Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Een Test-Bed helm Fit en retentie en biomechanische maatregelen van hoofd- en nekletsel in gesimuleerde gevolgen te onderzoeken

8.6K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/56288

⸱

21 september 2017

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, University of Alberta

In dit artikel

Samenvatting

Met behulp van een antropometrisch hoofd en de nek, optische vezel gebaseerde pasvorm dwingen omvormers, een array van hoofd versnelling en nek kracht/moment omvormers, en een dubbele hoge snelheid camerasysteem, presenteren wij onze een proefbank helm retentie en effecten op biomechanische te studeren maatregelen van hoofd en nek letsel secundair aan hoofd effect.

Samenvatting

Conventionele wijsheid en de taal in internationale helm normen voor taaltests en taaldiploma's suggereren dat de juiste helm past en retentie tijdens een botsing zijn belangrijke factoren bij de bescherming van de drager van de helm van de effect-veroorzaakte schade. Dit manuscript wil onderzoeken gevolgen-geïnduceerde letsel mechanismen in verschillende helm past scenario's door middel van analyse van gesimuleerde Caudiverbera effecten met een antropometrisch test-apparaat (ATD), een matrix van botslichaam versnelling omvormers en nek kracht / moment omvormers, een dubbele hoge snelheid camerasysteem en helm-fit krachtsensors ontwikkeld in onze onderzoeksgroep op basis van Bragg roosters in optische vezel. Om na te bootsen effecten, vallen een geïnstrumenteerde proefhoofd en de flexibele hals langs het spoor van een lineaire gids op een aambeeld. Het test-bed staat simulatie van hoofd effect bij snelheden tot 8.3 m/s, op effect oppervlakken die zowel vlakke als gebogen. Het botslichaam is passen bij een helm en verschillende fit scenario's kunnen worden gesimuleerd door het kader specifieke aanpassingen aanbrengen in de helm positie index en/of de grootte van de helm. Om te kwantificeren helm retentie, is de beweging van de helm op het hoofd gekwantificeerd aan de hand van de post-hoc beeldanalyse. Om te kwantificeren van hoofd en nek schade potentiële, worden biomechanische maatregelen op basis van botslichaam versnelling en nek kracht/moment gemeten. Deze biomechanische maatregelen, door middel van vergelijking met gevestigde menselijke tolerantie curven, het risico van ernstige levensbedreigende en/of diffuus licht hersenletsel kunnen inschatten en osteoligamentous nek schade. Om onze kennis is het gepresenteerde test-bed de eerste ontwikkeld speciaal voor de beoordeling van de biomechanische effecten op hoofd en nek schade ten opzichte van de helm past en retentie.

Inleiding

Meest epidemiologische bewijs suggereert fietshelmen bieden bescherming tegen hoofdletsel voor fietsers van alle leeftijden1. De biomechanische literatuur presenteert het consistente thema dat het Caudiverbera hoofd relatief minder ernstige hoofd/hersenletsel secundaire gevolgen hebben voedt, ten opzichte van de onbeschermde (un-Caudiverbera) hoofd2. Sommige onderzoek suggereert dat arme helm pasvorm geassocieerd met een verhoogd risico op hoofdletsel3 wordt, hetgeen impliceert dat helmen zijn het effectiefst wanneer behoorlijk passen. Afhankelijk van de criteria gebruikt om te definiëren goede helm pasvorm, onjuiste valhelm bleek te zijn maar liefst 64 procent onder Caudiverbera fietsers3. Ondanks het epidemiologische bewijs suggereert dat helm passen is relevant in de ernst of de waarschijnlijkheid van hoofdletsel bij een botsing, is er minimale experimenteel werk beoordelen in een gecontroleerde laboratorium omgeving al of niet de juiste helm past of helm retentie heeft een significant effect op biomechanische maatregelen van letsel. Een gerelateerde studie onderzoekt het effect van motorfiets helm formaatgrepen tijdens Caudiverbera effecten gesimuleerd met een eindige elementen model4. Een andere gerelateerde studie onderzoekt het effect van helm formaatgrepen tijdens experimentele effecten5 terwijl het gebruiken van druk gevoelige film te kwantificeren fit krachten in voetbal helmen. Het effect van retentie systemen in fiets- en motorfiets helm effecten geweest onderzochte6,7, evenals een achterwaartse fit scenario voor door6.

