연구 논문

현대 축구 헬멧의 충격 완화: 포지션별 디자인의 발전과 한계

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DOI:

10.3791/68278

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2026년 1월 13일

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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

이 논문에서

요약

현대 축구 헬멧은 헬멧의 뒷부분에서 성능이 떨어집니다. 여기서 설명하는 측정 과정은 다양한 크기의 충격으로 인한 이동 및 회전 가속도를 완화할 수 있는 스포츠 헬멧의 능력을 설명합니다. 에너지 방출 메커니즘을 견고하게 특성화하며 헬멧 설계 과정을 개선하는 데 활용할 수 있습니다.

초록

반복적인 두부 충격이 뇌 기능, 구조, 화학 변화의 축적을 초래한다는 것이 입증되었습니다. 헬멧은 미식축구 참가자들의 주요 보호 장비입니다. 최초의 헬멧은 가죽으로 제작되었습니다. 턱끈이 달린 플라스틱 헬멧은 1950년대에 개발되었으나, 시험 표준은 1973년에야 개발되었습니다. 이러한 표준은 패딩 소재를 개선하는 결과를 낳았지만, 이전 연구들은 현대 헬멧이 회전 가속도보다 특히 헬멧의 후방 측면에서 평행 가속도를 더 잘 완화한다는 것을 보여주었습니다. 이 연구의 목적은 포지션별 헬멧을 포함한 다양한 에너지 소모 메커니즘을 가진 축구 헬멧의 충격 완화 방법을 상세히 설명하는 것이었습니다. 이 실험들은 차원 분석 프레임워크 내에 통합되어, 헬멧 주변 여러 위치에서 정량화된 충격 하중으로 인한 병진 및 회전 가속도를 동시에 평가할 수 있는 기법을 개발했습니다. 여기서 테스트된 헬멧 중 하나의 전반적인 충격 완화 기능이 개선되었음에도 불구하고, 전반적으로 설계 목표를 달성하지 못했습니다.

서론

미국에서는 매년 160만에서 380만 건의 스포츠 관련 외상성 뇌손상(TBI)이 발생한다는 것이 확인되었으며, 이 중 1,2,3,4건은 주로 미식축구, 아이스하키, 축구, 라크로스, 럭비, 레슬링과 같은 접촉 스포츠로 인해 발생합니다. 미식축구는 꾸준히 가장 높은 진단 뇌진탕 비율을 보여주지만, 뇌진탕 증상 5,6,7,8,9 등이 과소보고되어 이 비율이 크게 과소평가되고 있다는 점을 주목해야 합니다. 진단된 뇌진탕 유무와 상관없이, 반복적인 두개 가속 사건(rHAEs)은 뇌 구조 10, 기능 및 화학 11,13,14,15,16,17,18,19,20,21에 현저한 변화를 초래할 수 있음이 입증되었습니다 . 이러한 rHAE는 선수 간의 직접적인 충격, 선수와 땅 간의 충돌, 또는 다리나 몸통에 가해지는 충격으로 인한 채찍질 현상의 결과일 수 있습니다. 후속 연구들은 rHAEs가 인지 장애, 우울증, 불안에 미치는 영향을 보여주었다22. 심지어 수년간 rHAEs에 노출되면 알츠하이머병(AD)과 만성 외상성 뇌병증(CTE)과 같은 장기 신경퇴행성 질환의 위험이 축구와 미식축구 선수 모두에게 증가할 수 있다는 제안도 있습니다24,25,26. 미식축구와 같은 접촉 스포츠 참가자들을 rHAE의 해로운 영향으로부터 보호하기 위해서는 헬멧부터 시작해 머리 충격의 물리학을 이해하는 것이 매우 중요합니다. 헬멧은 주요 보호 장비 역할을 합니다.

