Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Stanowisko testowe do badania dopasowania i utrzymania kasku oraz biomechanicznych pomiarów obrażeń głowy i szyi w symulowanym zderzeniu

8.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56288

⸱

21 września 2017

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, University of Alberta

W tym artykule

Podsumowanie

Korzystając z antropometrycznego pomiaru głowy i szyi, światłowodowych przetworników siły dopasowania, szeregu przetworników przyspieszenia głowy i siły/momentu szyi oraz systemu podwójnej szybkiej kamery, prezentujemy stanowisko testowe do badania retencji kasku i wpływu na biomechaniczne pomiary urazów głowy i szyi wtórnych do uderzenia głową.

Streszczenie

Konwencjonalna mądrość i język w międzynarodowych standardach testowania i certyfikacji kasków sugerują, że odpowiednie dopasowanie kasku i utrzymanie podczas uderzenia są ważnymi czynnikami chroniącymi użytkownika kasku przed obrażeniami spowodowanymi uderzeniem. Niniejszy manuskrypt ma na celu zbadanie mechanizmów urazów wywołanych uderzeniami w różnych scenariuszach dopasowania kasku poprzez analizę symulowanych uderzeń kasku za pomocą antropometrycznego urządzenia testowego (ATD), szeregu przetworników przyspieszenia modelu głowy i przetworników siły/momentu szyi, systemu podwójnej szybkiej kamery oraz czujników siły dopasowanej do kasku opracowanych w naszej grupie badawczej w oparciu o siatki Bragga w światłowodzie. Aby symulować uderzenia, oprzyrządowany model głowy i elastyczna szyja opadają wzdłuż liniowej szyny prowadzącej na kowadło. Stanowisko testowe umożliwia symulację uderzenia głową z prędkością do 8,3 m/s, na powierzchnie uderzeniowe, które są zarówno płaskie, jak i ustawione pod kątem. Model głowy jest dopasowany do kasku zderzeniowego, a kilka scenariuszy dopasowania można zasymulować, dokonując kontekstowych korekt wskaźnika położenia kasku i/lub rozmiaru kasku. Aby określić ilościowo retencję kasku, ruch kasku na głowie jest określany ilościowo za pomocą analizy obrazu post-hoc. Aby określić ilościowo potencjał urazów głowy i szyi, mierzy się pomiary biomechaniczne oparte na przyspieszeniu modelu głowy i sile/momencie szyi. Te pomiary biomechaniczne, poprzez porównanie z ustalonymi krzywymi tolerancji człowieka, mogą oszacować ryzyko poważnego zagrażającego życiu i/lub łagodnego rozlanego uszkodzenia mózgu i kostno-więzadłowego uszkodzenia szyi. Zgodnie z naszą wiedzą, prezentowane stanowisko testowe jest pierwszym opracowanym specjalnie do oceny wpływu biomechanicznego na urazy głowy i szyi w odniesieniu do dopasowania i utrzymania kasku.

Wprowadzenie

Większość dowodów epidemiologicznych sugeruje, że kaski rowerowe zapewniają ochronę przed urazami głowy rowerzystom w każdym wieku1. W literaturze biomechanicznej pojawia się spójny motyw, że głowa w hełmie doznaje stosunkowo mniej poważnych urazów głowy/mózgu wtórnych do uderzenia, w porównaniu z głową bez kasku (bez kasku) class2. Niektóre badania sugerują, że złe dopasowanie kasku wiąże się ze zwiększonym ryzykiem urazów głowy3, co sugeruje, że kaski są najskuteczniejsze, gdy są odpowiednio dopasowane. W zależności od kryteriów użytych do zdefiniowania dobrego dopasowania kasku, stwierdzono, że nieprawidłowe używanie kasku wynosi aż 64% wśród rowerzystów w kaskach3. Pomimo dowodów epidemiologicznych sugerujących, że dopasowanie kasku ma znaczenie dla ciężkości lub prawdopodobieństwa urazu głowy w wyniku zderzenia, prowadzone są minimalne prace eksperymentalne oceniające w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, czy prawidłowe dopasowanie kasku lub utrzymanie kasku ma znaczący wpływ na biomechaniczne pomiary urazu. Jedno z powiązanych badań bada wpływ rozmiaru kasku motocyklowego podczas uderzeń w kask symulowany za pomocą modelu elementów skończonych4. Inne powiązane badanie bada wpływ rozmiaru kasku podczas eksperymentalnych uderzeń5 przy użyciu folii wrażliwej na nacisk do ilościowego określenia sił dopasowania w kaskach piłkarskich. Zbadano wpływ systemów retencyjnych na uderzenia kasków rowerowych i motocyklowych6,7, a także scenariusz dopasowania wstecznego dla nastolatków6.