Ons werk stelt methoden te bestuderen van het effect van fiets helm past op het risico van verwonding met helm past krachtsensors gesimuleerd van effecten met een antropometrisch hoofd en nek en stereoscopische hoge snelheid camera's. De doelstellingen van onze voorgestelde methoden zijn om te kwantificeren pasvorm en evalueren van het risico van verwonding in verschillende realistische effect scenario's. In tegenstelling tot aanverwante methoden onderzoekt ons werk fiets helm past, waar het gebruik van de juiste helm is gevarieerd. Vergelijkbaar met vorige methoden, hoofd kinematica worden bepaald; laden van de nek en hoofd-helm verplaatsingen zijn echter ook gekwantificeerd. Hoewel de epidemiologie van nekletsel in fietsen suggereert dat nek verwondingen zeldzaam zijn, ze hebben de neiging te worden geassocieerd met meer ernstige hoofd effecten en hospitalisatie8,9. Het bewijs is gemengd of valhelm tarieven van nek schade8 vermindert en geen van de aangehaalde epidemiologische studies kwantificeren aspecten van helm past. Gezien het feit dat nekletsel in de wielersport heeft de neiging te worden geassocieerd met meer ernstige ongevallen en die helm past is niet onderzocht in de nek schade epidemiologie, zijn methoden voor de behandeling van zowel de hoofd en de nek schade waardevol in biomechanische onderzoek. Dergelijke experimentele methoden kunnen worden gebruikt in biomechanische studies die een aanvulling op epidemiologische studies die niet in alle gevallen controle voor de ernst van de gevolgen of helm past.

In ons werk, is een nieuwe methode van de controle van de relatieve bewegingen tussen de kop en helm tijdens botsing ontwikkeld. De mogelijkheid om te controleren of al dan niet de helm op het hoofd beweegt kan geven waardevolle inzicht in zowel de stabiliteit van de helm en de blootstelling van de onbeschermde hoofd tot letsel tijdens botsing. In een studie onderzoekt helm passen, zijn helm stabiliteit en hoofd blootstelling bijzonder waardevol zijn bij het beoordelen van de prestaties van de helm. In tegenstelling tot gerelateerd werk, verschillende effect en pasvorm zal scenario's nadruk op gevarieerde helm positionering ook worden getest.

Op dit moment, is juiste helm past subjectief en nonspecifically gedefinieerd. In het algemeen wordt goede helm past gekenmerkt door stabiliteit en positie. De helm moet bestand zijn tegen beweging eens beveiligd en opgeslagen op het hoofd, en moet zich zodanig dat niet onder de wenkbrauwen vallen en het voorhoofd niet overmatig is blootgesteld. Bovendien moet ongeveer een-vinger breedte van de ruimte tussen de kin en Evening3past. Maatregelen van quantifying helm past zijn niet wijdverspreid; dan kracht, methoden helm pasvorm kunnen vergelijken op basis van het hoofd en helm geometrie vergelijken. Een dergelijke methode is de helm past Index voorgesteld door Ellena et al. 10. onze voorgestelde methode voor het kwantificeren van de helm fit, fit krachtsensors, maakt u een objectieve middel verschillende helm past scenario's in de vorm van gemiddelde en standaardafwijking van krachten uitgeoefend op de kop te vergelijken. Deze pasvorm dwingen waarden vertegenwoordigen de luchtdichtheid van een helm, evenals de variatie van krapte ervaren op het hoofd. Deze sensoren bieden een kwantitatieve vergelijking van krachten die kan worden gemaakt tussen verschillende fit scenario's. Een veilige strakke montage helm zou hogere krachten geven terwijl een losse helm zou het weergeven van lagere krachten. Deze methode van fit kracht meting is vergelijkbaar met de gemiddelde passen Index voorgesteld door Jadischke5. Jadischke de methoden gebruiken echter druk gevoelige film. De optische sensoren we presenteren toestaan onopvallend meting van fit kracht rond het hoofd of de helm.

Voor de certificering van helmen, is een helm beveiligd op een geïnstrumenteerde botslichaam, die vervolgens wordt verhoogd tot een bepaalde hoogte te laten vallen. Het hoofd en de helm is vervolgens onderworpen aan een daling van de vrije val op een aambeeld tijdens het opnemen van lineaire acceleratie. Hoewel meestal niet gebruikt in de helm industriestandaarden, werden een Hybrid III hoofd (botslichaam) en hals vergadering gebruikt in dit werk, met een daling van de begeleide toren te simuleren van de effecten. In tegenstelling tot de standaards die meestal lineaire bewegingen gebruiken, de vorm van een hoofd versnellingsmeter matrix maakt het ook mogelijk de bepaling van Rotationele kinematica, een belangrijke parameter in het voorspellen van de kans op diffuus hersenletsel, met inbegrip van hersenschudding11 . Door meting van zowel lineaire versnelling en roterende acceleratie en snelheid, kunnen schattingen van ernstige focal en diffuse hoofdletsel worden gemaakt door het vergelijken van kinematica aan de verschillende voorgestelde kinematica gebaseerde letsel bepalingsmethoden in de literatuur 12 , 13. terwijl het botslichaam was oorspronkelijk ontwikkeld voor het auto crash testen, het gebruik ervan in de helm beoordeling en schatting van hoofdletsel risico in Caudiverbera effect is goed gedocumenteerd2,14. De gevolgen simulatie setup bevat ook een bovenste nek belasting cel, waardoor de krachten en momenten geassocieerd met nekletsel te meten. Nek verwondingsrisico kan vervolgens worden geschat door nek kinetiek te letsel assessment gegevens vergelijken van auto schade gegevens12,13.

