3)。興味深いことに、このインパクトタイプではH2Qは0.473にしか達せず、ベースモデルの値よりもかなり低い値です。

フロントアスペクト(インパクトタイプ1-4、13、14)は、攻撃および防御ラインの選手にとって最も重要な領域であり、H2Tは並行加速の緩和において明らかに最優であり、6か所中4か所で最も高い緩和スコアを記録しました(表2)。対照的に、H2Tは前線側の回転加速度の緩和には効果が低く、関連する衝突タイプすべてにおいてVicis Zero 1、H2、またはH2Qに劣っていました(表3参照)。

クォーターバックや一部のレシーバーにとって主に重要なリアア スペクト (インパクトタイプ7-10)全体では、最も性能が良かったのはH2と以前にテストされたシュットプロVTD IIでした。

データの利用可能性:

ここで説明する計算に使用されるすべてのデータは、UC Figshare(DOI: 10.60696/uc.30661718)を通じて提供されます。

figure-results-1
図1:14種類の異なる衝撃が、モデリックチューニングされたインパルスハンマー を介して ハイブリッドIIIヘッドフォームに伝えられました。 正面(A)と後方(B)では、法線衝突は黒い矢印で示され、灰色の矢印は斜めの衝撃を表し、表面法線に対して約45度の角度で投げられた。インパクト部位とタイプは、(1)フロントノーマル、(2)フロント斜め、(3)フロントボスノーマル、(4)フロントボス斜め、(5)サイドノーマル、(6)サイド斜め、(7)リアボスノーマル、(8)リアボス斜め、(9)リアノーマル、(10)リア斜め、(11)トップノーマル、(12)トップ斜め、そしてスピードフレックスカットアウトの位置では(13)カットアウトノーマル、(14)カットアウト斜めの両方で示されました。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

figure-results-2
図2:一般的なフットボールヘルメットに照射された前方法線衝撃で、ピーク変形、対応する力(A)、並進加速度(B)、回転加速度(C)を示し、時間の関数として示されています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてください。

figure-results-3
図3:ここで研究する4つのヘルメットそれぞれに前線法線衝突時に観測されたピーク変形。 画像はH1ヘルメットシェルの相対的な剛性と、H2およびH2Qの製造に使われたシェルの相対的な適合性を示しています。同じ衝撃の大きさの場合、H2TはH2やH2Qよりもヘルメットシェルにかかる負荷が少なくなります。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

figure-results-4
図4:各ヘルメットタイプごとに、裸頭形状のピーク平行移動加速度(A)と対応する平行移動加速度(B)を用いて、平行移動衝撃緩和を測定しました。 ヘルメットの存在は、測定された加速度の両方を劇的に低下させました。衝撃軽減を計算するために、裸頭部形状とヘルメット頭部形状のピーク加速度を測定し、無次元インパルス figure-results-5および無次元平行進加速度 figure-results-6を算出しました。裸頭形状の曲線下面積を積分し、ヘルメットヘッド形状の対応する面積を差し引き、裸頭形状の面積で正規化すると、0から1の間の値が得られました。回転衝撃軽減も同様に計算されました。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

figure-results-7
図5:これまでにこの方法で試験されたすべてのヘルメットにおける、本書で研究した14種類の異なる衝撃タイプのうち2種の平行移動および回転衝撃軽減の要約。フロントノーマル(タイプ1)衝突(A)に対する並進加速度の緩和は、リデル・スピードフレックスの微妙な改善とヴィシスヘルメットのほとんど変化がないことを示しています。リアノーマル(タイプ9)衝突(B)に対する平行移動加速度の緩和はリデルで同様の変化が見られ、ヴィシスヘルメットでも微妙な改善が見られた。興味深いことに、両タイプのヘルメットは正面衝突時の回転加速度の緩和に関してはわずかに後退しました(C)。回転衝撃軽減の最も劇的な改善は後部衝突(D)で観察され、リデル・スピードフレックスとヴィシス・ゼロ2の両方がこれまでで最も高い数値を示しました。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

ヘルメットの種類質量(kg)シェル素材
H12.074ポリカーボネート
H22.015熱可塑性エラストマー
H2T2.243熱可塑性エラストマー
H2Q1.986熱可塑性エラストマー