Nasza praca proponuje metody badania wpływu dopasowania kasku rowerowego na ryzyko kontuzji za pomocą czujników siły dopasowania kasku, symulowanych uderzeń z antropometryczną głową i szyją oraz stereoskopowych kamer szybkoobrotowych. Celem proponowanych przez nas metod jest ilościowe określenie dopasowania i ocena ryzyka urazu w różnych realistycznych scenariuszach oddziaływania. W przeciwieństwie do metod pokrewnych, nasza praca dotyczy dopasowania kasku rowerowego, gdzie prawidłowe użytkowanie kasku jest zróżnicowane. Podobnie jak w poprzednich metodach, określa się kinematykę głowy; Jednak obciążenie szyi i przemieszczenia głowy kasku są również określane ilościowo. Chociaż epidemiologia urazów szyi w kolarstwie sugeruje, że urazy szyi są rzadkie, zwykle wiążą się z poważniejszymi uderzeniami w głowę i hospitalizacją8,9. Dowody są niejednoznaczne co do tego, czy używanie kasku zmniejsza wskaźniki urazów szyi8 i żadne z cytowanych badań epidemiologicznych nie określa ilościowo aspektów dopasowania kasku. Biorąc pod uwagę fakt, że urazy szyi w kolarstwie zwykle wiążą się z poważniejszymi wypadkami i że dopasowanie kasku nie zostało zbadane w epidemiologii urazów szyi, metody badania zarówno urazów głowy, jak i szyi są cenne w badaniach biomechanicznych. Takie metody eksperymentalne mogą być stosowane w badaniach biomechanicznych, które uzupełniają badania epidemiologiczne, które nie we wszystkich przypadkach nie są w stanie kontrolować siły uderzenia lub dopasowania kasku.

W naszej pracy opracowaliśmy nowatorską metodę monitorowania względnych ruchów między głową a kaskiem podczas uderzenia. Możliwość monitorowania, czy kask porusza się na głowie, może dostarczyć cennych informacji zarówno na temat stabilności kasku, jak i narażenia niechronionej głowy na urazy podczas uderzenia. W badaniu dotyczącym dopasowania kasku, stabilność kasku i ekspozycja głowy są szczególnie cenne w ocenie wydajności kasku. W przeciwieństwie do prac powiązanych, testowane będą również różne scenariusze uderzenia i dopasowania, kładące nacisk na różne ułożenie kasku.

Obecnie prawidłowe dopasowanie kasku jest subiektywne i niekonkretnie określone. Ogólnie rzecz biorąc, dobre dopasowanie kasku charakteryzuje się stabilnością i pozycją. Kask powinien być odporny na przesuwanie się po zamocowaniu na głowie i powinien być umieszczony tak, aby brwi nie były zakryte, a czoło nie było nadmiernie odsłonięte. Co więcej, przestrzeń o szerokości około jednego palca powinna zmieścić się między podbródkiem a paskiem podbródkowym3. Miary ilościowego dopasowania kasku nie są szeroko rozpowszechnione; Oprócz siły, metody mogą porównywać dopasowanie kasku na podstawie porównania geometrii głowy i kasku. Jedną z takich metod jest Helmet Fit Index zaproponowany przez Ellenę i wsp.10. Proponowana przez nas metoda ilościowego określania dopasowania kasku, czujniki siły dopasowania, tworzy obiektywny sposób porównywania różnych scenariuszy dopasowania kasku w postaci średniej i odchylenia standardowego sił wywieranych na głowę. Te wartości siły dopasowania reprezentują szczelność kasku, a także zmienność ucisku odczuwanego na głowie. Czujniki te zapewniają ilościowe porównanie sił, które można wykonać w różnych scenariuszach dopasowania. Bezpieczny, ciasno dopasowany kask wykazywałby większe siły, podczas gdy luźny kask wykazywałby mniejsze siły. Ta metoda pomiaru siły dopasowania jest podobna do Average Fit Index zaproponowanego przez Jadischke5. Jednak metody Jadischkego wykorzystują folię wrażliwą na nacisk. Prezentowane przez nas czujniki optyczne pozwalają na dyskretny pomiar siły dopasowania w okolicach głowy lub kasku.