Een methode voor het bijhouden van helm beweging ten opzichte van het hoofd tijdens botsing met hoge snelheid video wordt ook voorgesteld. Op dit moment bestaan geen kwantitatieve methoden om te evalueren van helm stabiliteit tijdens botsing. De Consumer Product Safety Commissie (CPSC)15 fiets helm standaard een positionele stabiliteitsproef op wordt aangedrongen, maar is niet vertegenwoordiger van een effect. Bovendien, al dan niet de helm komt uit het botslichaam is het enige resultaat gemeten door de test. Ongeacht Gasbedwelming met behulp van het hoofd letsel, kan een helm nog passeren, zolang blijft het op het botslichaam tijdens proeven. De voorgestelde methode voor het bijhouden van helm verkeer is vergelijkbaar met helm positie Index (HPI)15 en meet de afstand tussen de rand van een helm en het voorhoofd. De verplaatsing van deze hoofd-helm wordt bijgehouden met behulp van de high-speed video-opnames in de gehele gevolgen met het oog op een vertegenwoordiging van de helm stabiliteit en hoofd blootstelling tijdens botsing. Met behulp van directe lineaire transformatie (DLT)16 en één waarde ontleding (SVD)17 methoden, worden markeringen bijgehouden van twee camera 'som de puntlocaties in drie-dimensionale ruimte, en vervolgens de relatieve verplaatsing tussen helm en hoofd.

Verschillende gevolgen ernst en pasvorm parameters worden onderzocht. De impact scenario's omvatten twee impact snelheden, twee invloed aambeeld oppervlakken en torso-eerste zowel hoofd-als eerste effecten. Naast een typische platte aambeeld oppervlak, is ook een schuine aambeeld-effect gesimuleerd om een kracht van de tangentiële component. Een romp-eerste effect, in tegenstelling tot een hoofd-eerste effect, is opgenomen om het simuleren van een scenario waarin een rider's schouder de grond vóór het hoofd, op dezelfde manier uitgevoerd in eerdere werk18aanstuurt. Ten slotte, deze vier helm past scenario's worden onderzocht: een regular fit, een oversized pasvorm, een voorwaartse pasvorm en een achterwaartse pasvorm. In tegenstelling tot eerdere werk is helm op het hoofd plaatsen een onderzochte parameter, evenals de helm pasvorm en de helm grootte.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. helm past scenario's Arrangement

  1. definiëren passen scenario's worden bestudeerd op een antropometrisch test apparaat hoofd en de hals (Hybrid III 50e percentiel mannelijk) met een hoofdomtrek van 575 mm.
    Opmerking: Een voorbeeld van vier fit scenario's wordt weergegeven in tabel 1 met helm posities overeenkomt met het cijfer 1. De voorwaartse en achterwaartse fit scenario's waren gebaseerd op definities van de juiste helm gebruik uit vorige epidemiologische studies, die goede helm positie opgegeven als niet de wenkbrauwen bedekkings- of bloot de voorhoofd 3.
  2. Voor elk scenario, mark elke helm positie op het botslichaam om ervoor te zorgen dat de helm past scenario wordt voortdurend herhaald.
  3. Een gecertificeerde helm van CPSC, verkrijgbaar in universele en extra grote maten, te gebruiken voor alle scenario's passen.
    Opmerking: Volgens de fabrikant bedoeld fit guide, een universele maat meest adequaat past de omtrek van het botslichaam.
    1. Voor elk scenario past, uw andere parameters consistente conditie. Specifiek, draai de Evening om te vertrekken ongeveer één vinger breedte van de ruimte onder de kin en hand-draai de verstelbare draaiknop om het handhaven van een stevige pasvorm.

2. Passen kracht meting

  1. Schikken vijf pasvorm sensoren op de huid van het botslichaam, geplaatst aan de voorkant, achter, links, rechts en van boven ( Figuur 2).
    Opmerking: De sensoren zijn een gemodificeerde versie van Bragg raspen krachttransductors ontwikkeld binnen de onderzoek groep 19 , 20 , 21 , 22, geoptimaliseerd voor het meten van fit krachten over een bereik van 0 tot 50 N. De gewijzigde sensoren hebben respectievelijk een dikte en een diameter van 2.6 mm en 14 mm.
  2. Nemen een referentiemeting met de omvormers op het VN-Caudiverbera botslichaam onder onbelast. Neem deze referentiemeting vóór elke fit kracht meting.
  3. Plaats de helm op de gegevens voor het proefhoofd en de maatregel-kracht voor 3 s met een snelheid van 2,5 kHz. Herhaal het zelfde fit scenario zesmaal voor herhaalde metingen.
  4. Dezelfde meting procedure herhalen voor alle scenario's passen.
  5. Converteren golflengte shift gegevens te dwingen metingen door te vermenigvuldigen met de vooraf bepaalde kalibratie-constante die het passen de gemeten golflengten van de transducer transducer dwingen.