최초의 미식축구 헬멧은 가죽으로 만들어졌으며, 1939년부터27년에 대학 미식축구에서 필수 장비가 되었습니다. 턱끈과 마스크는 1950년대까지 사용되었으나, 1973년에야 국가운동장비 기준 운영 위원회(NOCSAE)가 시험 표준을 개발했습니다. 이 드롭타워 기반 표준은 새로운 쿠셔닝 재료와 새로운 충격 완화 시스템28 등 수많은 개선을 이끌었습니다. 이 방법론이 중요한 기준선을 제공했지만, Breedlove 등은 마스크를 포함하지 않으면 헬멧 뒤쪽의 최대 가속도가 과소 예측된다는 점을 처음으로 지적했다29. 이러한 시험 과정의 한계를 완화하기 위해, 연구진은 원래 자동차 충돌 시험용으로 개발된 하이브리드 III 헤드 폼을 사용해 접촉 스포츠 30,31,32,33 보호 장비를 평가하기 시작했습니다. 최근 연구에 따르면 현대 헬멧은 헬멧 앞부분에 주어진 충격에서 발생하는 평행 이동 가속도의 최대 83%, 측면으로는 80%, 뒤쪽으로는 75%를 완화합니다. 회전 가속도의 완화는 조직 손상과 주요 상관관계로 여겨지지만, 36,37,38,39,40,41,42,43과 상관관계가 있는 것으로 여겨지지만, 이 완화 정도는 상당히 더 다양하다. 현대 헬멧은 헬멧 앞부분에 주어진 타격에서 발생하는 회전 가속도의 최대 70%, 측면에 82%를 완화하지만, 헬멧 뒤쪽으로는 48%만 완화합니다.

이전 결과를 기준으로, 리델 스피드플렉스(Riddell; 로즈몬트, IL)와 Vicis Zero 1(시애틀, 워싱턴)은 평진가속도와 회전 가속도 모두에서 가장 우수한 성능을 보인 헬멧 모델35 였습니다. 2022년에는 리델 스피드플렉스의 새로운 버전과 함께 세 가지 새로운 비시스 모델이 개발되었습니다: 비시스 제로 2; 라인맨을 위해 특별히 설계된 Vicis Zero 2 Trench; 그리고 쿼터백을 위해 특별히 설계된 비시스 제로 2 쿼터백이 있습니다. 이번 연구는 이전에 최고35 개를 기록한 헬멧을 평가하고, 특정 위치에 최적화된 헬멧 설계를 포함한 후속 설계 수정이 성능을 크게 향상시켰는지 여부를 판단하기 위한 것이었습니다. 이 연구의 전반적인 목표는 최신 헬멧이 이전 세대보다 전행 및 회전 충격 모두에서 더 나은 성능을 낼 것이라는 가설을 검증하는 것이었습니다.

프로토콜

소모품과 사용된 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.

1. 데이터 수집 개요

이 과정에서 두 제조사의 네 가지 헬멧 모델이 사용되었습니다. 여기에는 2022년판 SpeedFlex(Riddell, Rosemont, IL)가 포함되며, H1로 표기됨; 제로 2(시애틀, 워싱턴주 비시스)는 H2로 표기; 제로 2 트렌치(비시스, 시애틀, 워싱턴주), H2T로 불리며, 공격 및 수비 라인 선수를 위해 설계되었습니다; 그리고 제로 2 쿼터백(시애틀, 워싱턴주 비시스)은 쿼터백용으로 H2Q로 표기되었으나, H2와 H2Q의 차이는 명확하지 않았다는 점도 유의해야 합니다. 각 헬멧 모델마다 세 개의 별도 헬멧이 시험되어 총 12개의 헬멧이 제작되었습니다.

본 연구는 Cummiskey 등(34,44)과 McIver 등(35)이 개발한 기본 절차를 따랐다. 이전 연구들과 일치하여, 50백분위수 하이브리드 III 머리 및 목 조립 테스트 장비를 강철 베이스플레이트에 고정하여 맨 머리 형태와 각 모델의 세 가지 헬멧에 직접 충격을 가하는 힘과 가속도를 정량화했습니다. 여기서 정의된 충격 완화는 헬멧 존재로 인한 가속도 감소를 단순히 측정한 것이었습니다.

2. 상세한 데이터 수집 과정

DAQ와 LabView 코드를 실행하는 컴퓨터가 제대로 전원에 연결되어 있는지 확인한 후, 모든 센서를 DAQ에 연결했습니다.

3. 소프트웨어 초기화

"Hammer_Time_2017.vi"라는 이름의 맞춤형 LabView 프로그램이 더블 클릭으로 데이터 수집 시작을 시작했습니다. 기본 데이터를 적절한 필드에 입력했는데, 여기에는 최종 데이터 파일의 경로, 파일당 히트 횟수(보통 5개), 위치별 파일 수(보통 4개), 그리고 헤드기어 프로필이 포함됩니다. 데이터가 입력되면 Run을 눌러 LabView 코드가 실행되었습니다.

전체 시스템의 예비 평가로, 모달 임펄스 해머를 사용해 앞면, 상단, 측면을 타격하여 해머와 9개의 가속도계가 모두 데이터를 성공적으로 수집하고 있는지 확인했습니다.

