Artigo de investigação

Mitigação de Impactos em Capacetes de Futebol Americano Modernos: Avanços e Limitações de Designs Específicos para Posições

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DOI:

10.3791/68278

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13 de janeiro de 2026

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1Department of Biomedical Engineering, College of Engineering and Applied Science, University of Cincinnati, 2School of Mechanical Engineering, College of Engineering, Purdue University, 3Department of Materials and Mechanical Engineering, College of Engineering and Applied Science, University of Cincinnati

Neste artigo

Resumo

Capacetes de futebol americano modernos têm desempenho inferior na parte posterior do capacete. O processo de medição descrito aqui elucida a capacidade do capacete esportivo de mitigar acelerações translacionais e rotacionais causadas por impactos de várias magnitudes. Ele caracteriza robustamente os mecanismos de dissipação de energia e pode ser usado para refinar o processo de design do capacete.

Resumo

Foi estabelecido que impactos repetitivos na cabeça levam ao acúmulo de alterações na função, estrutura e química do cérebro. O capacete é o principal equipamento de proteção para os jogadores de futebol americano. Os primeiros capacetes foram feitos de couro. Capacetes de plástico com tiras de queixo foram desenvolvidos na década de 1950, mas os padrões de teste só foram desenvolvidos em 1973. Embora esses padrões tenham resultado em materiais de acolchoamento aprimorados, trabalhos anteriores demonstraram que capacetes modernos mitigam melhor as acelerações translacionais do que as rotacionais, especialmente no Rear Aspect do capacete. O objetivo deste estudo foi detalhar a metodologia usada para examinar a mitigação de impactos de capacetes de futebol americano com diferentes mecanismos de dissipação de energia, incluindo capacetes específicos por posição. Os experimentos foram integrados a uma estrutura de análise dimensional para produzir uma técnica que possibilita avaliar simultaneamente acelerações translacionais e rotacionais devido a cargas de impacto quantificadas em múltiplos locais ao redor do capacete. Apesar das melhorias na mitigação geral de impacto de um dos capacetes testados aqui, em geral, eles não alcançaram seus objetivos de design.

Introdução

Foi estabelecido que há de 1,6 a 3,8 milhões de lesões cerebrais traumáticas (LCT) relacionadas a esportes todos os anos nosEstados Unidos 1, 2, 3, 4, resultantes principalmente de esportes de contato como futebol americano, hóquei no gelo, futebol, lacrosse, rúgbi e luta livre. Embora o futebol americano apresente consistentemente a maior taxa de concussão diagnosticada, deve-se notar que essas taxas são dramaticamente subestimadas devido à subnotificação dos sintomas de concussão 5,6,7,8,9. Com ou sem concussão diagnosticada, foi estabelecido que eventos repetidos de aceleração da cabeça (rHAEs) podem levar a mudanças marcantes na estrutura cerebral10, função e química 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Esses rHAEs podem ser resultado de impactos diretos entre jogadores, um jogador e o chão, ou eventos de chicote decorrentes de impactos nas pernas ou no tronco. Pesquisas subsequentes ilustraram os efeitos das rHAEs sobre o comprometimento cognitivo, depressão eansiedade 22. Chegou até a ser sugerido que muitos anos de exposição a rHAEs podem aumentar o risco de distúrbios neurodegenerativos de longo prazo, como a Doença de Alzheimer (DA) e a encefalopatia traumática crônica (CTE)23 tanto em jogadores de futebol quantoem futebol americano 24,25,26. Para proteger os participantes de esportes de contato como o futebol americano dos efeitos nocivos dos rHAEs, é fundamental entender a física dos impactos na cabeça, começando pelo capacete, que serve como principal equipamento de proteção.

