Name: Łagodzenie uderzeń we współczesnych kaskach piłkarskich: postępy i ograniczenia konstrukcji dostosowanych do pozycji (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2026-01-13T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 36 s
Description: Poznaj metodologię oceny skuteczności kasków piłkarskich w łagodzeniu przyspieszeń translacyjnych i rotacyjnych głowy. Badanie wykorzystuje montaż głowy Hybrid III do testów uderzeniowych w różnych lokalizacjach.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Wsparcie dla tych prac było częściowo zapewnione przez Ohio Bureau of Workers' Compensation, Projekt # WSIC25-240315-028.

Materiały eksploatacyjne i używany sprzęt są wymienione w Tabeli Materiałów.
1. Przegląd zbierania danych
W tym przypadku wykorzystano cztery różne modele kasków od dwóch producentów. Wśród nich była edycja SpeedFlex 2022 (Riddell, Rosemont, IL), oznaczona jako H1; Zero 2 (Vicis, Seattle, WA), oznaczany jako H2; Zero 2 Trench (Vicis, Seattle, WA), oznaczany jako H2T, przeznaczony dla zawodników linii ofensywnej i defensywnej; oraz Zero 2 Quarterback (Vicis, Seattle, WA), oznaczany jako H2Q, zaprojektowany dla rozgrywających, choć należy zauważyć, że różnice między H2 a H2Q nie były oczywiste. Dla każdego modelu hełmu testowano trzy oddzielne hełmy, co dało łącznie 12 hełmów.
Obecne badanie zastosowało podstawową procedurę opracowaną przez Cummiskeya i in.34,44 oraz McIver i in.35. Zgodnie z wcześniejszymi badaniami, do ilościowego określenia sił i przyspieszeń wynikających z bezpośrednich uderzeń w nagą głowę oraz każdy z trzech hełmów każdego testowanego modelu użyto testowego zestawu Hybrid III o 50. percentylu. Redukcja ryzyka uderzenia, jak zdefiniowana tutaj, była po prostu miarą zmniejszenia przyspieszenia spowodowanego obecnością hełmu.
2. Szczegółowy proces zbierania danych
Po upewnieniu się, że DAQ i komputer uruchamiający kod LabView są prawidłowo podłączone do zasilania, wszystkie czujniki zostały podłączone do DAQ.
3. Inicjalizacja oprogramowania
Niestandardowy program LabView, nazwany "Hammer_Time_2017.vi", został dwukrotnie kliknięty, aby rozpocząć zbieranie danych. Następnie wprowadzano podstawowe dane do odpowiednich pól, w tym ścieżkę do końcowego pliku danych, liczbę trafień na plik (zazwyczaj pięć), liczbę plików na miejsce (zazwyczaj cztery) oraz profil głowy. Po wprowadzeniu danych kod LabView był inicjowany przez naciśnięcie Uruchom.
Jako wstępną ocenę całego systemu, młotek impulsowy użył uderzenia w przód, górę i bok, aby potwierdzić, że młotek i wszystkie dziewięć akcelerometrów skutecznie zbierają dane.
4. Realizacja efektu
Podczas każdego uderzenia mierzono przyspieszenia w środku masy (CoM) za pomocą dziewięcioakcelerometrycznej matrycy w ustawieniu 3-2-2-2, zgodnie z definicją Padgaonkara i in. 45. Dla każdego normalnego i skośnego uderzenia zebrano szereg czasowy o długości 200 ms z 70 ms przed wyzwalaniem, co zapewniło 130 ms pomiarów przyspieszenia i siły uderzenia, a wszystkie sygnały zebrano w częstotliwości 5120 Hz.
5. Rodzaje uderzeń
Oceniono czternaście typów uderzeń (Rysunek 1) dla wszystkich przypadków testowych (nagi kształt głowy i każdy model hełmu), reprezentujących dwa kąty napadania (normalny i skośny) w każdym z siedmiu miejsc uderzenia (Przedni, Przedni Boss, Boczny, Tylny, Górny oraz wycięcie SpeedFlex). Normalne uderzenia odbywały się prostopadle do powierzchni, a uderzenia skośne pod kątem około 45° względem normalnego kierunku. Te typy uderzeń są oznaczane dalej: (1) Front-Normal, (2) Front-Oblique, (3) Front Boss-Normal, (4) Front Boss-Oblique, (5) Side-Normal, (6) Side-Oblique, (7) Rear Boss-Normal, (8) Rear Boss-Oblique, (9) Retyl-Normal, (10) Tyl-Oblique, (11) Top-Normal, (12) Top-Oblique, a w miejscu SpeedFlex Cut Out zarówno (13) Cut Out-Normal, jak i (14) Cut Out -Slightly (Rysunek 1). Aby uprościć dyskusję o specyficznych dla pozycji charakterystykach łagodzenia uderzeń, zdefiniowano również dwa obszary zagregowane: Frontal Aspect hełmu obejmował typy uderzeń 1, 2, 3, 4, 13 i 14; a tylna część hełmu składała się z typów uderzeniowych 7, 8, 9 i 10.
Uderzenia najpierw przeprowadzano na formie nagłej głowicy za pomocą modalnie strojonego młotka impulsowego (PCB Piezotronics, Inc.; Depew, NY), jak opisują Cummiskey i in.34,44, aby zarejestrować siłę przyłożoną podczas uderzenia.
Przy każdym trafieniu uderzenie młotka impulsowego wywoływało okno namierzenia 200 ms. Po wizualnej inspekcji danych, aby upewnić się, że nie ma błędów w nagrywaniu, naciskano przycisk Zapisu, aby zapisać dane do pliku. Z powodu brutalności eksperymentów większość błędów zapisowych wynika z luźnych przewodów, zerwanego kabla młotka lub zerwanych przewodów akcelerometru. Dla pięciu trafień na plik oraz czterech plików na lokalizację, w każdym miejscu zarejestrowano łącznie dwadzieścia uderzeń na poziomach 1 (2-4 Ns), 2 (5-7 Ns), 3 (8-10 Ns), 4 (11-13 Ns), 5 (> 14 Ns), z trzema powtórzeniami.
Po zakupie zestawu referencyjnego do nagich kształtów głowy, trzy egzemplarze każdego hełmu były seryjnie dopasowywane do formy głowy, zgodnie ze specyfikacjami producenta. Wszystkie 14 typów uderzeniowych dostarczono do każdego z trzech hełmów (rysunek 2). Te procedury zaowocowały zebraniem łącznie 840 punktów danych dla każdego modelu hełmu. Należy zauważyć, że do zebrania ostatniego, największego uderzenia młotkiem w każdym miejscu użyto kamery o dużej prędkości, aby udokumentować uderzenie z częstotliwością 959 Hz (Rysunek 3).
6. Post-processing
Niniejsze badanie koncentruje się na dwóch ważnych parametrach wyjściowych wynikających z uderzeń w formę głowicy Hybrid III: szczytowych przyspieszeniach translacyjnych i szczytowych przyspieszeniach rotacyjnych, odpowiednio p i <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq1.jpg" style="margin: 0px;" />, . Dla celów porównawczych parametry te zostały przekształcone w formę bezwymiarową, , oraz <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq3.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" />, odpowiednio, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq2.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" />jak opisali Cummiskey i in.34, 
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq4.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" />     (1) 
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq5.jpg" style="margin: 0px;" />    (2)
gdzie t* to różnica między czasem odniesienia (100 ms) a czasem uderzenia mierzonym przez młotek impulsowy, a wn to szerokość gryfu. Impuls przekazywany do formy głowy (nagiej lub w hełmie) był również przekształcany w bezwymiarową zmienną wejściową, <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq6.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" />, i dany przez,
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq7.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" />    (3)
gdzie mh to masa kształtu głowy, a F(t) to siła uderzenia w funkcji czasu, zintegrowana na cały czas trwania uderzenia.
Ścieżki przyspieszenia były zbierane i przetwarzane za pomocą niestandardowego programu MATLAB. Po zebraniu wszystkie ścieżki były przepuszczane przez dolnoprzepustowy filtr Butterwortha czwartego rzędu (odcięcie 750 Hz), aby zmniejszyć szum. Następnie do obliczenia powstałego przyspieszenia translacyjnego i rotacyjnego przy CoM44,45 wykorzystano równania kinematyczne. Wartości te były wydawane jako wielkości bezwymiarowe, aby ocenić odpowiedź formy głowicy34. Szczytowe przyspieszenie translacyjne (PTA) oraz szczytowe przyspieszenie rotacyjne (PRA) zostały wygenerowane jako śladowe dane dla każdego zarejestrowanego uderzenia.
7. Analiza statystyczna
Obecne badanie również śledziło proces redukcji danych i analizy statystycznej opracowany wcześniej34,35. Krótko mówiąc, zarówno <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq2.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px; margin: 0px;" />, jak i <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq3.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px; margin: 0px;" />, wykazano, że są powiązane z bezwymiarowym impulsem, <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq6.jpg" style="font-size: 14px; opacity: 0.9; margin: 0px;" />, przez relację prawa potęgowego46. Dla przyspieszenia translacyjnego model ten ma postać,
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq8.jpg" style="margin: 0px;" />    (4)
Podobne podejście zastosowano do modelowania bezwymiarowego przyspieszenia obrotowego. Następnie zastosowano zmodyfikowaną wersję metody Grubba do usunięcia wartości odstających, a ostateczne dopasowanie krzywej uzyskano34. Do badania różnic między współczynnikami regresji dla każdego hełmu użyto testu ANCOVA z poziomem α 0,05, z testem post-hoc Tukeya i korektą wartości pHolm-Sidak 34,47.
Końcowe pośrednie krzywe asymptotyczne wygenerowane w tym procesie zostały wykorzystane do określenia łagodzenia skutków uderzenia dla każdego hełmu. Po obliczeniu powierzchni pod każdą krzywą przy użyciu łącznie 100 równomiernie rozmieszczonych wartości obejmujących odległość między minimalną a maksymalną wartością dla <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq6.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px; margin: 0px;" />, możliwe było określenie skuteczności hełmu w każdym miejscu (Rysunek 4),
<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq9.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" />    (5)
Proces ten powtarzano dla szczytowych przyspieszeń obrotowych. Przy maksymalnej wartości jeden (co oznacza 100% tłumienia), im wyższe tłumienie uderzenia, tym lepiej radził sobie hełm. Zmiana łagodzenia o 0,05 została użyta jako wartość progowa, reprezentująca fizycznie istotny rozmiar efektu. Taki wzrost odpowiada 5% maksymalnego możliwego ograniczenia i w przybliżeniu wyeliminowałby skutki 25-50 uderzeń w głowę dla typowego sportowca biorącego udział w całym sezonie kontaktu oraz zgromadził typową liczbę 500-1000 uderzeń w głowę 1,12.