4. 충격 전달

각 충돌 시 중심 질량(CoM)에서의 가속도는 Padgaonkar 등에 정의된 3-2-2-2 구조의 9가속도계 배열을 사용해 측정되었다. 각 정상 및 경사 충돌마다 200ms 시간 시계열이 수집되었으며, 70ms 프리 트리거가 사용되어 130ms의 가속도와 충격력 측정이 제공되었으며, 모든 신호는 5120 Hz에서 수집되었습니다.

5. 영향 유형

14가지 충격 유형 (그림 1)이 모든 테스트 케이스(맨머리 형태와 각 헬멧 모델)에 대해 평가되었으며, 이는 7개 충격 위치(앞, 앞 보스, 측면, 뒷 보스, 뒤, 상단, 스피드플렉스 컷아웃)에서 각각 두 가지 입사각(수선각과 비스듬각)을 나타냅니다. 정상 충격은 수면에 수직으로 가해졌고, 비스듬한 충격은 정상 방향에 약 45도 각도로 가해졌습니다. 이 충격 유형들은 (1) 전면 노멀, (2) 프론트-비스컬, (3) 프론트 보스-노멀, (4) 프론트 보스-비스컬, (5) 사이드 노멀, (6) 사이드 비스듬, (7) 후면 보스-노멀, (8) 리어 보스-비스듬, (9) 후방 노멀, (10) 리어 비스듬크, (11) 탑-노멀, (12) 탑-오블릭, 그리고 스피드플렉스 컷아웃 위치에서는 (13) 컷아웃 노멀과 (14) 컷아웃 비스듬크(그림 1)). 위치별 충격 완화 특성 논의를 단순화하기 위해 두 개의 통합 영역도 정의되었습니다: 헬멧의 전면 측면 은 충격 유형 1, 2, 3, 4, 13, 14를 포함했고; 헬멧의 후면 측면 은 7, 8, 9, 10 충격 타입으로 구성되어 있습니다.

충격은 처음에 모드 조율 임펄스 해머(PCB Piezotronics, Inc.)를 사용하여 맨 머리 형태에 가해졌습니다. Depew, NY)는 Cummiskey 등이 34,44번 설명한 대로 충돌 시 가해진 힘을 기록하기 위해 사용되었습니다.

각 타격마다 모달 임펄스 해머의 충격이 200ms 획득 창을 작동시켰습니다. 데이터가 녹화 오류가 없는지 육안으로 점검한 후, 저장 버튼을 눌러 데이터를 파일에 기록했습니다. 실험의 격렬함 때문에 대부분의 기록 오류는 느슨한 전선, 끊어진 해머 케이블, 또는 끊어진 가속도계 전선에서 발생합니다. 파일당 5개, 위치당 4개 파일에 대해 각 위치에서 1층(2-4Ns), 2단계(5-7Ns), 3단계(8-10Ns), 4단계(11-13Ns), 5단계(> 14Ns)에서 총 20회의 충돌이 기록되었으며, 3번의 반복이 있었습니다.

베어 헤드 폼 기준 세트를 도입한 후, 제조사 사양에 따라 각 헬멧 3개가 헤드 폼에 순차적으로 장착되었습니다. 14가지 충격 타입 모두 세 헬멧 각각에 장착되었습니다(그림 2). 이 절차들을 통해 각 헬멧 모델마다 총 840개의 데이터 포인트가 수집되었습니다. 각 위치에서 마지막이자 가장 큰 해머 타격을 수집할 때는 고속 카메라를 사용해 959Hz 프레임레이트로 타격을 기록했다는 점에 유의하세요(그림 3).

6. 후처리

이 연구는 하이브리드 III 헤드 형태에 가해진 충격에서 발생하는 두 가지 중요한 출력 매개변수, 즉 각각 최고 평진 및 회전 가속도인 p와figure-protocol-1 에 초점을 맞추고 있습니다. 비교를 위해 이 매개변수들은 각각 무차원 형태로 재구성되었으며, figure-protocol-2figure-protocol-3Cummiskey 등은 34번 설명했다.
figure-protocol-4(1)
figure-protocol-5(2)

여기서 t* 는 기준 시간(100ms)과 임펄스 해머로 측정한 충격 지속 시간의 차이이고, wn 은 목의 너비입니다. 머리 형태(맨몸 또는 헬멧 상태)에 전달되는 임펄스도 무차원 입력 변수로 변환되었으며, figure-protocol-6다음과 같이 주어집니다.

figure-protocol-7(3)

여기서 mh 는 헤드 폼의 질량이고, F(t)는 충격 시간에 따른 영향력으로, 충돌 지속 시간에 걸쳐 적분된 값입니다.