Os primeiros capacetes de futebol americano eram feitos de couro e se tornaram equipamentos obrigatórios no futebol universitário em1939 27. Tiras para o queixo e máscaras faciais já eram usadas na década de 1950, mas só em 1973 um padrão de teste foi desenvolvido pelo Comitê Nacional de Operações para Padrões de Equipamentos Atléticos (NOCSAE). Esse padrão baseado em torre de queda foi responsável por inúmeras melhorias, incluindo novos materiais de amortecimento e novos sistemas de mitigação deimpactos 28. Embora essa metodologia tenha fornecido uma referência importante, Breedlove et al. foram os primeiros a apontar que não incluir a máscara facial levava a uma previsão subestimativa das acelerações máximas na parte traseira docapacete 29. Para mitigar essa limitação no processo de testes, os pesquisadores começaram a usar a forma de cabeça Hybrid III, originalmente desenvolvida para testes de colisão automotiva, para avaliar equipamentos de proteção para esportes de contato30, 31, 32, 33. Trabalhos recentes demonstraram que capacetes modernos mitigam até 83% da aceleração translacional de um dado impacto para a frente do capacete, 80% para o lado do capacete e 75% para a traseira docapacete 34,35%. A mitigação da aceleração rotacional é consideravelmente mais variável, apesar de se considerar o principal correlato com danosteciduais 36,37,38,39,40,41,42,43. Capacetes modernos mitigam até 70% da aceleração rotacional de um dado impacto para a frente do capacete, e 82% para a lateral do capacete, mas apenas 48% para a parte traseira docapacete (34,35).

Com base em resultados anteriores, o Riddell SpeedFlex (Riddell; Rosemont, IL) e Vicis Zero 1 (Seattle, WA) foram os modelos de capacete35 de melhor desempenho tanto em acelerações translacionais quanto rotacionais. Em 2022, uma nova versão do Riddell SpeedFlex foi desenvolvida, além de três novos modelos do Vicis: Vicis Zero 2; Vicis Zero 2 Trench, projetado especificamente para linemen; e o Vicis Zero 2 QB, projetado especificamente para quarterbacks. O estudo atual teve como objetivo avaliar os capacetes que anteriormente apresentaram omelhor desempenho de 35 e determinar se modificações subsequentes no design, incluindo aquelas destinadas a otimizar o design do capacete para posições específicas, melhoraram substancialmente o desempenho. O objetivo geral deste estudo foi testar a hipótese de que os capacetes mais novos teriam melhor desempenho que a geração anterior tanto para impactos translacionais quanto rotacionais.

Protocolo

Os consumíveis e os equipamentos utilizados estão listados na Tabela de Materiais.

1. Visão geral da coleta de dados

Aqui, foram utilizados quatro modelos diferentes de capacetes de dois fabricantes. Entre elas estavam a edição de 2022 do SpeedFlex (Riddell, Rosemont, IL), indicada por H1; o Zero 2 (Vicis, Seattle, WA), denotado por H2; a Trincheira Zero 2 (Vicis, Seattle, WA), indicada como H2T, projetada para jogadores de linha ofensiva e defensiva; e o Zero 2 Quarterback (Vicis, Seattle, WA), indicado por H2Q, projetado para quarterbacks, embora deva ser notado que as diferenças entre H2 e H2Q não eram óbvias. Para cada modelo de capacete, três capacetes separados foram testados, totalizando 12 capacetes.

O estudo atual seguiu o procedimento básico desenvolvido por Cummiskey et al.34,44 e McIver et al.35. Em consonância com esses estudos anteriores, um equipamento de teste de montagem de cabeça e pescoço Híbrido III no percentil 50, fixado a uma base de aço, foi usado para quantificar forças e acelerações resultantes de impactos diretos na forma da cabeça nua, bem como em cada um dos três capacetes de cada modelo testado. A mitigação de impacto, conforme definida aqui, era simplesmente uma medida da diminuição da aceleração devido à presença do capacete.

2. Processo detalhado de coleta de dados

Após garantir que o DAQ e o computador que executa o código LabView estavam devidamente conectados à energia, todos os sensores foram conectados ao DAQ.

3. Inicialização de software

O programa personalizado LabView, intitulado "Hammer_Time_2017.vi", era feito com duplo clique para iniciar o início da coleta de dados. Os dados básicos eram então inseridos nos campos apropriados, incluindo o caminho para o arquivo final de dados, número de acessos por arquivo (tipicamente cinco), número de arquivos por localização (tipicamente quatro) e o perfil do aparelho de cabeça. Uma vez inseridos os dados, o código LabView era iniciado pressionando Executar.

Como avaliação preliminar de todo o sistema, o martelo de impulso modal foi usado para atingir a frente, o topo e o lateral, a fim de confirmar que o martelo e todos os nove acelerômetros estavam coletando dados com sucesso.