Dla certyfikacji hełmów, kask jest mocowany na oprzyrządowanym modelu głowy, który następnie jest podnoszony do określonej wysokości w celu upuszczenia. Głowa i kask są następnie poddawane swobodnemu upadkowi na kowadło podczas rejestrowania przyspieszeń liniowych. Chociaż nie jest to zwykle używane w standardach branży kasków, w tej pracy użyto zespołu głowy (modelu głowy) i szyi Hybrid III, z kierowaną wieżą zrzutową do symulacji uderzeń. W przeciwieństwie do standardów, które zwykle wykorzystują kinematykę liniową, matryca akcelerometru modelu głowy pozwala również na określenie kinematyki rotacyjnej, kluczowego parametru w przewidywaniu prawdopodobieństwa rozlanych urazów mózgu, w tym wstrząśnienia mózgu11. Poprzez pomiar zarówno przyspieszenia liniowego, jak i przyspieszenia i prędkości obrotowej, można oszacować ciężkie ogniskowe i rozlane urazy głowy, porównując kinematykę z kilkoma metodami oceny urazów opartymi na kinematyce w literaturze12,13. Chociaż model głowy został pierwotnie opracowany do samochodowych testów zderzeniowych, jego zastosowanie w ocenie kasku i szacowaniu ryzyka obrażeń głowy podczas zderzenia z kaskiem jest dobrze udokumentowane2,14. Konfiguracja do symulacji uderzeń obejmuje również ogniwo obciążnikowe górnej części szyi, co pozwala na pomiar sił i momentów związanych z urazem szyi. Ryzyko urazów szyi można następnie oszacować, porównując kinetykę szyi z danymi oceny urazów samochodowych z danych o urazach samochodowych12,13.

Zaproponowano również metodę śledzenia ruchu kasku względem głowy podczas uderzenia z dużą prędkością wideo. Obecnie nie istnieją metody ilościowe do oceny stabilności kasku podczas uderzenia. Norma dotycząca kasków rowerowych Komisji ds. Bezpieczeństwa Produktów Konsumenckich (CPSC)15 wzywa do przeprowadzenia testu stabilności pozycyjnej, ale nie jest reprezentatywna dla uderzenia. Co więcej, to, czy kask spadnie z modelu głowy, czy nie, jest jedynym wynikiem mierzonym w teście. Niezależnie od narażenia głowy na uraz, kask może zdać egzamin tak długo, jak długo pozostaje na modelu głowy podczas testów. Proponowana metoda śledzenia ruchu kasku jest podobna do Helmet Position Index (HPI)15 i mierzy odległość między rondem kasku a czołem. To przemieszczenie głowy kasku jest śledzone za pomocą materiału wideo z dużą prędkością podczas uderzenia w celu uzyskania odwzorowania stabilności kasku i ekspozycji głowy podczas uderzenia. Korzystając z metod Direct Linear Transform (DLT)16 i Single Value Decomposition (SVD)17, znaczniki są śledzone z dwóch kamer w celu określenia lokalizacji punktów w przestrzeni trójwymiarowej, a następnie względnego przemieszczenia między hełmem a głową.