3. Drop toren voor Impact simulatie

  1. simuleren invloed op het Caudiverbera hoofd door het botslichaam te raken van een effect oppervlakte 19 , 23 lineair te begeleiden. De apparatuur die nodig is om dit te doen is kader specifieke, zoals hieronder uitgelegd.
    1. Assemble een daling van de toren bestaat uit een daling van de verstelbare gimbal, een antropometrisch test apparaat hoofd en nek en wordt een variabele botsingsvlak.
      Opmerking: De vergadering van de daling van de totale massa is ongeveer 11 kg. De toegevoegde massa van de rekeningen van de gimbal voor de uitsluiting van het volledige menselijk lichaam als een effectieve romp massa beter simuleren een realistisch effect 24.
    2. Regelen 9 uni-axiale versnellingsmeters in een 3-2-2-2 configuratie binnen het proefhoofd dat lineaire en angular acceleraties van het botslichaam worden vastgesteld op het centrum van de zwaartekracht 25.
    3. Regelen een speciaal gebouwde snelheid gate op de toren van de gevolgen voor het meten van de botssnelheid onmiddellijk voor de botsing.
  2. Hoofd versnelling en nek kracht/moment gegevens met behulp van het data-acquisitiesysteem verzamelen. Filteren van analoge spanningen, bemonsterd op 100 kHz voor alle zenders. Voorafgaand aan het data-acquisitiesysteem, omvatten een hardware anti-aliasing low-pass filter met een frequentie van de hoek van 4 kHz 26.
  3. Regelen de impact scenario.
    1. Voor alle effecten, verwijder het vizier helm bij toe te staan voor betere zichtbaarheid volgen van beweging. Het effect van het vizier tijdens botsing wordt ervan uitgegaan dat te verwaarlozen als gevolg van de losse bijlage.
    2. Regelen alle druppels om invloed op het voorhoofd. Dit is een gemeenschappelijk botslocatie in fietsen 27, hoewel andere scenario's kunnen ook worden gesimuleerd.
    3. Simuleren zes verschillende impact scenario's door het variëren van invloed zijn snelheid, botsingsvlak en hoofd-eerste of torso-eerste effecten volgens tabel 2.
    4. Verhogen het botslichaam op de juiste hoogte, overeenkomt met impact snelheden opgegeven. Het botslichaam uit een passende hoogte, typisch 0.82 m en 1.83 m, om te bereiken snelheden van 4 m/s en 6 m/s, respectievelijk neerzetten.
      Opmerking: Toevoegen hoogte als nodig is om de wrijvingsverliezen te overwinnen. Twee impact snelheden van 4 m/s en 6 m/s kunnen worden gekozen op basis van vorige literatuur en normen 28.
    5. Regelen het botsingsvlak.
      1. Schikken ofwel een flat of een 45° schuine aambeeld ( Figuur 4). Het vlakke aambeeld simuleert valt op een vlakke ondergrond, terwijl het schuine aambeeld effecten met een snelheid van de tangentiële component simuleert.
      2. De cover beide van de oppervlakken van de aambeelden in de schurende band om te simuleren een asfalt oppervlak. Pas de positie van de aambeeld desgewenst tussen effecten om ervoor te zorgen dat de helm te worden beïnvloed contacten alleen het platte oppervlak van het aambeeld.
  4. De daling van de toren voor hoofd-eerste of torso-eerste gevolgen regelen. Simuleren van zowel hoofd-als eerste en torso-eerste effecten, met romp effecten vergelijkbaar met de gecombineerde gevolgen configuratie gepresenteerd in Smith et al. laden. 18
    1. om te simuleren een hoofd-eerste effect, niet de druppel toren aanpassen.
    2. Te simuleren het raken van de grond voor het hoofd, torso plaats een houten blok in het pad van de drop-gimbal. Plaats dit houten blok op een hoogte zodat het hoofd is ongeveer 25 mm uit de buurt van invloed op het aambeeld bij de romp-effect. Het hoofd blijft vervolgens te raken het aambeeld door middel van nek flexie alleen.
    3. Omvatten een laag schuim om te minimaliseren van de trillingen van de daling van de toren ( Figuur 5).
    4. In tegenstelling tot hoofd-eerste effecten, het aanpassen van de hoek van de hals in de romp-eerste effecten.
      Opmerking: Deze nek hoek aanpassing maakt het mogelijk voor het hoofd om de impact van het aambeeld op het voorhoofd na flexie, zodat botslocatie vergelijkbaar met het effect van de hoofd-eerste geval ( Figuur 6 is). Naast voorhoofd effecten, zou deze torso-eerste scenario ongetwijfeld in kant effecten ook relevant. In zowel hoofd-als eerste en torso-eerste effecten, deze gimbal systeem zorgt voor beweging van het hoofd en de nek langs het spoor na botsing.
  5. De data-acquisitiesysteem high speed camera's (zie punt 4) en de daling van het botslichaam gelijktijdig te activeren. Herhaal de hetzelfde effect en de configuratie van de fit scenario 3 keer met nieuwe helmen telkens.
    Opmerking: De high-speed camera's moet worden ingesteld tegelijk met de daling van de toren, beschreven in sectie 4.
  6. Elk van de vier fit scenario's onderworpen aan elk van de 6 verschillende impact scenario's. Uitvoeren van een totaal van 72 Druppels na 3 proeven van elke configuratie.
  7. Na het verwerken van het botslichaam kinematische en kinetische gegevens.
    1. Filter analoge signalen voor versnelling en kracht/moment vervolgens met behulp van een 4 th orde Butterworth filter in de nabewerking om te voldoen aan de indusProbeer voorgestelde praktijk 26. Hoofd acceleraties en nek krachten per kanaal frequentie klasse (CFC) 1000 filteren. Filteren van nek momenten per CFC van 600.