4. Entrega por impacto

Durante a entrega de cada impacto, as acelerações resultantes no centro de massa (CoM) foram medidas usando uma matriz de nove acelerômetros em uma configuração 3-2-2-2, conforme definido por Padgaonkar et al.45. Uma série temporal de 200 ms foi coletada para cada impacto normal e oblíquo, com um pré-disparo de 70 ms, fornecendo 130 ms de medições de aceleração e força de impacto, com todos os sinais coletados a 5120 Hz.

5. Tipos de impacto

Quatorze tipos de impacto (Figura 1) foram avaliados para todos os casos de teste (forma de cabeça nua e cada modelo de capacete), representando dois ângulos de incidência (normal e oblíquo) em cada um dos sete locais de impacto (Dianteira, Frente Dianteira, Lateral, Chefe Traseiro, Traseira, Topo e o SpeedFlex Cut Out). Impactos normais foram realizados perpendicularmente à superfície, e impactos oblíquos foram realizados em um ângulo de aproximadamente 45graus em relação à direção normal. Esses tipos de impacto são designados posteriormente por: (1) Dianteiro-Normal, (2) Fronte-Oblíquo, (3) Dianteiro-Normal, (4) Dianteiro-Oblíquo, (5) Lateral-Normal, (6) Lateral-Oblíquo, (7) Chefe-Traseiro-Normal, (8) Traseiro-Oblíquo, (9) Traseiro-Normal, (10) Traseiro-Oblíquo, (11) Top-Normal, (12) Top-Oblíquo e, no local do Corte SpeedFlex, ambos (13) Cortado-Normal-Cortado e (14) Cortado-Oblíquo (Figura 1)). Para simplificar a discussão das características específicas de mitigação de impacto por posição, duas regiões agregadas também foram definidas: o Aspecto Frontal do capacete abrangia os tipos de impacto 1, 2, 3, 4, 13 e 14; e o Lado Traseiro do capacete consistia nos tipos de impacto 7, 8, 9 e 10.

Os impactos foram primeiramente aplicados à forma de cabeça nua usando um martelo de impulso ajustado modalmente (PCB Piezotronics, Inc.; Depew, NY), conforme descrito por Cummiskey et al.34,44, para registrar a força aplicada durante o impacto.

Para cada impacto, o impacto do martelo de impulso modal acionava a janela de aquisição de 200 ms. Após a inspeção visual dos dados para garantir que não houvesse erros de gravação, o botão Save era pressionado para gravar os dados em um arquivo. Devido à violência dos experimentos, a maioria dos erros de gravação resulta de fios soltos, um cabo de martelo quebrado ou fios do acelerômetro quebrados. Para cinco impactos por arquivo, e quatro arquivos por local, um total de vinte impactos foram registrados em cada local nos níveis 1 (2-4 Ns), 2 (5-7 Ns), 3 (8-10 Ns), 4 (11-13 Ns), 5 (> 14 Ns), com três repetições.

Após a aquisição de um conjunto de referência para forma de cabeça nua, três exemplares de cada capacete foram instalados em série no corpo de cabeça, de acordo com as especificações do fabricante. Todos os 14 tipos de impacto foram entregues a cada um dos três capacetes (Figura 2). Esses procedimentos resultaram na coleta total de 840 pontos de dados para cada modelo de capacete. Note que, para a coleta do último e maior golpe de martelo em cada local, uma câmera de alta velocidade foi usada para documentar o golpe a uma taxa de quadros de 959 Hz (Figura 3).

6. Pós-processamento

Este estudo foca em dois parâmetros importantes de saída que resultam de impactos atingidos pela forma de cabeça Híbrida III: as acelerações de translação e rotação de pico, ap e figure-protocol-1, respectivamente. Para fins de comparação, esses parâmetros foram reformulados em forma adimensional, figure-protocol-2, e figure-protocol-3, respectivamente, conforme descrito por Cummiskey et al.34,
figure-protocol-4(1)
figure-protocol-5(2)

onde t* é a diferença entre um tempo de referência (100 ms) e a duração do impacto medida pelo cão de impulso, e wn é a largura do braço. O impulso entregue à forma de cabeça (nua ou com capacete) também era convertido em uma variável de entrada adimensional, figure-protocol-6, e dado por,

figure-protocol-7(3)

onde mh é a massa da forma da cabeça, e F(t) é a força do impacto em função do tempo, integrada ao longo da duração do impacto.