表1:試験された各ヘルメットの質量および砲弾材料。

衝撃タイプスピードフレックスH1ヴィキスH2H2TH2Q
アスペクト18ゼロ1
1前頭0.7050.7060.8320.8210.820.799
2前頭0.7440.7330.8170.8030.8040.791
3前頭0.750.7510.7860.7980.8050.779
4前頭0.7410.7560.7590.7920.8040.78
50.8040.7030.7260.7810.7730.801
60.8080.7560.7130.8110.810.807
7後方0.7470.6430.6980.7480.7540.754
8後方0.7790.7030.6990.7580.7660.762
9後方0.7470.6990.7410.7770.7640.795
10後方0.7560.70.7150.7870.7880.775
110.7010.6970.8320.8040.8320.783
120.7530.7480.8230.8660.8720.848
13前頭0.7410.7190.8170.8340.8360.819
14前頭0.7670.770.8080.8460.8530.824

表2:衝突タイプごとの並進加速度の緩和。グレーの陰影は、本研究でテストされたヘルメットを示しています。太字の数字は、特定の衝撃タイプにおけるこれまでの最高の性能を示します。

衝撃タイプスピードフレックスH1ヴィキスH2H2TH2Q
アスペクト18ゼロ1
1前頭0.4790.4720.6980.6690.6690.653
2前頭0.550.4440.7270.7160.6960.738
3前頭0.6840.6760.7690.8420.8320.814
4前頭0.7280.7380.7730.8480.8430.853
50.8110.7580.7830.8630.840.846
60.8110.7750.8010.8710.8530.858
7後方0.730.5850.6980.7470.7360.666
8後方0.5780.6130.4790.6220.5940.595
9後方0.4830.520.3910.5290.5050.473
10後方0.7010.6210.6930.7060.6920.688
110.5640.570.7230.670.6980.642
120.6190.750.7690.8460.8530.762
13前頭0.530.4770.7550.8110.7890.795
14前頭0.6850.690.7780.8820.8780.855

表3:衝撃タイプごとの回転加速度の緩和。グレーの陰影は、本研究でテストされたヘルメットを示しています。太字の数字は、特定の衝撃タイプにおけるこれまでの最高の性能を示します。

ディスカッション

最新世代のヘルメットは平行加速度の64%〜87%、回転加速度の44%〜88%を軽減することがわかっていますが、現代のフットボールヘルメットの リアアスペクト は、特にタイプ9の衝撃において、全体的に衝撃軽減が不十分であることが依然として見られます。さらに、このテストプロトコルによると、新しいH1は一般的にSpeedFlex 18より優れた性能を示しませんでしたが、新しいVicisヘルメットは一般的に改善を示し、ヘルメット背面の回転衝撃軽減が初めて50%を超えました。

しかし重要なのは、ヘルメットの正面側面と背面側面の衝撃軽減スコアの継続的な不一致が、単一の指標で特定のヘルメットの品質を判断する必要がなくなることを認識すべきである 34,35,48,49,50.並進加速度の緩和には優れていたものの、回転加速度の緩和には弱いH2Tは、このような複雑な挙動プロファイルに対して単一の指標を使うことの落とし穴を明確に示しています。歴史的に見て、現代のフットボールヘルメットは並進加速度の緩和に成功してきましたが、回転加速度を考慮すると性能はかなり変動します(図5)。

また、ポジション特化型ヘルメットの設計目標は、現行のヘルメットでは達成されていないように見えることも注意が必要です。位置特異的なヘルメットについては、長年にわたりNOCSAEで唯一求められていた平行加速と、脳外傷の発症に最も関連があると考えられている回転加速度を区別することが重要です。36,37,38,39,40,41.ここで用いられている方法論の強みの一つは、平行進加速度と回転加速度を別々に特徴付け、正規化、無次元化することで、ヘルメット性能の全体的な評価や設計において両方を考慮できることです。もう一つの強みは、裸頭の衝撃を用いてデータセットを正規化することで、ハイブリッドIIIのネック構造の非対称性による首剛性の違いを効果的に排除し、各場所で0から1まで変化する単純な平行移動および回転緩和を提供できることです。この解析は、衝撃ハンマーを同時に統合してヘッドフォームに届く時間の関数としての力を測定し、加速度計アレイで加速度を測定するため実現可能です。

練習や試合中の頭部加速を、さまざまなレベルのプレーで特徴づけるために多くの努力がなされてきました。21、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62頭部衝突時に生じる力の大きさは現 地で解析されていません。フットボールで経験されるピーク接触力の推定のために、高校のフットボール選手と女子サッカー選手は頭部加速イベントの分布がほぼ同一であることが指摘されました。サッカー63 における頭部衝撃の実験室研究で、測定されたピーク衝撃力は約4,600Nでした。ヘルメットの追加質量を考慮すると、ピークフォースは約30%高くなると予想されます。この研究で発生したピーク接触力は5,307 Nで、予想範囲内の6,000 Nの範囲内です。