4. Beweging vastleggen met behulp van een hoge snelheid Dual camerasysteem

Opmerking: opname marker posities uit twee high speed camera's toestaan dat driedimensionale marker posities te bepalen met de DLT methode 16 in post-verwerking. Om te bepalen van hoofd-helm verplaatsingen, track markeringen op zowel het proefhoofd en de helm tijdens botsing.

  1. High-speed camera's rond de toren daling schikken.
    1. Schikken twee high-speed camera's rond de daling van de toren te vangen gesynchroniseerd beelden van de helm en botslichaam beweging tijdens botsing.
      1. Plaats van een master camera aan de zijkant van de daling van de toren en plaats een slaaf camera op ongeveer 45° van het model ( Figuur 7). Opstelling van een 250 W licht tussen de camera's te voorzien van voldoende blootstelling.
  2. High speed camera's configureren.
    1. Equip, elke camera met een 50 mm f/1.4 of een 100 mm f/2.0 macrolens, afhankelijk van het vereiste gezichtsveld. Instellen van de openingen op de lenzen bij f/8.0.
      Opmerking: Dit diafragma zorgt voor voldoende scherpe focus in de gewenste scherptediepte. Het vereiste gezichtsveld varieerden van 30-60 cm, afhankelijk van het scenario gevolgen.
    2. Configureren beide camera's opnemen op 1280 x 800 pixels met een beeldsnelheid van 1000 kaders per seconde of sneller. Zo zal de maximale blootstellingstijd per frame 600 μs.
    3. Synchroniseren de twee camera's in frames en interne klok. Een trigger instellen zodat beide camera's tegelijkertijd activeren.
  3. Kalibreren van de ruimte door middel van een stilstaand beeld van een kalibratie-frame van elke camera.
    Opmerking: Voor de directe lineaire transformatie (DLT) methode, de ruimte moet worden in eerste instantie gekalibreerd.
    1. Een kalibratie-kooi met 17 bekende kalibratie puntlocaties verplaatsen in het gezichtsveld van beide camera's en een enkel beeld van elke camera te nemen. Een minimum van 11 gemeenschappelijke punten moet zichtbaar van beide camera's.
    2. Vinden de twee-dimensionale coördinaten van iedere markeerdraad met tracking software.
      Opmerking: Een coördinaat meten van machine (CMM) bepaalt de puntlocaties van de kooi van de kalibratie voor DLT kalibratie.
    3. Met behulp van een reeks van berekeningen uitgevoerd met de kalibratie markers ' coördinaten (bekend als DLT) 16, transformeren twee dimensionale marker locaties in driedimensionale coördinaten ten opzichte van de kalibratie-kooi coördinatenstelsel in post-processing.
  4. Bijhouden om te kwantificeren helm verplaatsing, de afstand tussen een punt op het voorhoofd van het proefhoofd en de rand van de helm met behulp van de opsporingssoftware.
    Opmerking: Omdat deze punten niet zichtbaar van beide camera's zijn, een set van drie zichtbare markeringen op elk het botslichaam bijhouden en helm in plaats daarvan. De punten op het voorhoofd en de helm kunnen dan niet indirect worden bijgehouden.
  5. Plaats volgen markeringen op het botslichaam van beweging en het nemen van een stilstaand beeld van de verwijzing van het botslichaam van elke camera.
    1. Voor deze methode van indirecte markering tracking, neem een botslichaam referentiebeeld met elke camera. Zorgen dat deze referentiebeeld uit drie markeringen en een marker van de verwijzing gedefinieerd op het hoofd bestaat.
    2. Maximaliseren de afstand tussen markeringen met behulp van drie referentie puntlocaties terwijl beide camera's ' veld gedachtewisseling.
      Opmerking: Het maximaliseren van de afstand maakt het mogelijk voor betere nauwkeurigheid door het verlagen van de indirecte markering voor het bijhouden van gevoeligheid voor het bijhouden van fouten. De drie markers toestaan voor de driedimensionale wederopbouw van beweging in de nabewerking, evenals de schatting van de locatie van het voorhoofd.
    3. Houdt de verwijzing markering tussen de ogen op de lagere voorhoofd en de andere markers verspreid over het botslichaam. Ervoor zorgen dat deze drie andere markeringen zichtbaar van beide camera's in de gehele invloed ( Figuur 8).
  6. Plaats volgen markeringen op de helm van beweging en nemen nog steeds verwijzing beelden van de helm van elke camera als beschreven voor het botslichaam referentiepunt (punt 4.5).
    1. Zorg ervoor dat de verwijzing bestaat uit ten minste vier motion tracking markeringen weergeven. Houd een marker op de bodem van de rand van de helm als referentie en verspreid van de andere drie markeringen op de helm. Ervoor zorgen dat deze drie markeringen zichtbaar van beide camera's in de gehele gevolgen. Nemen van een enkel beeld van elke camera voor de helm verwijzing ( Figuur 9).
  7. Leiden tot het data-acquisitiesysteem, high speed camera's en daling van het botslichaam gelijktijdig zoals beschreven in sectie 3.
    Opmerking: De daling van de toren moet gelijktijdig met de high-speed camera's worden opgezet. Na verwijzing opnamen, kan een daling worden uitgevoerd.
    1. Schikken de helm past scenario. Record de daling. Het signaal van een trigger om de camera handmatig op effect. Opname regelen zodat 3 s is opgenomen vóór de trigger en 8 s is opgenomen na de trigger. Handmatig controleren en de gesynchroniseerde camerabeelden te bevatten van het effect alleen beugel.