Autorzy potwierdzają, że nie mają konfliktu interesów związanych z tym badaniem.

Podczas gdy najnowsza generacja kasków złagodziła 64%-87% przyspieszeń translacyjnych oraz 44%-88% przyspieszeń obrotowych, tylna strona współczesnych kasków futbolowych nadal wykazuje ogólnie słabą odporność na uderzenia, zwłaszcza w przypadku typu uderzenia 9. Ponadto, choć nowszy H1 generalnie nie osiągał lepszych wyników niż SpeedFlex 18 według tego protokołu testowego, nowsze kaski Vicis wykazały ogólną poprawę, a rotacyjne ograniczenie uderzeń z tyłu kasku po raz pierwszy przekroczyło 50%.
Co jednak kluczowe, utrzymująca się rozbieżność w wynikach łagodzenia uderzeń między aspektem frontalnym a tylnym hełmu powinna być uznana za eliminację stosowania jednego wskaźnika do określania jakości danego hełmu 34,35,48,49,50. H2T, który dobrze radził sobie w łagodzeniu przyspieszeń translacyjnych, ale słabo w ograniczaniu przyspieszeń obrotowych, stanowi wyraźną ilustrację pułapki stosowania pojedynczej metryki dla tak złożonego profilu behawioralnego. Historycznie nowoczesne kaski futbolowe skutecznie ograniczały przyspieszenia translacyjne, ale znacznie bardziej zmienne osiągi przy uwzględnieniu przyspieszeń obrotowych34,35 (Rysunek 5).
Należy również zauważyć, że cele projektowe hełmów specyficznych dla pozycji nie wydają się być spełniane przez obecną wersję hełmów. W przypadku hełmów specyficznych dla pozycji ważne jest rozróżnienie przyspieszeń translacyjnych, które przez wiele lat były jedynym trybem testowym wymaganym przez NOCSAE, a przyspieszeniami rotacyjnymi, które często uważane są za najbardziej istotne dla rozwoju urazów mózgu 36,37,38,39,40,41. Jedną z zalet zastosowanej tutaj metodologii jest to, że przyspieszenia translacyjne i rotacyjne są charakteryzowane, normalizowane i bezwymiarowe osobno, co umożliwia uwzględnienie zarówno w ogólnej ocenie, jak i projektowaniu właściwości hełmów. Kolejną zaletą jest wykorzystanie uderzeń z nagą głową do normalizacji zbioru danych, skutecznie eliminując różnice w sztywności szyi, które można zaobserwować z powodu asymetrii w strukturze szyjki Hybrid III, oraz zapewniając proste translacyjne i rotacyjne łagodzenie od zera do jednego w każdym miejscu. Analiza ta jest wykonalna dzięki jednoczesnej integracji młotka impulsowego do pomiaru siły w funkcji czasu dostarczanego do formy głowicy oraz macierze akcelerometrów do pomiaru powstałych przyspieszeń.
Chociaż podjęto wiele wysiłków, aby scharakteryzować przyspieszenia głowy podczas treningów i meczów na różnych poziomach gry 21,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62 , wielkość sił powstających podczas uderzeń głowy nie została scharakteryzowana in situ. Aby oszacować szczytowe siły kontaktowe doświadczane w futbolu, zauważono, że zawodnicy futbolu amerykańskiego i piłkarki kobiet wykazują niemal identyczne rozkłady zdarzeń przyspieszenia głowy61. Badanie laboratoryjne uderzeń głową w piłce nożnej63, w którym zmierzona maksymalna siła uderzenia wynosiła około 4 600 N. Uwzględniając dodatkową masę kasku, można by się spodziewać, że siły maksymalne będą około 30% większe. Maksymalna siła kontaktowa generowana podczas tego badania wyniosła 5 307 N, co mieści się w oczekiwanym zakresie 6 000 N.
Liniowcy zazwyczaj doświadczają najwyższego procentu uderzeń w obszar frontalny: 1,12,59,64,65. H2T był najlepszy w łagodzeniu przyspieszeń translacyjnych Frontal Spect, ale był lepszy od innych hełmów przy rozważaniu przyspieszeń obrotowych. Dodatkowy materiał dodany z przodu hełmu zwiększał jego masę, prawdopodobnie pomagając złagodzić przyspieszenia translacyjne, ale wydawało się, że utrudnia zdolność powłoki do odkształcania, powodując wyższe przyspieszenia obrotowe. To zaskakująca strategia konstrukcyjna, ponieważ dobrze udokumentowano, że głównym mechanizmem rozpraszania energii hełmu Vicis jest elastyczność skorupy.
Dla porównania, rozgrywający, a także wielu skrzydłowych, często doświadcza poważnych uderzeń w tył głowy. H2Q najlepiej sprawdzał się w dwóch z czterech typów uderzeń z tyłu, gdy brano pod uwagę przyspieszenia translacyjne, ale żaden z tych typów uderzeń z tyłu przy przyspieszeniach obrotowych. Nie jest jasne, dlaczego H2Q nie radził sobie tak dobrze w tylnym aspekcie jak podstawowy H2. Nie zauważono oczywistych różnic w konstrukcji hełmów, ale producent zauważa różnice w materiałach wyściółek w niektórych, nieokreślonych miejscach. Przyszłe prace powinny szczegółowo zbadać wszystkie modele H2, ze szczególnym uwzględnieniem analizy mechanochemicznej powłok66 i wyściełania, a także opracowania wysokorozdzielczych modeli obliczeniowych do analizy dynamicznych charakterystyk strukturalnych 67,68,69,70,71,72,73. Dane zebrane tutaj powinny być idealnie połączone z wcześniejszą mechaniczną charakterystyką różnych materiałów składających się na hełm66 do generowania analiz metodą elementów skończonych, ponieważ użycie modalnie strojonego młotka impulsowego zapewnia dobrze określone siły wejściowe towarzyszące powstałemu przyspieszeniu. Idealnie analiza ta byłaby przeprowadzona w kontekście ram wrażliwości 74,75,76,77.