Badane jest kilka parametrów dotkliwości uderzenia i dopasowania. Scenariusze uderzenia obejmują dwie prędkości uderzenia, dwie uderzające powierzchnie kowadełka oraz uderzenia w tułów i głowę. Oprócz typowej płaskiej powierzchni kowadła, symulowane jest również uderzenie kowadła pod kątem w celu wywołania składowej siły stukłej. Uderzenie najpierw w tułów, w przeciwieństwie do uderzenia głową, jest dołączone do symulacji scenariusza, w którym ramię jeźdźca uderza o ziemię przed głową, podobnie jak w poprzednim work18. Na koniec badane są te cztery scenariusze dopasowania kasku: regularne dopasowanie, dopasowanie oversize, dopasowanie do przodu i dopasowanie do tyłu. W przeciwieństwie do poprzednich prac, badanym parametrem jest ułożenie kasku na głowie, podobnie jak dopasowanie kasku i rozmiar kasku.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Układ scenariuszy dopasowania kasku

  1. Zdefiniowanie scenariuszy dopasowania, które mają być badane na antropometrycznym urządzeniu testowym głowa i szyja (mężczyzna Hybrid III 50. centyl) o obwodzie głowy 575 mm.
    UWAGA: Przykład czterech scenariuszy dopasowania jest pokazany w tabeli 1 z pozycjami kasku odpowiadającymi Rysunek 1. Scenariusze dopasowania do przodu i do tyłu oparto na definicjach prawidłowego używania kasku z poprzednich badań epidemiologicznych, które określały prawidłową pozycję kasku jako niezakrywanie brwi lub odsłanianie czoła3.
  2. Dla każdego scenariusza zaznacz każdą pozycję kasku na modelu głowy, aby upewnić się, że scenariusz dopasowania kasku jest konsekwentnie powtarzany.
  3. Używaj kasku z certyfikatem CPSC, dostępnego w rozmiarach uniwersalnych i bardzo dużych, do wszystkich scenariuszy dopasowania.
    UWAGA: Zgodnie z instrukcją dopasowania dostarczoną przez producenta, uniwersalny rozmiar najlepiej pasuje do obwodu modelu głowy.
    1. Dla każdego scenariusza dopasowania zachowaj spójność innych parametrów dopasowania. W szczególności zaciśnij pasek podbródkowy, aby pozostawić przestrzeń pod brodą na szerokość około jednego palca i ręcznie dokręć regulowane pokrętło, aby zachować bezpieczne dopasowanie.

2. Pomiar siły dopasowania

  1. Umieść pięć czujników dopasowania na skórze modelu głowy, umieszczonych z przodu, z tyłu, po lewej, prawej i u góry (Rysunek 2).
    UWAGA: Czujniki są zmodyfikowaną wersją przetworników siły siatki Bragga opracowanych w ramach grupy badawczej19,20,21,22, zoptymalizowane do pomiaru sił dopasowania w zakresie od 0 do 50 N. Zmodyfikowane czujniki mają grubość i średnicę odpowiednio 2,6 mm i 14 mm.
  2. Wykonaj pomiar referencyjny za pomocą przetworników na modelu głowy bez hełmu bez obciążenia. Wykonaj ten pomiar referencyjny przed każdym pomiarem siły dopasowania.
  3. Umieść kask na modelu głowy i mierz dane dotyczące siły przez 3 sekundy z częstotliwością 2.5 kHz. Powtórz ten sam scenariusz dopasowania sześć razy dla powtarzających się pomiarów.
  4. Powtórz tę samą procedurę pomiarową dla wszystkich scenariuszy dopasowania.
  5. Przekształć dane o przesunięciu długości fali na pomiary siły, mnożąc zmierzone długości fal z przetwornika przez wstępnie ustaloną stałą kalibracji dla przetwornika siły dopasowania.