5. Hoofd-helm Marker Tracking en post-processing

  1. volgen markeringen voor hoofd en helm tijdens het effect, met behulp van camera-specifieke software.
    1. Track zes punten per druppel: drie op zowel de helm en de vorm van een hoofd ( Figuur 10). Met de software, het bepalen van de voorbijgaande tweedimensionale pixelcoördinaten van iedere markeerdraad.
  2. Gebruik van de DLT-methode voor het berekenen van driedimensionale coördinaten van bijgehouden markers bij een val.
    Opmerking: Met de kalibratiegegevens uit de kooi van de kalibratie en de daling van de twee camera's, de DLT-methode kan de driedimensionale coördinaten bepalen van de bijgehouden markers bij een val.
    3. De SVD (enkelvoud waarde ontleding) methode 17
  3. gebruiken voor het berekenen van de 3D-dimensionale coördinaten van het botslichaam voorhoofd en helm rand. Het verschil tussen deze twee punten is hoofd-helm verplaatsing.
    1. Gebruik de SVD-methode voor het schatten van de locatie van een verwijzing wijst aan elk botslichaam voorhoofd en helm boordevol uit de bijgehouden markers.
      2. De SVD-methode
    2. gebruiken om de transformatiematrix opgeeft van de drie markers tussen het referentiekader en elk afzonderlijk frame van een daling. Deze transformatie kan worden toegepast om te zoeken naar het voorhoofd of de helm rand locaties.
  4. Deze indirecte tracking uitvoeren op zowel de helm en de vorm van een hoofd. De verplaatsing tussen de rand van het voorhoofd en de helm kan vervolgens worden gecontroleerd ( Figuur 11).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Fit kracht meting
Voor elk scenario past, past kracht meting werd verricht op de locatie van elke sensor (Figuur 12) en een t-toets, ongelijke varianties, werd uitgevoerd om te bepalen van betekenis (p < 0,05). De gemiddelde standaarddeviatie voor alle metingen was ± 0.14 N. hoger fit krachten geven een smallere pasvorm.

Kinematische hoofd en nek kinetische gegevens

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Hier, passen methoden voor behandelende helm in gesimuleerde Caudiverbera hoofd effecten worden gepresenteerd. Helm passen werd gekwantificeerd met fit krachtsensors effecten werden gesimuleerd met een ATD proefhoofd en de nek op een daling van de begeleide toren en helm beweging met hoge snelheid video werd gevolgd. Gevolgen van de verschillende scenario's werden gesimuleerd onder verschillende fit scenario's te onderzoeken van de effecten op biomechanische maatregelen van helm past.

De helm ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs er geen conflicten optreden bekend te maken en staan niet financieel baat hebben bij de publicatie van dit werk.