Obecna metoda wykazuje pewną zmienność, ponieważ każdy cios wykonuje człowiek w określonym zakresie. Aby to zrekompensować, zapewniono, że każdy wskaźnik łagodzący jest wynikiem 60 niezależnych uderzeń rozłożonych w określonym zakresie impulsów. W związku z tym można to uznać za cechę protokołu testowego, ponieważ uderzenia na boisku są zadawane z wrodzonym poziomem losowości w zależności od ich wielkości, położenia i kąta nachylenia do powierzchni hełmu. Kolejną kwestią jest rozmiar powierzchni młotka. W przypadku kontaktu hełm z hełmem czołowa powierzchnia działa na większym obszarze niż hełm. Natomiast przy kasku z ziemią powierzchnia styku jest mniejsza niż murawa (trawa). Przyszłe badania powinny dokładniej zbadać charakter tych skutków. Ogólną słabością protokołu testowania hełmu jest brak danych ilościowych określających rzeczywiste siły uderzenia na boisku. Przyszłe prace muszą eksperymentalnie rozwiązać ten problem, ponieważ pomogą doprecyzować zakres impulsów, dla których należy obliczać ograniczenie wpływu dla każdego miejsca na hełmie.

Ustalono, że w Stanach Zjednoczonych każdego roku dochodzi do 1,6-3,8 miliona urazów mózgu związanych ze sportem (TBI), które są głównie wynikiem sportów kontaktowych, takich jak futbol amerykański, hokej na lodzie, piłka nożna, lacrosse, rugby i zapasy. Chociaż futbol konsekwentnie wykazuje najwyższy wskaźnik diagnozowanych wstrząśnień, należy zauważyć, że te wskaźniki są znacznie niedoszacowane z powodu niedoszacowania objawów wstrząśnienia 5,6,7,8,9. Z rozpoznanym wstrząśnieniem mózgu lub bez niego, ustalono, że powtarzające się przyspieszenia głowy (rHAE) mogą prowadzić do wyraźnych zmian w strukturze mózgu10, funkcji i chemii 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21 . Te rHAE mogą być wynikiem bezpośrednich uderzeń między zawodnikami, zawodnikiem a podłożem lub zdarzeń typu whhiplash spowodowanych uderzeniami w nogi lub tułów. Kolejne badania zilustrowały wpływ rHAE na zaburzenia poznawcze, depresję i lęk22. Sugerowano nawet, że wieloletnia ekspozycja na rHAE może zwiększać ryzyko długotrwałych zaburzeń neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera (AD) i przewlekła encefalopatia pourazowa (CTE)23 zarówno u piłkarzy nożnej, jak i futboluamerykańskiego (24,25,26). Aby chronić uczestników sportów kontaktowych, takich jak futbol amerykański, przed szkodliwymi skutkami rHAE, kluczowe jest zrozumienie fizyki uderzeń w głowę, zaczynając od kasku, który pełni funkcję głównego elementu ochrony głowy.
Pierwsze kaski futbolowe były wykonane ze skóry i stały się obowiązkowym wyposażeniem w futbolu uniwersyteckim w latach 1939–27. Paski podbródkowe i maseczki były używane już w latach 50., ale dopiero w 1973 roku opracowano standard testowy przez Krajowy Komitet Operacyjny ds. Standardów Sprzętu Sportowego (NOCSAE). Ten standard oparty na wieżach zrzutowych był odpowiedzialny za liczne ulepszenia, w tym nowe materiały amortyzujące oraz nowatorskie systemy łagodzące uderzenia28. Choć ta metodologia stanowiła ważną bazę, Breedlove i in. jako pierwsi zauważyli, że brak maski na twarz prowadził do niedoskonałości przewidywania szczytowych przyspieszeń z tyłu hełmu29. Aby zniwelować tę niedociągnięcia w procesie testowym, naukowcy zaczęli stosować formę głowy Hybrid III, pierwotnie opracowaną do testów zderzeniowych samochodów, do oceny sprzętu ochronnego do sportów kontaktowych 30,31,32,33. Najnowsze badania wykazały, że nowoczesne kaski łagodzą do 83% przyspieszenia translacyjnego wynikającego z uderzenia w przód kasku, 80% na bok hełmu i 75% na tył hełmu(34,35). Łagodzenie przyspieszenia rotacyjnego jest znacznie bardziej zmienne, mimo że uważa się, że jest głównym korelatem uszkodzenia tkanek 36,37,38,39,40,41,42,43. Nowoczesne kaski ograniczają do 70% przyspieszenia obrotowego przy uderzeniu w przód kasku i 82% na bok kasku, ale tylko 48% na tył kasku –34,35.
Na podstawie wcześniejszych wyników, Riddell SpeedFlex (Riddell; Rosemont, IL) oraz Vicis Zero 1 (Seattle, WA) były najlepiej sprawdzającymi się modelami hełmów35 pod względem zarówno przyspieszeń translacyjnych, jak i obrotowych. W 2022 roku opracowano nową wersję Riddell SpeedFlex, a także trzy nowe modele Vicis: Vicis Zero 2; Vicis Zero 2 Trench, specjalnie zaprojektowany dla linijących; oraz rozgrywającego Vicis Zero 2, specjalnie zaprojektowanego dla rozgrywających. Obecne badanie miało na celu ocenę hełmów, które wcześniej osiągnęły najlepsze35 punktów, oraz ustalenie, czy kolejne modyfikacje konstrukcyjne, w tym mające na celu optymalizację konstrukcji hełmu pod konkretne pozycje, znacząco poprawiły wydajność. Głównym celem tego badania było przetestowanie hipotezy, że najnowsze hełmy będą działać lepiej niż poprzednia generacja zarówno pod względem wpływów translacyjnych, jak i rotacyjnych.