3. Wieża zrzutowa do symulacji zderzeń

  1. Symuluj uderzenie w głowę w hełmie, liniowo prowadząc model głowy, aby uderzył w powierzchnię uderzenia19,23. Sprzęt wymagany do tego jest zależny od kontekstu, jak opisano poniżej.
    1. Zamontuj wieżę zrzutową tak, aby składała się z regulowanego gimbala, głowicy i szyi antropometrycznego urządzenia testowego oraz zmiennej powierzchni uderzenia.
      UWAGA: Całkowita masa zespołu upuszczonego wynosi około 11 kg. Dodatkowa masa gimbala uwzględnia wykluczenie całego ludzkiego ciała jako efektywnej masy tułowia, aby lepiej symulować realistyczne uderzenie24.
    2. Ułóż 9 jednoosiowych akcelerometrów w konfiguracji 3-2-2-2 w modelu głowy, aby umożliwić określenie przyspieszeń liniowych i kątowych modelu głowy w środku ciężkości25.
    3. Zorganizuj specjalnie zbudowaną bramkę prędkości na wieży uderzeniowej, aby zmierzyć prędkość uderzenia bezpośrednio przed uderzeniem.
  2. Zbieraj dane o przyspieszeniu głowy i sile/momencie szyi za pomocą systemu akwizycji danych. Filtruj napięcia analogowe, próbkowane z częstotliwością 100 kHz dla wszystkich kanałów. Przed systemem akwizycji danych należy dołączyć sprzętowy filtr dolnoprzepustowy antyaliasingowy o częstotliwości narożnej 4 kHz26.
  3. Ułóż scenariusz wpływu.
    1. W przypadku wszystkich uderzeń zdejmij wizjer kasku, aby zapewnić lepszą widoczność podczas śledzenia ruchu. Zakłada się, że wpływ wizjera podczas uderzenia jest znikomy ze względu na jego luźne mocowanie.
    2. Ułóż wszystkie krople tak, aby uderzyły w czoło. Jest to częste miejsce wpływu w cycling27, chociaż inne scenariusze mogą być również symulowane.
    3. Symuluj sześć różnych scenariuszy zderzenia, zmieniając prędkość uderzenia, powierzchnię uderzenia oraz uderzenia głową lub tułowiem, zgodnie z tabelą 2.
    4. Podnieś model głowy na odpowiednią wysokość, odpowiadającą określonym prędkościom uderzenia. Upuść model głowy z odpowiedniej wysokości, zwykle 0,82 m i 1,83 m, aby osiągnąć prędkość odpowiednio 4 m/s i 6 m/s.
      UWAGA: W razie potrzeby zwiększ wysokość, aby przezwyciężyć straty tarcia. Dwie prędkości uderzenia 4 m/s i 6 m/s można wybrać na podstawie wcześniejszej literatury i standardów28.
    5. Ułóż powierzchnię uderzenia.
      1. Ułóż kowadło płaskie lub ustawione pod kątem 45° (Rysunek 4). Płaskie kowadło symuluje upadki na płaską powierzchnię, podczas gdy kowadło kątowe symuluje uderzenia ze styczną składową prędkości.
      2. Pokryj obie powierzchnie kowadeł taśmą ścierną, aby zasymulować powierzchnię asfaltową. W razie potrzeby wyreguluj pozycję kowadła między uderzeniami, aby upewnić się, że uderzony kask styka się tylko z płaską powierzchnią kowadła.
  4. Ustaw wieżę zrzutową tak, aby uderzała głową w dół lub w tułów. Symuluj zarówno uderzenia głową, jak i tułowiem, przy czym uderzenia tułowia są podobne do połączonej konfiguracji uderzenia obciążenia przedstawionej w Smith i wsp. 18
    1. Aby zasymulować uderzenie głową, nie reguluj wieży zrzutowej.
    2. Aby zasymulować tułów uderzający o ziemię przed głową, umieść drewniany klocek na ścieżce gimbala. Umieść ten drewniany klocek na takiej wysokości, aby głowa była oddalona o około 25 mm od uderzenia w kowadło przy uderzeniu w tułów. Głowa będzie wtedy nadal uderzać w kowadło tylko za pomocą zgięcia szyi.
    3. Dołącz warstwę pianki, aby zminimalizować wibracje z wieży zrzutowej (Rysunek 5).
    4. W przeciwieństwie do uderzeń głową, dostosuj kąt szyi w przypadku uderzeń w tułów.
      UWAGA: Ta regulacja kąta szyi pozwala głowie uderzać w kowadło na czole po zgięciu, dzięki czemu miejsce uderzenia jest porównywalne z przypadkiem uderzenia głową do przodu (Rysunek 6). Oprócz uderzeń w czoło, ten scenariusz z pewnością miałby również znaczenie w przypadku zderzeń bocznych. Zarówno w przypadku uderzeń głową, jak i tułowiem, ten system gimbala pozwala na ruch głowy i szyi wzdłuż toru po uderzeniu.
  5. Uruchomić jednocześnie system akwizycji danych, kamery o dużej prędkości (patrz rozdział 4) i opadanie modelu głowy. Powtórz tę samą konfigurację scenariusza uderzenia i dopasowania 3 razy z nowymi kaskami za każdym razem.
    UWAGA: Szybkie kamery będą musiały być zainstalowane równolegle z wieżą zrzutową, szczegółowo opisaną w sekcji 4.
  6. Porównaj każdy z czterech scenariuszy dopasowania do każdego z 6 różnych scenariuszy oddziaływania. Wykonaj łącznie 72 krople po 3 próbach każdej konfiguracji.
  7. Przetwarzanie końcowe danych kinematycznych i kinetycznych modelu głowy.
      Filtruj sygnały analogowe pod kątem przyspieszenia i siły/momentu, a następnie użyj filtra Butterwortha 4 rzędu w przetwarzaniu końcowym, aby spełnić sugerowane przez branżę praktyki26.
    1. Przyspieszenie głowicy filtra i siły szyjki zgodnie z klasą częstotliwości kanału (CFC) 1000. Filtruj momenty szyjki zgodnie z CFC 600.