가속 트레이스는 맞춤형 MATLAB 프로그램을 사용해 수집 및 처리되었습니다. 수집 후 모든 트레이스는 잡음을 줄이기 위해 4차 버터워스 저역 통과 필터(750Hz 컷오프 주파수)를 통과시켰습니다. 운동학 방정식을 사용해 CoM44,45에서 결과 평진 및 회전 가속도를 계산했습니다. 이 값들은34번 머리의 반응을 평가하기 위해 무차원 양으로 출력되었습니다. 최대 병진 가속도(PTA)와 최고 회전 가속도(PRA)는 각 기록된 충돌에 대해 추적 데이터로 출력되었습니다.

7. 통계 분석

본 연구는 이전에 개발된 데이터 축소 및 통계 분석 파이프라인을34,35에 따라 진행되었습니다. 간단히 말해, 와 figure-protocol-8는 모두 figure-protocol-9무차원 임펄스와 figure-protocol-10멱법칙 관계로 관련되어 있음이 밝혀졌다. 병진 가속도에 대해 이 모델은 다음과 같은 형태를 가집니다.

figure-protocol-11(4)

비슷한 접근법이 무차원 회전 가속도를 모델링하는 데 사용되었다. 그 후 수정된 그럽 방법을 사용해 이상치를 제거했고, 최종 곡선 적합34가 생성되었다. 각 헬멧의 회귀 계수 차이를 조사하기 위해 α 수준 0.05의 ANCOVA 검정을 사용했으며, Tukey 사후 검정과 Holm-Sidak p값보정 34,47을 사용하였습니다.

이 과정에서 생성된 최종 중간 점근 곡선은 각 헬멧의 충격 완화를 결정하는 데 활용되었습니다. 각 곡선 아래 면적을 최소 값과 최대 figure-protocol-12값 사이의 거리를 100개의 균등하게 배치한 값을 사용해 계산하면, 각 위치에서 헬멧의 효과를 확인할 수 있었습니다(그림 4).

figure-protocol-13(5)

이 과정은 회전 가속도의 최대 부분에서도 반복되었습니다. 최대 값이 1(100% 감쇠)일 때, 충격 감쇠가 클수록 헬멧의 성능이 향상되었습니다. 완화 효과 0.05 변화가 임계값으로 사용되었으며, 이는 물리적으로 의미 있는 효과 크기를 나타냅니다. 이러한 증가는 최대 가능한 완화 범위의 5%에 해당하며, 전형적인 선수가 한 시즌 동안 접촉 경기를 치르고 500-1,000회의 머리 충격 노출을 누적할 경우 25-50번의 머리 충격 영향을 대략 없앨 수있습니다.

결과

여기서 테스트된 네 개의 헬멧 무게는 H2Q의 1.986kg에서 H2T의 2.243kg(표 1)까지 다양하며, 이는 지금까지 보고된 헬멧 중 가장 무거운 헬멧입니다.

실험 기간 동안 모달 임펄스 해머가 생성한 최대 힘은 5,307 N이었다.

병진 가속

앞서34,35에서 보여준 것처럼, 어떤 헬멧이든 맨머리 형태에 추가하면 최대 무차원 가속도가 크게 감소하고, 그에 따라 최대 가속도와 전달되는 충격을 연관시키는 회귀 계수가 감소했습니다. 이 연구를 위해 테스트된 네 개의 헬멧 중 번역 영향 완화는 0.643에서 0.872 사이였습니다(표 2). 기본 모델에서 H1은 다섯 가지 영향 유형(영향 유형 5-8, 10)에서 번역 영향 완화가 최소 0.05 감소했으며, 어떤 영향 유형에서도 최소 0.05 이상의 증가를 보이지 않았습니다. 반면, H2는 다섯 가지 영향 유형(영향 유형 5-8, 10)에서 최소 0.05 이상의 번역 영향 완화 증가를 보였으며, 그 정도의 감소는 없었습니다.