<table><tbody><tr><td>Drut akcelerometru</td><td>Piezotronika PCB</td><td>Model 030C10</td><td>Sześć wymagane.</td></tr><tr><td>Rozmiar kasku dla dorosłych w rozmiarze dużym</td><td>Rodzaje hełmów wymienione poniżej</td><td>NA</td><td>Trzy modele każdego modelu służą do utrzymania zewnętrznej ważności.</td></tr><tr><td>Moduł akwizycji danych</td><td>Instrumenty narodowe</td><td>9234</td><td></td></tr><tr><td>Hybrydowy zespół głowy męskiej III 50. percentyl</td><td>Działalność humanitarna</td><td>78051-61X-H</td><td></td></tr><tr><td>Zespół męskiego gryfu Hybrid III 50. percentyl</td><td>Działalność humanitarna</td><td>78051-90-H</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie LabView</td><td>Instrumenty narodowe</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Laptop</td><td>Dell</td><td>XPS 16</td><td>Inne modele akceptowalne.</td></tr><tr><td>Duży gumowy końcówka typu sledge</td><td>Piezotronika PCB</td><td>Model 084A30.&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Kabel młotkowy o niskim poziomie szumów</td><td>Piezotronika PCB</td><td>Model 003D20</td><td></td></tr><tr><td>Młot impulsowy strojony modalnie</td><td>Piezotronika PCB</td><td>Model 086D20</td><td></td></tr><tr><td>Płyty stalowe</td><td>Stal i aluminium ze Środkowego Zachodu</td><td>12"x12"x1"</td><td>Pięć płyt wywierconych i przykręconych, tworząc podstawę gryfu.</td></tr><tr><td>Akcelerometr trójosiowy</td><td>Piezotronika PCB</td><td>Model 356A03</td><td></td></tr><tr><td>Trójosiowy kabel akcelerometru</td><td>Piezotronika PCB</td><td>Model 034G05</td><td></td></tr><tr><td>Akcelerometr jednoosiowy</td><td>Piezotronika PCB</td><td>Model 352C22/NC</td><td>Sześć wymagane.</td></tr><tr><td></td><td>Riddell Speedflex</td><td></td><td>Oznaczone jako "H1"</td></tr><tr><td></td><td>Vicis Zero 2</td><td></td><td>Oznaczone jako "H2"</td></tr><tr><td></td><td>Rów Vicis Zero 2</td><td></td><td>Oznaczone jako "H2T"</td></tr><tr><td></td><td>Vicis Zero 2 QB</td><td></td><td>Oznaczone jako "H2Q"</td></tr></tbody></table>

Łagodzenie uderzeń we współczesnych kaskach piłkarskich: postępy i ograniczenia konstrukcji dostosowanych do pozycji

Impact Mitigation in Modern Football Helmets: Advances and Limitations of Position-Specific Designs

Ustalono, że powtarzające się uderzenia głową prowadzą do nagromadzenia się zmian w funkcjonowaniu, strukturze i chemii mózgu. Hełm jest głównym elementem ochrony dla uczestników futbolu amerykańskiego. Pierwsze hełmy były wykonane ze skóry. Plastikowe hełmy z paskami na brodę zostały opracowane w latach 50., ale standardy testowania opracowano dopiero w 1973 roku. Chociaż te standardy przyniosły lepsze materiały wyściółkowe, wcześniejsze badania wykazały, że nowoczesne kaski lepiej ograniczają przyspieszenia translacyjne niż przyspieszenia obrotowe, zwłaszcza na tylnej stronie hełmu. Celem tego badania było szczegółowe przedstawienie metodologii stosowanej do badania łagodzenia skutków wpływu kasków futbolowych z różnymi mechanizmami rozpraszania energii, w tym kasków specyficznych dla pozycji. Eksperymenty zostały zintegrowane w ramach analizy wymiarowej, aby uzyskać technikę umożliwiającą jednoczesną ocenę przyspieszeń translacyjnych i obrotowych spowodowanych ilościowymi obciążeniami uderzeniowymi w wielu miejscach wokół hełmu. Pomimo poprawy w ogólnym łagodzeniu uderzeń jednego z testowanych tu hełmów, generalnie nie osiągnęły one swoich celów konstrukcyjnych.