4. Przechwytywanie ruchu za pomocą systemu dwóch kamer o dużej szybkości

UWAGA: Rejestrowanie pozycji znaczników z dwóch szybkich kamer pozwala na określenie trójwymiarowych pozycji znaczników za pomocą metody DLT16 w post-processingu. Aby określić przemieszczenia głowy kasku, należy umieścić znaczniki śladów zarówno na modelu głowy, jak i na kasku podczas uderzenia.

  1. Ustaw szybkie kamery wokół wieży zrzutowej.
    1. Umieść dwie szybkie kamery wokół wieży zrzutowej, aby uchwycić zsynchronizowane obrazy ruchu kasku i modelu głowy podczas uderzenia.
      1. Umieść kamerę główną z boku wieży zrzutowej i umieść kamerę podrzędną pod kątem około 45° od kamery głównej (Rysunek 7). Ustaw światło o mocy 250 W między aparatami, aby zapewnić wystarczającą ekspozycję.
  2. Konfiguracja kamer o dużej szybkości.
    1. Każdy aparat można wyposażyć w obiektyw makro 50 mm f/1.4 lub 100 mm f/2.0, w zależności od wymaganego pola widzenia. Ustaw przysłony w obiektywach na f/8.0.
      UWAGA: Ta przysłona pozwala na wystarczająco ostre ustawienie ostrości w żądanej głębi ostrości. Wymagane pole widzenia wahało się od 30 do 60 cm, w zależności od scenariusza zderzenia.
    2. Skonfiguruj obie kamery tak, aby nagrywały w rozdzielczości 1280 x 800 pikseli z szybkością 1000 klatek na sekundę lub większą. Tym samym maksymalny czas naświetlania na klatkę wyniesie 600 μs.
    3. Zsynchronizuj obie kamery w ramkach i zegarze wewnętrznym. Skonfiguruj wyzwalacz tak, aby obie kamery wyzwalały się jednocześnie.
  3. Skalibruj przestrzeń, wykonując nieruchomy obraz klatki kalibracyjnej z każdej kamery.
    UWAGA: W przypadku metody bezpośredniej transformacji liniowej (DLT) przestrzeń musi być wstępnie skalibrowana.
    1. Przenieś klatkę kalibracyjną z 17 znanymi lokalizacjami punktów kalibracji w pole widzenia obu kamer i zrób pojedynczy obraz z każdej kamery. Z obu kamer musi być widocznych co najmniej 11 wspólnych punktów.
    2. Znajdź dwuwymiarowe współrzędne każdego znacznika za pomocą oprogramowania śledzącego.
      UWAGA: Współrzędnościowa maszyna pomiarowa (CMM) określa lokalizacje punktowe klatki kalibracyjnej przed kalibracją DLT.
    3. Korzystając z serii obliczeń wykonanych za pomocą współrzędnych znaczników kalibracyjnych (znanych jako DLT)16, przekształć dowolne dwuwymiarowe lokalizacje znaczników we współrzędne trójwymiarowe względem układu współrzędnych klatki kalibracyjnej w przetwarzaniu końcowym.