영향 유형별 기준으로, H2T는 14가지 충돌 위치/발생 유형 중 8가지에서 최대 완화 효과를 달성했습니다(표 2). H2Q는 두 가지 유형에서 가장 우수한 성능을 보였다: H2T와 동률인 충격 타입 7과 타입 9. 흥미롭게도, 이전 연구에서 사용된 두 헬멧인 Vicis Zero 1과 Riddell SpeedFlex 18은 각각 두 가지 충격 유형(충격 유형 1과 2)에서 가장 좋은 성능을 보였습니다. H2는 6형 충격에 대한 최대 완화 효과를 달성한 반면, H1은 최고 성능을 기록하지 못했습니다.

회전 가속도

회전 가속도에 대한 충격 완화는 충돌 유형 14에 대해 0.444에서 0.882 사이였습니다(표 3). 기본 모델에서 H1은 다섯 가지 충격 유형(충격 유형 2, 5, 7, 10, 13)에서 회전 충격 완화가 최소 0.05 감소했으며, 충격 유형 12에서만 최소 0.05 증가를 보였습니다. 반면, H2는 9가지 충격 유형(3-6, 8, 9, 12-14)에서 회전 충격 완화가 최소 0.05 이상 증가했으며, 그 정도 감소는 충격 유형 11에만 해당되었습니다.

H2는 14가지 충돌 유형 중 7가지에 대해 최대 완화 효과를 달성했습니다(표 3). H2Q는 두 가지 충격 유형(충격 유형 2, 4)에서 가장 좋은 성능을 보였습니다. H2T는 12번 충격 타입에서 가장 좋은 성능을 보였습니다. 흥미롭게도, 이전에 테스트된 두 모델은 각각 두 가지 충격 유형에서 가장 좋은 성능을 보였는데, Schutt Pro VTD II는 충격 유형 7과 10에서 가장 높은 충격 완화를 보였고, Vicis Zero 1은 충격 유형 1과 1135에서 가장 좋은 성능을 보였습니다.

이 연구는 이 프로토콜에 따라 테스트된 어떤 축구 헬멧에서도 충격 9형에서 50% 이상의 충격 완화를 보여준 최초의 사례입니다. H1, H2, H2T 세 가지 헬멧이 모두 이 기준을 넘어섰으며, H2는 0.529로 가장 좋은 반응을 보였습니다 (표 3). 흥미롭게도, H2Q는 이 임팩트 타입에서 0.473에 불과했는데, 이는 기본 모델보다 상당히 낮은 수치입니다.

공격 및 수비 라인 선수들에게 가장 중요한 전면 측면(영향 유형 1-4, 13, 14)에서 H2T는 평행 가속 완화에 있어 가장 우수했으며, 6개 위치 중 4곳에서 가장 높은 완화 점수를 기록했습니다(표 2). 반면, H2T는 전선 측면에서의 회전 가속도 완화에 덜 효과적이었으며, 모든 관련 충돌 유형(표 3)에서 Vicis Zero 1, H2, 또는 H2Q에 비해 성능이 뛰어났습니다(표 3).

쿼터백과 일부 리시버에게 주로 수입되는 후 면 타입 (임팩트 타입 7-10)에서는 가장 성능이 좋은 헬멧은 H2와 이전에 테스트된 Schutt Pro VTD II였습니다.

데이터 가용성:

여기에 설명된 계산에 사용되는 모든 데이터는 UC Figshare(DOI: 10.60696/uc.30661718)를 통해 제공됩니다.

figure-results-1
그림 1: 모드 조율된 임펄스 해머 를 통해 하이브리드 III 헤드 형태에 14가지 다른 유형의 충격이 전달되었습니다. 전면(A)과 후방(B)에서는 수직선 충돌이 검은 화살표로 표시되고, 회색 화살표는 수면 수평선에 대해 약 45도 각도로 전달된 사선 충격을 나타냅니다. 충돌 위치와 유형은 (1) 전면 노멀, (2) 프론트-비스컬, (3) 프론트 보스-노멀, (4) 프론트 보스-비스컬, (5) 사이드 노멀, (6) 사이드 비스컬, (7) 리어 보스-노멀, (8) 리어 보스-비스컬, (9) 리어-노멀, (10) 리어-비스듬, (11) 탑-노멀, (12) 탑-비스듬, 그리고 스피드플렉스 컷아웃 위치에서는 (13) 컷아웃 노멀과 (14) 컷아웃 비스듬크로 표시되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

figure-results-2
그림 2: 일반적인 축구 헬멧에 가해진 전방-수직 충격으로, 최대 변형, 해당 힘(A), 병진 가속도(B), 회전 가속도(C)를 시간에 따라 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