Masa czterech testowanych hełmów wahała się od 1,986 kg dla H2Q do 2,243 kg dla H2T (Tabela 1), który jest najmasywniejszym hełmem zgłoszonym do tej pory.
W trakcie eksperymentu maksymalna siła generowana przez młot impulsowy modalny wynosiła 5 307 N.
Przyspieszenia translacyjne
Jak pokazano wcześniej 34,35, dodanie dowolnego hełmu do formy bez głowy powodowało znaczący spadek szczytowego bezwymiarowego przyspieszenia oraz odpowiadający temu spadek współczynników regresji powiązanych z maksymalnymi przyspieszeniami z dostarczonym impulsem. Spośród czterech hełmów testowanych w tym badaniu, translacyjne ograniczenie wpływu wynosiło od 0,643 do 0,872 (Tabela 2). W modelach bazowych H1 wykazał zmniejszenie translacyjnego łagodzenia uderzeń o co najmniej 0,05 dla pięciu typów uderzenia (typy uderzenia 5–8 i 10) i nie wykazał wzrostu o co najmniej 0,05 dla żadnego typu uderzenia. Dla porównania, H2 wykazał wzrost translacyjnego łagodzenia wpływu o co najmniej 0,05 dla pięciu typów uderzeń (typy uderzenia 5–8 i 10) i brak spadków o tej skali.
Pod względem typu uderzenia H2T osiągnął maksymalne ograniczenie łagodzenia dla ośmiu z 14 typów miejsc/incydentów uderzenia (Tabela 2). H2Q najlepiej sprawdził się w dwóch typach: typu uderzeniowego 7 – na równi z H2T – oraz typu uderzeniowego 9. Co ciekawe, dwa kaski z wcześniejszego badania, Vicis Zero 1 i Riddell SpeedFlex 18, sprawdziły się najlepiej dla dwóch typów uderzeniowych (typy uderzeniowe 1 i 2). H2 osiągnął maksymalne ograniczenia łagodzenia dla typu uderzeniowego 6, podczas gdy H1 nie osiągnął żadnych najlepszych osiągów.
Przyspieszenia obrotowe
Redukcja zrzutu dla przyspieszeń obrotowych wynosiła od 0,444 do 0,882 dla typu uderzenia 14 (Tabela 3). W modelach bazowych H1 wykazał zmniejszenie rotacyjnego łagodzenia uderzeń o co najmniej 0,05 dla pięciu typów uderzeń (typy uderzenia 2, 5, 7, 10 i 13) oraz wzrost o co najmniej 0,05 tylko dla typu uderzenia 12. Dla porównania, H2 wykazał wzrost rotacyjnego łagodzenia skutków uderzenia o co najmniej 0,05 dla dziewięciu typów uderzeń (typy uderzenia 3-6, 8, 9 i 12-14) oraz zmniejszenie tego zakresu tylko dla typu uderzenia 11.
H2 osiągnął maksymalne ograniczenie łagodzenia skutków dla siedmiu z 14 typów uderzeń (Tabela 3). H2Q najlepiej sprawdził się przy dwóch typach uderzenia: (typy uderzenia 2 i 4). H2T najlepiej sprawdził się w przypadku typu uderzeniowego 12. Co ciekawe, dwa wcześniej testowane modele najlepiej sprawdziły się dla dwóch typów uderzenia: Schutt Pro VTD II wykazał najwyższą odporność na uderzenia dla typów uderzenia 7 i 10, natomiast Vicis Zero 1 najlepiej dla typów uderzeń 1 i 1135.
To badanie jest pierwszym przypadkiem, gdy kaski futbolowe testowane według tego protokołu wykazały redukcję skutków ograniczających uderzenia powyżej 50% dla typu uderzenia 9. Trzy hełmy: H1, H2 i H2T, wszystkie przekroczyły ten wynik, przy czym H2 wykazał najlepszą reakcję – 0,529 (Tabela 3). Co ciekawe, H2Q osiągnął tylko 0,473 dla tego typu uderzenia, co jest znacznie niższym poziomem niż wartość dla modelu bazowego.
Na Frontal Aspect (typy uderzeń 1-4, 13 i 14), głównym regionie ważnym dla zawodników linii ofensywnej i defensywnej, H2T był ewidentnie najlepszy w łagodzeniu przyspieszeń translacyjnych, z najwyższymi wynikami łagodzenia w czterech z sześciu lokalizacji (Tabela 2). Dla porównania, H2T był mniej skuteczny w łagodzeniu przyspieszeń obrotowych na aspekcie czołowym, przewyższając go we wszystkich powiązanych typach uderzenia (Tabela 3) przez Vicis Zero 1, H2 lub H2Q.
W całym obszarze Rear Aspect (typy uderzeniowe 7-10), głównym regionie importowanym dla rozgrywających i niektórych odbiorców, najlepiej sprawdzały się hełmy H2 oraz wcześniej testowany Schutt Pro VTD II.
DOSTĘPNOŚĆ DANYCH:
Wszystkie dane użyte do opisanych tu obliczeń będą udostępnione za pośrednictwem UC Figshare (DOI: 10.60696/uc.30661718).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68278/68278fig1.jpg" /> 
Rysunek 1: Czternaście różnych rodzajów uderzeń było dostarczanych za pomocą modalnie strojonego młotka impulsowego do formy głowicy Hybrid III. W widoku z przodu (A) i z tyłu (B) normalne uderzenia oznaczane są czarnymi strzałkami, natomiast szare strzałki oznaczają uderzenia skośne, które zostały zadane pod kątem około 45 stopni względem normalnej powierzchni. Miejsca i typy uderzeń oznaczano jako (1) Front-Normal, (2) Front-Oblique, (3) Front Boss-Normal, (4) Front Boss-Oblique, (5) Side-Normal, (6) Side-Oblique, (7) Rear Boss-Normal, (8) Rear Boss-Oblique, (9) Retyl-Normal, (10) tyl-ukośny, (11) Top-normalny, (12) Top-Oblique, a w miejscu wycięcia SpeedFlex zarówno (13) Cut out-normal, jak i (14) cut out-oblique. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68278/68278fig1large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68278/68278fig2.jpg" /> 
Rysunek 2: Uderzenie front-normalne zadane do zwykłego kasku piłkarskiego, które pokazuje szczytową deformację, odpowiadającą im siłę (A), przyspieszenie translacyjne (B) oraz przyspieszenie obrotowe (C), przedstawione jako funkcje czasu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68278/68278fig2large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68278/68278fig3.jpg" /> 
Rysunek 3: Szczytowa deformacja obserwowana podczas uderzenia Front-Normal na każdy z czterech badanych hełmów. Zdjęcia pokazują względną sztywność powłoki hełmu H1 oraz względną elastyczność łusek użytych do produkcji H2 i H2Q. Przy tej samej sile uderzenia H2T angażuje mniej powłoki hełmu niż H2 czy H2Q. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68278/68278fig3large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68278/68278fig4.jpg" /> 
Rysunek 4: Redukcja wpływu translacyjnego została zmierzona za pomocą maksymalnych przyspieszeń translacyjnych (A) dla formy nagłej głowy oraz odpowiadających im przyspieszeń translacyjnych (B) dla kształtu głowy w hełmie dla każdego typu hełmu. Obecność hełmu znacząco obniżyła zarówno pomiary przyspieszeń. Aby obliczyć łagodzenie wpływu, zmierzono szczytowe przyspieszenia dla nagich i hełmowych kształtów głowy i wykorzystano je do obliczenia bezwymiarowego impulsu <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq6.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" />, oraz bezwymiarowego przyspieszenia translacyjnego, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/68278/68278eq2.jpg" style="opacity: 0.9; margin: 0px;" />. Całkowanie obszarów pod krzywą dla formy bez głowy, odejmowanie odpowiadającej powierzchni dla formy głowy w hełmie i normalizacja przez powierzchnię pod formą bez głowy dawało wartość od zera do jednego. Rotacyjne ograniczenie skutków zostało obliczone podobnie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68278/68278fig4large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68278/68278fig5.jpg" /> 
Rysunek 5: Podsumowanie translacyjnego i rotacyjnego łagodzenia skutków dla dwóch z 14 różnych typów uderzeń badanych tutaj we wszystkich hełmach testowanych tą metodą do tej pory. Ograniczenie przyspieszeń translacyjnych przy uderzeniach Front Normal (Typ 1) (A) ilustruje subtelną poprawę w Riddell SpeedFlex i niewielkie zmiany w hełmach Vicis. Łagodzenie przyspieszeń translacyjnych przy uderzeniach typu Rear Normal (Typ 9) (B) wykazało podobne zmiany w przypadku Riddella oraz subtelne ulepszenia dla hełmów Vicis. Co ciekawe, oba typy hełmów nieco się cofnęły w redukcji przyspieszeń obrotowych przy uderzeniach czołowych (C). Najbardziej znaczące poprawy w zakresie łagodzenia uderzeń obrotowych zaobserwowano dla uderzeń tylnych (D), przy czym zarówno Riddell SpeedFlex, jak i Vicis Zero 2 osiągnęły najwyższe wartości do tej pory. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68278/68278fig5large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Typ hełmu</td>