ラインマンは通常、前頭領域への衝撃が最も高い割合を経験します(1,12,59,64,65)。H2Tはフロントアスペクトの並進加速度を軽減するのに最も優れていましたが、回転加速度を考慮すると他のヘルメットに劣っていました。ヘルメット前面に追加された素材は質量を増やし、平行加速度を軽減するのに役立ったと考えられますが、殻の変形能力を妨げ、回転加速度を高めているようです。これは驚くべき設計戦略です。なぜなら、ヴィシスヘルメットの主なエネルギー放散機構がシェルの柔軟性であることがよく知られていますから。

対照的に、クォーターバックや多くのレシーバーは後頭部への激しい衝撃を受けることが多いです。H2Qは平行加速を考慮した4つの リアアスペクト 衝突タイプのうち2つで最良の性能を示しましたが、回転加速を考慮すると リアアスペクト インパクトタイプではいずれも効果がありませんでした。なぜH2QがベースH2に比べて リアアスペクト で性能が良くなかったのかは明らかではありません。ヘルメットの構造に明確な違いはありませんでしたが、製造元は一部の場所でパッド材に違いがあると指摘しています。今後の研究では、すべてのH2モデルをより詳細に検討し、シェル66 およびパディングの機械化学的解析、そして動的構造特性67、68、69、70、71、72、73を解析するための高解像度計算モデルの開発に重点を置くべきです.ここで収集されたデータは、理想的にはヘルメット66 を構成する様々な材料の機械的特性評価と組み合わせて有限要素解析の生成に用いられます。なぜなら、モデリュアルチューニングされたインパルスハンマーの使用により、結果として得られる加速度に伴う明確な力入力が得られるからです。理想的には、この分析は感度フレームワーク74、75、76、77の文脈で行われることが望ましい。

現在の方法は、人間が事前に定められた範囲内で一撃を加えるため、多少の変動があることが認められています。これを補うため、各緩和指標は定められたインパルス範囲に分散した60回の独立した打撃の結果として確保されました。したがって、フィールド上の衝撃は、その大きさ、位置、ヘルメット表面への傾斜角に関して本質的にランダム性をもって行われるため、このテストプロトコルの特徴と見なすことができます。もう一つの考慮点はハンマーフェイスの大きさです。ヘルメット同士の接触では、ハンマーフェイスがヘルメットよりも広い範囲で作用します。対照的に、ヘルメットとグラウンドの接触面積は芝生よりも小さくなります。今後の研究では、これらの影響の性質をより正確に検証すべきです。ヘルメット試験プロトコルのより一般的な弱点は、フィールドで実際に受ける衝撃力を定量化したデータが不足していることです。今後の研究では、この問題を実験的に解決する必要があります。これにより、ヘルメットの各部位ごとにどのインパルスで影響軽減を計算すべきかをさらに精度が絞り込まれるでしょう。

開示事項

著者らは本研究に関して利益相反がないことを証明しています。

謝辞

この作業の支援は、オハイオ州労働者災害補償局のプロジェクト#WSIC25-240315-028によって一部提供されました。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
加速度計ワイヤーPCB圧電トロニクスモデル030C106人必要。
大人用フットボールヘルメットサイズ ラージ以下に記載するヘルメットの種類NA外部の妥当性を維持するために各モデルを3つずつ使います。
データ取得モジュールナショナル・インストゥルメンツ9234
ハイブリッドIII 50パーセンタイルの男性頭部アセンブリヒューマネティクス78051-61X-H
ハイブリッドIII 50パーセンタイル男性のネックアセンブリヒューマネティクス78051-90-H
LabViewソフトウェアナショナル・インストゥルメンツNA
ノートパソコンデルXPS 16他のモデルも許容範囲です。
大きなスレッジの柔らかいゴム先端PCB圧電トロニクスモデル084A30. 
低ノイズハンマーケーブルPCB圧電トロニクスモデル003D20
モーデリックチューニングインパルスハンマーPCB圧電トロニクスモデル086D20
鋼板ミッドウエスト・スチール・アンド・アルミニウム12インチ×12インチ×15枚のプレートを穴開けてボルトで固定し、ネックの台座を形成しました。
三軸加速度計PCB圧電トロニクスモデル356A03
三軸加速度計ケーブルPCB圧電トロニクスモデル034G05
単軸加速度計PCB圧電トロニクスモデル352C22/NC6人必要。
リデル・スピードフレックス「H1」で表記される
ヴィシス・ゼロ2「H2」で表記される
ヴィシス・ゼロ2トレンチ「H2T」で表記される
ヴィシス ゼロ2 QB「H2Q」で表記される

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