figure-results-3
그림 3: 여기서 연구한 네 개의 헬멧 각각에 전면 수선(Front-Normal) 충격 시 관찰된 최대 변형. 이 이미지들은 H1 헬멧 쉘의 상대적 강성과 H2 및 H2Q 제작에 사용된 쉘의 상대적 적합성을 보여줍니다. 같은 충격 크기에서 H2T는 H2나 H2Q보다 헬멧 껍질에 적게 작용합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

figure-results-4
그림 4: 각 헬멧 유형별로 맨머리 형태의 최고 이동 이동 가속도(A)와 헬멧 착용 머리 형태에 해당하는 이동 가속도(B)를 사용하여 평행 충격 완화를 측정했습니다. 헬멧의 존재는 두 측정된 가속도 모두를 극적으로 감소시켰습니다. 충격 완화를 계산하기 위해 맨머리 및 헬멧 머리 형태의 최대 가속도를 측정하여 무차원 임펄 figure-results-5스 , 무차원 평진 가속도 figure-results-6를 계산하는 데 사용되었습니다. 맨머리 형태의 곡선 아래 면적을 적분하고, 헬멧 머리 형태의 해당 면적을 빼고, 맨머리 형태 아래 면적으로 정규화하면 0에서 1 사이의 값이 나왔다. 회전 충격 완화도 유사하게 계산되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

figure-results-7
그림 5: 이 방법으로 시험된 모든 헬멧에서 연구된 14가지 충돌 유형 중 두 가지에 대한 평행 및 회전 충격 완화 요약. 전면 노멀(타입 1) 충돌에 대한 평진 가속도 완화(A)는 리델 스피드플렉스의 미묘한 개선과 비시스 헬멧의 변화가 거의 없음을 보여줍니다. 리어 노멀(Type 9) 충돌에 대한 평행 가속도 완화(B)는 리델에서 유사한 변화를 보였고, 비시스 헬멧에서도 미묘한 개선이 있었습니다. 흥미롭게도, 두 헬멧 모두 전면 충격에 대한 회전 가속도 완화 면에서 약간 후퇴했습니다(C). 회전 충격 완화에서 가장 극적인 개선은 후방 충돌(D)에서 관찰되었으며, 리델 스피드플렉스와 비시스 제로 2가 지금까지 가장 높은 수치를 보였습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

헬멧 종류질량 (kg)포탄 재료
H12.074폴리카보네이트
H22.015열가소성 엘라스토머
H2T2.243열가소성 엘라스토머
H2Q1.986열가소성 엘라스토머

표 1: 각 헬멧의 질량 및 쉘 재료.

충격 유형스피드플렉스H1빅시스H2H2TH2Q
측면18제로 1
1전두면0.7050.7060.8320.8210.820.799
2전두면0.7440.7330.8170.8030.8040.791
3전두면0.750.7510.7860.7980.8050.779
4전두면0.7410.7560.7590.7920.8040.78
50.8040.7030.7260.7810.7730.801
60.8080.7560.7130.8110.810.807
7후면0.7470.6430.6980.7480.7540.754
8후면0.7790.7030.6990.7580.7660.762
9후면0.7470.6990.7410.7770.7640.795
10후면0.7560.70.7150.7870.7880.775
110.7010.6970.8320.8040.8320.783
120.7530.7480.8230.8660.8720.848
13전두면0.7410.7190.8170.8340.8360.819
14전두면0.7670.770.8080.8460.8530.824

표 2: 충돌 유형별 이동 가속도 완화. 회색 음영은 이번 연구의 일부로 테스트된 헬멧을 나타냅니다. 굵은 숫자는 특정 충격 유형에 대한 지금까지 최고의 성능을 나타냅니다.

충격 유형스피드플렉스H1빅시스H2H2TH2Q
측면18제로 1
1전두면0.4790.4720.6980.6690.6690.653
2전두면0.550.4440.7270.7160.6960.738
3전두면0.6840.6760.7690.8420.8320.814
4전두면0.7280.7380.7730.8480.8430.853
50.8110.7580.7830.8630.840.846
60.8110.7750.8010.8710.8530.858
7후면0.730.5850.6980.7470.7360.666
8후면0.5780.6130.4790.6220.5940.595
9후면0.4830.520.3910.5290.5050.473
10후면0.7010.6210.6930.7060.6920.688
110.5640.570.7230.670.6980.642
120.6190.750.7690.8460.8530.762
13전두면0.530.4770.7550.8110.7890.795
14전두면0.6850.690.7780.8820.8780.855

표 3: 충격 유형별 회전 가속도 완화. 회색 음영은 이번 연구의 일부로 테스트된 헬멧을 나타냅니다. 굵은 숫자는 특정 충격 유형에 대한 지금까지 최고의 성능을 나타냅니다.