Dankbetuigingen

Wij nogmaals mijn dankbaarheid uitspreken financiering van de natuurwetenschappen en de Engineering onderzoek Raad (NSERC) van Canada (Discovery Grants 435921), de Pashby Sport veiligheid Fonds (2016: RES0028760), de Banting Research Foundation (Discovery Award 31214), () NBEC Inc. Canada), en de faculteit van techniek en faculteit Werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Alberta.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Hybrid III HeadformHumanetics of Jasti-UtamaN/A50e Percentiel ATD, voor simulatie van impact
Hybrid III NeckHumanetics of Jasti-UtamaN/A50e Percentiel ATD, voor simulatie van impact
Lineaire versnellingsmetersMeasurement Specialties64C-2000-360voor het meten van hoofdversnelling
Bovenste nekbelastingscelmg SensorN6ALB11Avoor het meten van nekbelasting
High Speed CameraVision Researchv611voor motion capture
CameralensCarl ZeissN/A50 mm f1/.4, voor motion capture
CameralensCarl ZeissN/A100 mm f/2.0, voor motion capture
FietshelmBellN/ATraverse
DataverzamelsysteemNational InstrumentsPXI 6251voor Hybrid III signaalverzameling
Head Impact Drop TowerUniversity of AlbertaN/AOp maat ontworpen, voor simulatie van impact
Optische vraagbaakSmart Fibres Ltd.N/ASmartScan, voor meting van optische sensorkracht
Fit Force SensorUniversity of AlbertaN/AOp maat ontworpen, voor het meten van helmaanpassingskracht