			<td>Masa (kg)</td>
			<td>Materiał powłoki</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>H1</td>
			<td>2.074</td>
			<td>Poliwęglan</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>H2</td>
			<td>2.015</td>
			<td>Elastomer termoplasticzny</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>H2T</td>
			<td>2.243</td>
			<td>Elastomer termoplasticzny</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>H2Q</td>
			<td>1.986</td>
			<td>Elastomer termoplasticzny</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1: Masa i materiał powłoki dla każdego testowanego hełmu.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td rowspan="2">Typ uderzeniowy</td>
			<td></td>
			<td>SpeedFlex</td>
			<td rowspan="2">H1</td>
			<td>Vicis</td>
			<td rowspan="2">H2</td>
			<td rowspan="2">H2T</td>
			<td rowspan="2">H2Q</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aspekt</td>
			<td>18</td>
			<td>Zero 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1</td>
			<td>Frontal</td>
			<td>0.705</td>
			<td>0.706</td>
			<td>0.832</td>
			<td>0.821</td>
			<td>0.82</td>
			<td>0.799</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2</td>
			<td>Frontal</td>
			<td>0.744</td>
			<td>0.733</td>
			<td>0.817</td>
			<td>0.803</td>
			<td>0.804</td>
			<td>0.791</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3</td>
			<td>Frontal</td>
			<td>0.75</td>
			<td>0.751</td>
			<td>0.786</td>
			<td>0.798</td>
			<td>0.805</td>
			<td>0.779</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4</td>
			<td>Frontal</td>
			<td>0.741</td>
			<td>0.756</td>
			<td>0.759</td>
			<td>0.792</td>
			<td>0.804</td>
			<td>0.78</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5</td>
			<td></td>
			<td>0.804</td>
			<td>0.703</td>
			<td>0.726</td>
			<td>0.781</td>
			<td>0.773</td>
			<td>0.801</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6</td>
			<td></td>
			<td>0.808</td>
			<td>0.756</td>
			<td>0.713</td>
			<td>0.811</td>
			<td>0.81</td>
			<td>0.807</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>7</td>
			<td>Tył</td>
			<td>0.747</td>
			<td>0.643</td>
			<td>0.698</td>
			<td>0.748</td>
			<td>0.754</td>
			<td>0.754</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8</td>
			<td>Tył</td>
			<td>0.779</td>
			<td>0.703</td>
			<td>0.699</td>
			<td>0.758</td>
			<td>0.766</td>
			<td>0.762</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>9</td>
			<td>Tył</td>
			<td>0.747</td>
			<td>0.699</td>
			<td>0.741</td>
			<td>0.777</td>
			<td>0.764</td>
			<td>0.795</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10</td>
			<td>Tył</td>
			<td>0.756</td>
			<td>0.7</td>
			<td>0.715</td>
			<td>0.787</td>
			<td>0.788</td>
			<td>0.775</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11</td>
			<td></td>
			<td>0.701</td>
			<td>0.697</td>
			<td>0.832</td>
			<td>0.804</td>
			<td>0.832</td>
			<td>0.783</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12</td>
			<td></td>
			<td>0.753</td>
			<td>0.748</td>
			<td>0.823</td>
			<td>0.866</td>
			<td>0.872</td>
			<td>0.848</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>13</td>
			<td>Frontal</td>
			<td>0.741</td>
			<td>0.719</td>
			<td>0.817</td>
			<td>0.834</td>
			<td>0.836</td>
			<td>0.819</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>14</td>
			<td>Frontal</td>
			<td>0.767</td>
			<td>0.77</td>
			<td>0.808</td>
			<td>0.846</td>
			<td>0.853</td>
			<td>0.824</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 2: Łagodzenie przyspieszeń translacyjnych według typu uderzenia. Szare cieniowanie wskazuje na hełmy testowane w ramach obecnego badania. Pogrubione liczby wskazują najlepsze osiągi do tej pory dla danego typu uderzenia.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td rowspan="2">Typ uderzeniowy</td>
			<td></td>
			<td>SpeedFlex</td>
			<td rowspan="2">H1</td>
			<td>Vicis</td>
			<td rowspan="2">H2</td>
			<td rowspan="2">H2T</td>
			<td rowspan="2">H2Q</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aspekt</td>
			<td>18</td>
			<td>Zero 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1</td>
			<td>Frontal</td>
			<td>0.479</td>
			<td>0.472</td>
			<td>0.698</td>
			<td>0.669</td>
			<td>0.669</td>
			<td>0.653</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2</td>
			<td>Frontal</td>
			<td>0.55</td>
			<td>0.444</td>
			<td>0.727</td>
			<td>0.716</td>
			<td>0.696</td>
			<td>0.738</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3</td>
			<td>Frontal</td>
			<td>0.684</td>
			<td>0.676</td>
			<td>0.769</td>
			<td>0.842</td>
			<td>0.832</td>
			<td>0.814</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4</td>
			<td>Frontal</td>
			<td>0.728</td>
			<td>0.738</td>
			<td>0.773</td>
			<td>0.848</td>
			<td>0.843</td>
			<td>0.853</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5</td>
			<td></td>
			<td>0.811</td>
			<td>0.758</td>
			<td>0.783</td>
			<td>0.863</td>
			<td>0.84</td>
			<td>0.846</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6</td>
			<td></td>
			<td>0.811</td>
			<td>0.775</td>
			<td>0.801</td>
			<td>0.871</td>
			<td>0.853</td>
			<td>0.858</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>7</td>
			<td>Tył</td>
			<td>0.73</td>
			<td>0.585</td>
			<td>0.698</td>
			<td>0.747</td>
			<td>0.736</td>
			<td>0.666</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8</td>
			<td>Tył</td>
			<td>0.578</td>
			<td>0.613</td>
			<td>0.479</td>
			<td>0.622</td>
			<td>0.594</td>
			<td>0.595</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>9</td>
			<td>Tył</td>
			<td>0.483</td>
			<td>0.52</td>
			<td>0.391</td>
			<td>0.529</td>
			<td>0.505</td>
			<td>0.473</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10</td>
			<td>Tył</td>
			<td>0.701</td>
			<td>0.621</td>
			<td>0.693</td>
			<td>0.706</td>
			<td>0.692</td>
			<td>0.688</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11</td>
			<td></td>
			<td>0.564</td>
			<td>0.57</td>
			<td>0.723</td>
			<td>0.67</td>
			<td>0.698</td>
			<td>0.642</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12</td>
			<td></td>
			<td>0.619</td>
			<td>0.75</td>
			<td>0.769</td>
			<td>0.846</td>
			<td>0.853</td>
			<td>0.762</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>13</td>
			<td>Frontal</td>
			<td>0.53</td>
			<td>0.477</td>
			<td>0.755</td>
			<td>0.811</td>
			<td>0.789</td>
			<td>0.795</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>14</td>
			<td>Frontal</td>
			<td>0.685</td>
			<td>0.69</td>
			<td>0.778</td>
			<td>0.882</td>
			<td>0.878</td>
			<td>0.855</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 3: Łagodzenie przyspieszeń obrotowych według typu uderzenia. Szare cieniowanie wskazuje na hełmy testowane w ramach obecnego badania. Pogrubione liczby wskazują najlepsze osiągi do tej pory dla danego typu uderzenia.