토론

최신 세대 헬멧은 평행 이동 가속도의 64%-87%, 회전 가속도의 44%-88%를 완화하는 것으로 나타났지만, 현대 축구 헬멧의 리어 아스펙 트는 특히 타입 9 충격에서 전반적으로 충격 완화가 부실한 모습을 보입니다. 또한, 이 테스트 프로토콜에 따르면 최신 H1이 일반적으로 SpeedFlex 18보다 더 나은 성능을 보이지는 않았지만, 최신 Vicis 헬멧은 헬멧 뒤쪽의 회전 충격 완화가 처음으로 50%를 초과하는 등 전반적인 향상을 보였습니다.

그러나 중요한 점은, 헬멧의 전면 측면과 후면 측면 간의 충격 완화 점수 차이가 지속되어 있다는 점이 특정 헬멧의 품질을 단일 지표로 판단하는 것을 필요 없게 한다는 점입니다.34, 35, 48, 49, 50. H2T는 병진 가속 완화에는 잘 성공했지만 회전 가속도 완화에는 부진했는데, 이는 복잡한 행동 프로필에 단일 지표를 사용하는 것의 함정을 명확히 보여줍니다. 역사적으로 현대 축구 헬멧은 평행 가속도를 완화하는 데 성공했지만, 회전 가속도를 고려할 때 성능은 훨씬 더 변동적이었습니다34,35(그림 5).

또한 위치별 헬멧의 설계 목표는 현재 헬멧 버전에서는 충족되지 않는 것으로 보인다는 점도 주목할 필요가 있습니다. 위치별 헬멧의 경우, 수년간 NOCSAE에서 요구하는 유일한 시험 모드였던 병행 가속도와 뇌 외상 발생과 가장 관련이 깊다고 여겨지는 회전 가속도를 구분하는 것이 중요합니다. 36,37,38,39,40,41. 여기서 사용된 방법론의 강점 중 하나는 병진 가속도와 회전 가속도를 별도로 특성화, 정규화, 무차원화하여 헬멧 성능 평가와 설계 시 두 가지를 모두 고려할 수 있다는 점입니다. 또 다른 강점은 맨머리 충격을 이용해 데이터 세트를 정규화하여, 하이브리드 III 목 구조의 비대칭으로 인해 관찰될 수 있는 목 강성 차이를 효과적으로 제거하고, 각 위치에서 0에서 1까지 다양한 간단한 이동 및 회전 완화를 제공한다는 점입니다. 이 분석은 임펄스 해머를 동시적으로 통합하여 헤드 폼에 전달된 시간에 따른 힘을 측정하고, 가속도계 배열을 통해 가속도를 측정하기 때문에 가능하다.

연습과 경기 중 머리 가속을 다양한 수준에서 특성화하기 위한 상당한 노력이 있었지만, 21,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62, 머리 충돌 시 발생하는 힘의 크기는 현장에서 특성화되지 않았습니다. 미식축구에서 경험하는 최대 접촉 힘의 추정치를 제공하기 위해, 고등학교 미식축구 선수와 여자 축구 선수들이 머리 가속 현상의 분포가 거의 동일하다는 점이 주목되었다. 63년 사커에서 측정된 머리 충격 연구에서 측정된 최대 충격력은 약 4,600 N였습니다. 헬멧의 추가 질량을 고려하면 최대 충격은 약 30% 더 높을 것으로 예상됩니다. 이 연구 중 생성된 최대 접촉력은 5,307 N로, 예상 범위인 6,000 N 내에 속합니다.

라인맨은 일반적으로 전두엽 영역1, 12, 59, 64, 65에 가장 높은 영향을 경험합니다. H2T는 전면 측면 병진 가속도를 완화하는 데 가장 우수했지만, 회전 가속도를 고려할 때는 다른 헬멧에 비해 성능이 뛰어났습니다. 헬멧 앞부분에 추가된 추가 재료는 무게를 증가시켜 평행 이동 가속도를 완화하는 데 도움이 되었으나, 껍데기의 변형 능력을 방해하여 회전 가속도를 높여 보였다. 이는 비시스 헬멧의 주요 에너지 방출 메커니즘이 셸의 유연성이라는 점이 잘 알려져 있기 때문에 놀라운 설계 전략이다.