  4. Aby określić ilościowo przemieszczenie kasku, śledź odległość między punktem na czole modelu głowy a rondem kasku za pomocą oprogramowania śledzącego.
    UWAGA: Ponieważ te punkty nie są widoczne z obu kamer, zamiast tego śledź zestaw trzech widocznych znaczników na każdym z nich: modelu głowy i kasku. Punkty na czole i kasku mogą być następnie śledzone pośrednio.
  5. Umieść znaczniki śledzenia ruchu na modelu głowy i zrób nieruchomy obraz referencyjny modelu głowy z każdej kamery.
    1. W przypadku tej metody pośredniego śledzenia znaczników należy wykonać zdjęcie referencyjne modelu głowy za pomocą każdej kamery. Upewnij się, że ten obraz referencyjny składa się z trzech znaczników i znacznika odniesienia zdefiniowanego na głowicy.
    2. Zmaksymalizuj odległość między znacznikami, korzystając z trzech lokalizacji punktów odniesienia, pozostając w polu widzenia obu kamer.
      UWAGA: Maksymalizacja odległości pozwala na uzyskanie lepszej dokładności poprzez zmniejszenie wrażliwości pośredniego śledzenia znacznika na błędy śledzenia. Trzy markery pozwalają na trójwymiarową rekonstrukcję ruchu w postprocessingu, a także na oszacowanie położenia czoła.
    3. Przytrzymaj znacznik odniesienia między oczami w dolnej części czoła, a pozostałe markery rozmieszczone w poprzek modelu głowy. Upewnij się, że te trzy pozostałe znaczniki są widoczne z obu kamer podczas uderzenia (Rysunek 8).
  6. Umieść znaczniki śledzenia ruchu na kasku i wykonaj zdjęcia referencyjne kasku z każdej kamery, zgodnie z opisem dla odniesienia do modelu głowy (sekcja 4.5).
    1. Upewnij się, że odniesienie składa się z wyświetlenia co najmniej czterech znaczników śledzenia ruchu. Przytrzymaj jeden znacznik na spodzie ronda kasku jako odniesienie i rozłóż pozostałe trzy znaczniki na kasku. Upewnij się, że te trzy znaczniki są widoczne z obu kamer przez cały czas trwania zderzenia. Zrób pojedynczy obraz z każdej kamery jako odniesienie do kasku (Rysunek 9).
  7. Uruchomić jednocześnie system akwizycji danych, kamery o dużej prędkości i upuszczenie modelu głowy, jak opisano w rozdziale 3.
    UWAGA: Wieża zrzutowa będzie musiała być skonfigurowana równolegle z szybkimi kamerami. Po wykonaniu zdjęć referencyjnych można wykonać zrzut.
    1. Ułóż scenariusz dopasowania kasku. Nagraj spadek. Sygnalizuj wyzwolenie kamer ręcznie po uderzeniu. Ułóż nagrywanie tak, aby 3 s było nagrywane przed wyzwoleniem i 8 s po wyzwoleniu. Ręcznie przejrzyj i weź w nawias zsynchronizowane obrazy z kamery, aby uwzględnić tylko wpływ.