Nowoczesne kaski futbolowe działają gorzej w tylnej części kasku. Proces pomiaru opisany tutaj wyjaśnia zdolność kasku sportowego do łagodzenia przyspieszeń translacyjnych i obrotowych spowodowanych uderzeniami o różnej sile. Solidnie charakteryzuje mechanizmy rozpraszania energii i może być wykorzystywany do udoskonalania procesu projektowania hełmu.

It has been established that repetitive head impacts lead to the accrual of changes in brain function, structure, and chemistry. The helmet is the primary ...

Nasze badania w Hurt Lab koncentrują się na tym, jak zapewnić bezpieczeństwo ludziom, a zwłaszcza na tym, jak kaski nam w tym pomagają. W przeszłości widzieliśmy, że uderzenia w głowę powodują zmiany strukturalne, funkcjonalne i chemiczne w mózgu. Najbardziej oczywistą rzeczą, którą powinniśmy teraz sprawdzić, jest to, jak kaski przyczyniają się do bezpieczeństwa.Na początek zdobądź cztery różne modele kasków od dwóch producentów do testów. Przetestuj trzy oddzielne kaski dla każdego modelu kasku, aby uzyskać łącznie 12 hełmów. Przygotuj testowy zestaw Hybrid III na 50. percentylu do testu głowy i szyi przymocowany do stalowej płyty podstawowej do testów uderzeniowych.Po upewnieniu się, że system akwizycji danych i komputer uruchamiający kod widoku laboratoryjnego są prawidłowo podłączone do zasilania, zorganizuj narzędzia do przeprowadzania testów uderzeniowych na platformie, aby mierzyć siły i przyspieszenia na nagim kształcie głowy oraz na każdym hełmie. Podłącz wszystkie czujniki do systemu akwizycji danych. Kliknij dwukrotnie program do przeglądu laboratorium zatytułowany Hammer Time 2017, aby rozpocząć zbieranie danych.Wprowadź podstawowe dane do odpowiednich pól, w tym ścieżkę pliku do pliku końcowego, liczbę trafień na plik ustawioną na pięć, liczbę plików na lokalizację ustawioną na cztery oraz profil nagłowia. Rozpocznij kod widoku laboratorium, naciskając run, aby rozpocząć proces akwizycji danych. Użyj młotka impulsowego modalnego, aby uderzyć w przód głowicy jako wstępną kontrolę systemu.Uderz w górną część formy głowy, aby potwierdzić zebranie danych, a następnie uderz w bok formy głowy, aby zweryfikować, czy młotek i wszystkie dziewięć akcelerometrów rejestrują dane. Mierz przyspieszenia w środku masy podczas każdego uderzenia, używając dziewięciokątnej tablicy akcelerometrów ułożonej w konfigurację 3-2-2-2. Zbierz 200-milisekundowy ciąg czasowy dla każdego normalnego i skośnego uderzenia z 70-milisekundowym pre-triggerem, zapewniającym 130 milisekund pomiarów przyspieszenia i siły uderzenia.Rejestruj wszystkie sygnały z częstotliwością próbkowania 5, 120 Hz. Zdefiniuj 14 typów uderzeń reprezentujących dwa kąty zdarzenia w siedmiu miejscach uderzenia dla wszystkich przypadków testowych, w tym nagą głowę i każdy model hełmu. Zdefiniuj uderzenia normalne jako prostopadłe do powierzchni, a uderzenia skośne pod kątem około 45 stopni względem kierunku normalnego. Oznacz typy uderzeń tak, jak pokazano.Aby uprościć analizę specyficzną dla pozycji, pogrupuj zdefiniowane typy uderzeń w obszary zagregowane, takie jak uderzenia czołowe i tylne. Wykonuj uderzenia na nagą głowicę za pomocą modalnie strojonego młotka impulsowego, aby rejestrować przyłożoną siłę podczas uderzenia. Użyj uderzenia młotkiem, aby wywołać 200-milisekundowe okno namierzenia przy każdym trafieniu.Wizualnie sprawdź zarejestrowane sygnały, aby upewnić się, że nie ma błędów w nagrywaniu. Dostarczaj efekty na różnych poziomach impulsów za pomocą trzech powtórzeń. Zarejestruj pięć trafień na każdy plik i zbierz cztery pliki na każde miejsce uderzenia, aby uzyskać 20 trafień w każdym miejscu.Po ukończeniu zestawu referencyjnego formacji bez głowy, zamontuj trzy egzemplarze każdego modelu hełmu na formie zgodnie ze specyfikacjami producenta. Dostarczyć wszystkie 14 zdefiniowanych typów uderzeń do każdego hełmu, co daje łącznie 840 punktów danych zebranych na model hełmu. Dla ostatniego i największego uderzenia młotem w każdym miejscu należy zarejestrować uderzenie za pomocą kamery o dużej prędkości pracującej z częstotliwością 959 Hz. Hełm H2T miał największą masę – 2,243 kilograma, co czyni go najcięższym hełmem testowanym do tej pory.Wszystkie hełmy znacząco zmniejszały przyspieszenia translacyjne w porównaniu do formy bez nagiej głowy. Hełm H2T osiągnął najwyższe latygacyjne skutki łagodzenia w 8 z 14 typów uderzeń, w tym cztery z sześciu na stronie czołowej, podczas gdy H1 nie osiągnął żadnej. Hełm H2 konsekwentnie przewyższał H1 zarówno pod względem translacji, jak i rotacji.Na tylnej stronie H2 i H2Q wykazały lepsze osiągi translacyjne w typu uderzeniowym siódmym. W przypadku rotacyjnego łagodzenia skutków w typie uderzenia dziewięć, H1, H2 i H2T przekroczyły 50%, przy czym H2 osiągnął najwyższy wynik 0,529, podczas gdy H2Q uzyskał znacznie niższy wynik – 0,473. Są trzy ważne rzeczy, które robimy, różniące się od tego, jak zwykle testuje się hełmy.Pierwszy to fakt, że mierzymy siłę wchodzącą i przyspieszenie w środku masy. Posiadanie siły wejściowej i przyspieszenia wyjściowego pozwala zbudować funkcję przenoszenia dla każdego uderzenia głowy. Drugą rzeczą, którą robimy, jest testowanie bez kasku, potem zakładamy kask i testujemy ponownie.To eliminuje wszelkie asymetrie lub jakiekolwiek nieideologiczne, nieidealne cechy szyi. Trzecią rzeczą, którą robimy, jest jednoczesne mierzenie przyspieszenia translacyjnego i kątowego. To ważne, ponieważ przez wiele lat ludzie testowali tylko przyspieszenie translacyjne i powszechnie uważa, że przyspieszenie kątowe lub przyspieszenie obrotowe jest najbardziej szkodliwe.Dlatego ważne jest, aby te dane również tutaj były udostępniane. Zauważyliśmy, że obecne kaski, czyli kaski futbolowe, nie radzą sobie dobrze z redukcją przyspieszeń obrotowych ani kątowych, zwłaszcza z tyłu kasku. Więc jeśli uderzysz w tył hełmu, to właśnie tam hełm najmniej ci pomaga.Dlatego w przyszłości szukamy, jak zaprojektować lepsze hełmy, aby pochłaniały jak najwięcej energii w każdym miejscu wokół głowy. A jak to rozszerzyć i zrobić takie rzeczy jak hełmy budowlane czy kaski w innych dziedzinach życia?