반면, 쿼터백과 많은 리시버들은 종종 뒤통수에 심각한 충격을 경험합니다. H2Q는 평행 이동 가속을 고려했을 때 네 가지 후방 측면 충격 유형 중 두 가지에서 가장 좋은 성능을 보였으나, 회전 가속도를 고려했을 때 후방 측면 충격 유형에서는 전혀 영향을 받지 못했습니다. 왜 H2Q가 기본 H2에 비해 후면 측면에서 성능이 좋지 않았는지는 명확하지 않습니다. 헬멧 구조에는 뚜렷한 차이가 없었으나, 제조사는 일부 구체적으로 구체적으로 설명되지 않은 부분에서 패딩 재질의 차이가 있다고 언급했습니다. 향후 연구에서는 셸66과 패딩의 기계-화학 분석, 동적 구조특성 67,68,69,70,71,72,73을 분석하는 고해상도 계산 모델 개발에 중점을 두어 모든 H2 모델을 더 자세히 검토해야 합니다. 여기서 수집된 데이터는 헬멧66을 구성하는 다양한 재료의 기계적 특성화와 결합되어 유한 요소 분석 생성에 이상적입니다. 모드 조정된 임펄스 해머의 사용은 가속에 동반하는 명확한 힘 입력을 제공하기 때문입니다. 이상적으로는 이 분석이 민감도프레임워크 74, 75, 76, 77 내에서 수행되어야 합니다.

현재 방법은 인간이 미리 정해진 범위 내에서 타격을 가하기 때문에 다소 변동성이 있다고 인정받고 있습니다. 이를 보완하기 위해 각 완화 지표는 정해진 임펄스 범위에 분산된 60개의 독립적인 타격의 결과로 이루어지도록 했다. 따라서 필드 내 충격은 크기, 위치, 헬멧 표면과의 기울기각에 대해 본질적으로 무작위성을 가지고 측정되기 때문에 테스트 프로토콜의 특징으로 볼 수 있습니다. 또 다른 고려사항은 해머 페이스의 크기입니다. 헬멧과 헬멧 간의 접촉에서는 해머 페이스가 헬멧보다 더 넓은 면적을 가집니다. 반면, 헬멧과 땅이 닿는 경우에는 잔디보다 접촉 면적이 더 작습니다. 향후 연구에서는 이러한 영향의 본질을 보다 정확히 조사해야 합니다. 헬멧 테스트 프로토콜의 더 일반적인 약점은 현장에서 실제로 겪는 충격력을 정량화하는 데이터가 부족하다는 점입니다. 향후 연구에서는 이 문제를 실험적으로 다루어야 하며, 이는 헬멧의 각 위치에 대해 충격 완화 값을 계산해야 할 임펄스 범위를 정밀하게 정확히 할 수 있기 때문입니다.

공개 사항

저자들은 이 연구와 이해 상충이 없음을 증명합니다.

감사의 글

이 작업은 오하이오 산재 보상국 프로젝트 #WSIC25-240315-028에서 부분적으로 지원받았습니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
가속도계 와이어PCB 압전성모델 030C10여섯 명이 필요해.
성인용 축구 헬멧 크기 라지아래에 나열된 헬멧 종류NA외부 타당성을 유지하기 위해 각 모델별로 세 개씩 사용되었습니다.
데이터 수집 모듈내셔널 인스트루멘츠9234
하이브리드 III 50백분위수 남성 머리 조립인문78051-61X-H
하이브리드 III 50백분위수 남성 목 조립체인문78051-90-H
LabView 소프트웨어내셔널 인스트루멘츠NA
노트북델XPS 16다른 모델들도 괜찮아요.
큰 썰매 부드러운 고무 팁PCB 압전성모델 084A30. 
저소음 해머 케이블PCB 압전성모델 003D20
모달리 조율 임펄스 해머PCB 압전성모델 086D20
강철판미드웨스트 스틸 앤 알루미늄12"x12"x1"목 받침대를 만들기 위해 다섯 개의 판을 뚫고 볼트로 고정했습니다.
삼축 가속도계PCB 압전성모델 356A03
삼축 가속도계 케이블PCB 압전성모델 034G05
단축 가속도계PCB 압전성모델 352C22/NC여섯 명이 필요해.
리델 스피드플렉스"H1"으로 표기됨
비시스 제로 2"H2"로 표기됨
비시스 제로 2 참호"H2T"로 표기됨
비시스 제로 2 쿼터백"H2Q"로 표기됨

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