5. Śledzenie znaczników na hełmie głowy i przetwarzanie końcowe

  1. Śledź znaczniki na głowie i kasku podczas uderzenia, korzystając z oprogramowania przeznaczonego do kamery.
    1. Śledź sześć punktów na spadek: trzy zarówno na kasku, jak i na modelu głowy (Rysunek 10). Za pomocą oprogramowania określ przejściowe dwuwymiarowe współrzędne pikseli każdego znacznika.
  2. Użyj metody DLT, aby obliczyć trójwymiarowe współrzędne śledzonych znaczników podczas zrzutu.
    UWAGA: Dzięki danym kalibracyjnym z klatki kalibracyjnej i danym o upuszczeniu z dwóch kamer, metoda DLT może określić trójwymiarowe współrzędne śledzonych znaczników podczas upuszczania.
  3. Użyj metody SVD (dekompozycja wartości osobliwych)17, aby obliczyć współrzędne wymiarowe 3D czoła i ronda hełmu w kształcie głowy. Różnica między tymi dwoma punktami polega na przemieszczeniu głowy kasku.
    1. Użyj metody SVD, aby oszacować położenie punktu odniesienia na każdym kształcie głowy, czole i rondzie kasku na podstawie śledzonych znaczników.
    2. Użyj metody SVD, aby znaleźć macierz transformacji trzech znaczników między ramką odniesienia a każdą pojedynczą klatką kropli. Ta transformacja może być zastosowana do znalezienia lokalizacji czoła lub ronda hełmu.
  4. Wykonaj to pośrednie śledzenie zarówno na kasku, jak i na modelu głowy. Następnie można monitorować przemieszczenie między czołem a rondem hełmu (Rysunek 11).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Pomiar siły dopasowania
Dla każdego scenariusza dopasowania pomiar siły dopasowania przeprowadzono w każdym miejscu rozmieszczenia czujnika (Rysunek 12), a w celu określenia istotności (p < 0,05) wykonano test t przy założeniu nierówności wariancji. Średnie odchylenie standardowe dla wszystkich pomiarów wyniosło ± 0,14 N. Wyższe siły dopasowania wskazują na ściślejsze dopasowanie.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W tym miejscu przedstawiono metody badania dopasowania kasku w symulowanych uderzeniach głową w kasku. Dopasowanie kasku określono ilościowo za pomocą czujników siły dopasowania, uderzenia symulowano za pomocą modelu głowy i szyi ATD na kierowanej wieży zrzutowej, a ruch kasku śledzono za pomocą szybkiego wideo. W ramach różnych scenariuszy dopasowania przeprowadzono symulacje różnych scenariuszy zderzenia, aby zbadać wpływ dopasowania kasku na pomiary biomechaniczne.

Czujniki dopasowania kask...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają żadnych konfliktów do ujawnienia i nie czerpią korzyści finansowych z publikacji tej pracy.

Podziękowania

Z wdzięcznością dziękujemy za dofinansowanie od Rady ds. Badań nad Naukami Przyrodniczymi i Inżynierią (NSERC) Kanady (Discovery Grants 435921), Pashby Sport Safety Fund (2016: RES0028760), Banting Research Foundation (Discovery Award 31214), NBEC Inc. (Kanada) oraz Wydziału Inżynierii i Wydziału Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Alberty.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Hybrid III HeadformHumanetics lub Jasti-UtamaN/A50th Percentyl ATD, do symulacji uderzenia
Hybrid IIINeck Humanetics lub Jasti-UtamaN/A50th Percentyl ATD, do symulacji uderzenia
Akcelerometry linioweSpecjalności pomiarowe64C-2000-360do pomiaru przyspieszenia głowy
Czujnik mg Upper NeckCellSensor N6ALB11Ado pomiaru obciążenia szyi
Szybka kameraVision ResearchV611do przechwytywania ruchu
Obiektyw kameryCarl ZeissN/A50 mm f1/.4, do przechwytywania ruchu
Obiektywaparatu Carl ZeissN/A100 mm f/2.0, do przechwytywania ruchu
Kask rowerowyBellN/A
System Akwizycji Danych PrzyrządyPXI 6251do akwizycji sygnału Hybrid III
Head Impact Drop TowerUniversity of AlbertaN/ASpecjalnie zaprojektowane, do symulacji uderzeń
Interrogator optycznySmart Fibres Ltd.N/ASmartScan, do pomiaru siły czujnika optycznego
Czujnik siły dopasowaniaUniversity of AlbertaN/ASpecjalnie zaprojektowany, do pomiaru sił dopasowania kasku
Traverse National

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Stabilność dopasowania kaskusymulacja uderzenia w głowęantropometryczne urządzenie testowekamery wysokich prędkościprzyspieszenie modelu głowymoment siły działającej na szyjępomiar stabilności kaskubiomechaniczne mierniki urazówkalibracja prędkości uderzeniatesty z wykorzystaniem wieży zrzutowej
Stanowisko testowe do badania dopasowania i utrzymania kasku oraz biomechanicznych pomiarów obrażeń głowy i szyi w symulowanym zderzeniu
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.