impact-mitigation-modern-football-helmets-advances-limitations

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Ten artykuł przedstawia nowatorską technikę oceny charakterystyki wydajności kasków do futbolu amerykańskiego poprzez włączenie osłon twarzy podczas standardowych testów upadków NOCSAE. Ponadto proponuje się, aby do certyfikacji NOCSAE zostały dodane dwie kolejne lokalizacje oddziaływania.

Zmodyfikowane testy uderzeniowe wieży zrzutowej dla kasków do futbolu amerykańskiego

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.

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

Model główkowania w piłce nożnej z subwstrząsem mózgu jest bezpiecznym i zwięzłym podejściem metodologicznym do izolowania i mierzenia skutków uderzeń głową po wstrząsach mózgu.

Protokół in vivo kontrolowanych podwstrząsowych uderzeń głową w celu walidacji danych z badań terenowych

Decelularyzacja perfuzyjna jest nowoczesną techniką wytwarzania rusztowań całej wątroby, która zachowuje skład macierzy zewnątrzkomórkowej oraz mikroarchitekturę narządu. W niniejszym opracowaniu opisano metodę przygotowania rusztowań całego narządu z wykorzystaniem decelularyzacji perfuzyjnej i późniejszej repopulacji hepatocytami. Dzięki tej technice możliwe jest wytworzenie funkcjonalnych i możliwych do przeszczepienia graftów wątroby.

Decelularyzacja i recelularyzacja całych wątrób

Samoorganizujące się monowarstwy (SAMs) utworzone z długołańcuchowych alkanotioli na złocie stanowią precyzyjnie zdefiniowane podłoża do tworzenia wzorów białkowych oraz ograniczania przestrzeni wzrostu komórek. Mikro kontaktowy druk heksadekanotiolu przy użyciu stempla z polidimetylosiloksanu (PDMS), a następnie wypełnienie wolnych przestrzeni monomerem alkanotiolu zakończonym grupą glikolową, pozwala na uzyskanie wzoru, w którym białka i komórki adsorbują wyłącznie do obszaru z nadrukowanym...

Tworzenie dwuwymiarowych wzorowanych podłoży do ograniczania przestrzeni białek i komórek

Niniejszy artykuł szczegółowo opisuje procedurę sekcji, konfigurację aparatury oraz warunki eksperymentalne podczas mapowania optycznego potencjału błonowego (Vm) i wewnątrzkomórkowych przejściowych zmian stężenia wapnia (CaT) w nienaruszonych, izolowanych sercach myszy perfundowanych metodą Langendorffa.

Mapowanie optyczne potencjałów czynnościowych i przejściowych zmian stężenia wapnia w sercu myszy

Dokładny, oparty na przyczynowości kwantyfikacja globalnej funkcji rozkurczowej została osiągnięta dzięki opartej na modelowaniu kinematycznym analizie przepływu rozkurczowego za pomocą formalizmu Parametryzowanego Wypełnienia Rozkurczowego (PDF). PDF generuje unikalne parametry sztywności, relaksacji i obciążenia oraz wyjaśnia "nową" fizjologię, dostarczając jednocześnie czułych i specyficznych wskaźników dysfunkcji.

Kwantyfikacja globalnej funkcji rozkurczowej za pomocą analizy przepływu transmisyjnego opartej na modelowaniu kinematycznym za pomocą sparametryzowanego formalizmu wypełnienia rozkurczowego

Celem tego protokołu jest wystawienie ludzkich organotypowych 3D modeli tkanek oskrzelowych i nosowych na główny nurt dymu papierosowego (CS) na granicy powietrze-ciecz. Wpływ CS na tkanki jest następnie badany za pomocą testu aktywności cytochromu P450, pomiaru bicia rzęsek i podejścia opartego na biologii systemowej.

Ocena skutków powtarzającego się narażenia organotypowych modeli 3D hodowli tkanek oskrzelowych i nosowych na cały dym papierosowy

Hodowla całego narządu krążka międzykręgowego (IVD) zachowuje natywną macierz zewnątrzkomórkową, fenotypy komórkowe i interakcje między komórką a macierzą. W tym miejscu opisujemy system hodowli IVD z wykorzystaniem mysich lędźwiowych i ogonowych IVD w ich funkcjonalnych jednostkach kręgosłupa oraz kilka zastosowań wykorzystujących ten system.

Model hodowli narządowej in vitro mysiego krążka międzykręgowego

Ten protokół opisuje produkcję małej, gotowej do użycia kasety, która może być zastosowana do wizualnego wykrywania wielu kwasów nukleinowych w jednym, łatwym w obsłudze teście. W tym podejściu wykorzystano matrycę kapilarną do multipleksu i wysoce skutecznego wykrywania celów GMO.

Wizualna detekcja wielu kwasów nukleinowych w układzie kapilarnym

Poznaj metodologię oceny skuteczności kasków piłkarskich w łagodzeniu przyspieszeń translacyjnych i rotacyjnych głowy. Badanie wykorzystuje montaż głowy Hybrid III do testów uderzeniowych w różnych lokalizacjach.

Łagodzenie uderzeń we współczesnych kaskach piłkarskich: postępy i ograniczenia konstrukcji dostosowanych do pozycji

Przeglądaj więcej filmów