Referenties

  1. Thompson, D. C., Rivara, F. P., Thompson, R. S. Effectiveness of Bicycle Safety Helmets in Preventing Head Injuries: A Case-Control Study. JAMA. 276 (24), 1968-1973 (1996).
  2. Cripton, P. A., Dressler, D. M., Stuart, C. A., Dennison, C. R., Richards, D. Bicycle helmets are highly effective at preventing head injury during head impact: Head-form accelerations and injury criteria for helmeted and unhelmeted impacts. Accid. Anal. Prev. 70, 1-7 (2014).
  3. Lee, R. S., Hagel, B. E., Karkhaneh, M., Rowe, B. H. A systematic review of correct bicycle helmet use: how varying definitions and study quality influence the results. Inj. Prev. 15 (2), 125-131 (2009).
  4. Chang, L. -T., Chang, C. -H., Chang, G. -L. Fit effect of motorcycle helmet - A finite element modeling. JSME Int. J. Ser. Solid Mech. Mater. Eng. 44 (1), 185-192 (2001).
  5. Jadischke, R. Football helmet fitment and its effect on helmet performance. Wayne State Univ. Theses. , Available from: http://digitalcommons.wayne.edu/oa_theses/176 (2012).
  6. Klug, C., Feist, F., Tomasch, E. Testing of Bicycle Helmets for Preadolescents. IRCOBI Conf. Proc. , Available from: https://trid.trb.org/view.aspx?id=1370437 (2015).
  7. McIntosh, A. S., Lai, A. Motorcycle Helmets: Head and Neck Dynamics in Helmeted and Unhelmeted Oblique Impacts. Traffic Inj. Prev. 14 (8), 835-844 (2013).
  8. Olivier, J., Creighton, P. Bicycle injuries and helmet use: a systematic review and meta-analysis. Int. J. Epidemiol. 46 (1), 278-292 (2017).
  9. Rivara, F. P., Thompson, D. C., Thompson, R. S. Epidemiology of bicycle injuries and risk factors for serious injury. Inj. Prev. 3 (2), 110-114 (1997).
  10. Ellena, T., Subic, A., Mustafa, H., Pang, T. Y. The Helmet Fit Index - An intelligent tool for fit assessment and design customisation. Appl. Ergon. 55, 194-207 (2016).
  11. Takhounts, E. G., Craig, M. J., Moorhouse, K., McFadden, J., Hasija, V. Development of Brain Injury Criteria (BrIC). Stapp Car Crash J. 57, 243-266 (2013).
  12. Eppinger, R., Sun, E., et al. Development of improved injury criteria for the assessment of advanced automotive restraint systems - II. , (1999).
  13. Mertz, H. J., Irwin, A. L., Prasad, P. Biomechanical and scaling bases for frontal and side impact injury assessment reference values. Stapp Car Crash J. 47, 155(2003).
  14. Newman, J. A., Beusenberg, M. C., Shewchenko, N., Withnall, C., Fournier, E. Verification of biomechanical methods employed in a comprehensive study of mild traumatic brain injury and the effectiveness of American football helmets. J. Biomech. 38 (7), 1469-1481 (2005).
  15. CPSC. Safety Standard for Bicycle Helmets; Final Rule. , (1998).
  16. Miller, N. R., Shapiro, R., McLaughlin, T. M. A technique for obtaining spatial parameters of segments of biomechanical systems from cinematographic data. J. Biomech. 13, 535-547 (1980).
  17. Arun, K. S., Huang, T. S., Blostein, S. D. Least-Squares Fitting of Two 3-D Point Sets. IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 9 (5), 698-700 (1987).
  18. Smith, T. A., Halstead, P. D., McCalley, E., Kebschull, S. A., Halstead, S., Killeffer, J. Angular head motion with and without head contact: implications for brain injury. Sports Eng. 18 (3), 165-175 (2015).
  19. Butz, R., Dennison, C. In-fibre Bragg grating impact force transducer for studying head-helmet mechanical interaction in head impact. J. Light. Technol. 33 (13), 8(2015).
  20. Butz, R. C., Knowles, B. M., Newman, J. A., Dennison, C. R. Effects of external helmet accessories on biomechanical measures of head injury risk: An ATD study using the HYBRIDIII headform. J. Biomech. 48 (14), 3816-3824 (2015).
  21. Dennison, C. R., Wild, P. M. Superstructured fiber-optic contact force sensor with minimal cosensitivity to temperature and axial strain. Appl. Opt. 51, 1188-1197 (2012).
  22. Dennison, C. R., Wild, P. M. Sensitivity of Bragg gratings in birefringent optical fibre to transverse compression between conforming materials. Appl. Opt. 49, 2250-2261 (2010).
  23. Knowles, B. M., Yu, H., Dennison, C. R. Accuracy of a Wearable Sensor for Measures of Head Kinematics and Calculation of Brain Tissue Strain. J. Appl. Biomech. 33 (1), 2-11 (2017).
  24. Nightingale, R. W., McElhaney, J. H., Richardson, W. J., Myers, B. S. Dynamic responses of the head and cervical spine to axial impact loading. J. Biomech. 29, 307-318 (1996).
  25. Padgaonkar, A. J., Krieger, K. W., King, A. I. Measurement of Angular Acceleration of a Rigid Body Using Linear Accelerometers. J. Appl. Mech. 42 (3), 552-556 (1975).
  26. SAE. J211 Instrumentation for Impact Test - Part 1: Electronic Instrumentation. , Society of Automotive Engineers. (2014).
  27. Depreitere, B., Lierde, C. V., et al. Bicycle-related head injury: a study of 86 cases. Accid. Anal. Prev. 36, 561-567 (2004).
  28. Fahlstedt, M., Baeck, K., et al. Influence of Impact Velocity and Angle in a Detailed Reconstruction of a Bicycle Accident. Proc. 2012 Int. IRCOBI Conf. Biomech. Impacts. , Available from: https://lirias.kuleuven.be/handle/123456789/357473 787-799 (2012).
  29. Newman, J. A. A Generalized Model for Brain Injury Threshold (GAMBIT). IRCOBI Conf. Proc. , (1986).
  30. Newman, J. A., Shewchenko, N., Welbourne, E. A proposed New Biomechanical head injury assessment function - the maximum power index. Stapp Car Crash J. 44, 215-247 (2000).
  31. NOCSAE. Standard Test Method and Equipment used in Evaluating the Performance Characteristics of Protective Headgear/Equipment NOCSAE Doc (ND) 001- 11m12. , (2012).
  32. Cobb, B. R., MacAlister, A., Young, T. J., Kemper, A. R., Rowson, S., Duma, S. M. Quantitative comparison of Hybrid III and National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment headform shape characteristics and implications on football helmet fit. Proc. Inst. Mech. Eng. Part P J. Sports Eng. Technol. 229 (1), 39-46 (2015).
  33. Cobb, B. R., Zadnik, A. M., Rowson, S. Comparative analysis of helmeted impact response of Hybrid III and National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment headforms. Proc. Inst. Mech. Eng. Part P J. Sports Eng. Technol. 230 (1), 50-60 (2016).
  34. de Jager, M., Sauren, A., Thunnissen, J., Wismans, J. Global and a Detailed Mathematical Model for Head-Neck Dynamics. Proc. Stapp Car Crash Conf. 40, 269-281 (1996).
  35. Aare, M., Halldin, P. A New Laboratory Rig for Evaluating Helmets Subject to Oblique Impacts. Traffic Inj. Prev. 4 (3), 240-248 (2003).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

Behoud van helmzitsimulatie van hoofdimpactantropometrisch testapparaathogesnelheidscamera'sversnelling van het hoofdmodelnekkrachtmomentmeting van helmbehoudbiomechanische letselmatenkalibratie van impactsnelheidvaltorntesten
Een Test-Bed helm Fit en retentie en biomechanische maatregelen van hoofd- en nekletsel in gesimuleerde gevolgen te onderzoeken
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.