As trilhas de aceleração foram coletadas e processadas usando um programa personalizado do MATLAB. Após a coleta, todas as faixas eram passadas por um filtro passa-baixa Butterworth de quarta ordem (frequência de corte de 750 Hz) para reduzir o ruído. Equações cinemáticas foram então usadas para calcular a aceleração translacional e rotacional resultante no CoM44,45. Esses valores foram fornecidos como quantidades adimensionais para avaliar a resposta da formacabeça 34. Aceleração Translacional de Pico (PTA) e Aceleração Rotacional de Pico (PRA) foram emitidas como dados de traço para cada impacto registrado.

7. Análise estatística

O estudo atual também acompanhou a linha de redução de dados e análise estatística desenvolvidaanteriormente em 34,35. Resumidamente, tanto figure-protocol-8, quanto figure-protocol-9, demonstraram estar relacionados ao impulso adimensional, figure-protocol-10, por uma relação de lei depotência 46. Para a aceleração translacional, esse modelo tem a forma,

figure-protocol-11(4)

Uma abordagem semelhante foi usada para modelar a aceleração rotacional adimensional. Uma versão modificada do método de Grubb foi então usada para remover outliers, e um ajuste final da curvafoi gerado 34. Um teste ANCOVA com nível de α de 0,05 foi usado para examinar as diferenças entre os coeficientes de regressão de cada capacete, com um teste pós-hoc de Tukey e correção de valores p deHolm-Sidak 34,47.

As curvas assintóticas intermediárias finais geradas por esse processo foram utilizadas para determinar a mitigação de impacto de cada capacete. Uma vez calculada a área sob cada curva usando um total de 100 valores espaçados uniformemente entre os valores mínimo e máximo para figure-protocol-12, foi possível determinar a eficácia do capacete em cada local (Figura 4),

figure-protocol-13(5)

Esse processo foi repetido para as acelerações rotacionais de pico. Com um valor máximo de um (representando 100% de atenuação), quanto maior a atenuação de impacto, melhor desempenho do capacete. Uma alteração na mitigação de 0,05 foi usada como valor limiar, representando um tamanho de efeito fisicamente significativo. Tal aumento corresponde a 5% da mitigação máxima possível e eliminaria aproximadamente os efeitos de 25-50 impactos na cabeça para um atleta típico participando de uma temporada inteira de contato e acumulando um número típico de 500-1.000 exposições de impacto na cabeça 1,12.

Resultados

As massas dos quatro capacetes testados aqui variaram de 1,986 kg para o H2Q a 2,243 kg para o H2T (Tabela 1), que é o capacete mais grande relatado até hoje.

Ao longo do experimento, a força máxima gerada pelo martelo de impulso modal foi de 5.307 N.

Acelerações translacionais

Como demonstrado anteriormente34,35, a adição de qualquer capacete à forma de cabeça nua causou uma diminuição significativa na aceleração adimensional máxima e uma diminuição correspondente nos coeficientes de regressão que relacionam as acelerações máximas ao impulso entregue. Entre os quatro capacetes testados neste estudo, a mitigação de impacto translacional variou de 0,643 a 0,872 (Tabela 2). Para os modelos base, o H1 apresentou uma redução na mitigação de impacto translacional de pelo menos 0,05 para cinco tipos de impacto (tipos de impacto 5 a 8 e 10) e não apresentou aumento de pelo menos 0,05 para nenhum tipo de impacto. Em contraste, o H2 demonstrou um aumento na mitigação de impacto translacional de pelo menos 0,05 para cinco tipos de impacto (tipos de impacto 5 a 8 e 10) e nenhuma diminuição dessa magnitude.

Com base no tipo de impacto, o H2T atingiu a mitigação máxima para oito dos 14 tipos de localização/incidência do impacto (Tabela 2). O H2Q teve melhor desempenho para dois tipos: tipo de impacto 7 - empatado com o H2T - e tipo de impacto 9. Curiosamente, dois capacetes de um estudo anterior, o Vicis Zero 1 e o Riddell SpeedFlex 18, tiveram melhor desempenho em dois tipos de impacto (tipos de impacto 1 e 2). O H2 alcançou a máxima mitigação para o tipo de impacto 6, enquanto o H1 não registrou nenhum dos melhores desempenhos.

Acelerações rotacionais

A mitigação de impacto para acelerações rotacionais variou de 0,444 a 0,882 para o tipo de impacto 14 (Tabela 3). Para os modelos base, o H1 apresentou uma redução na mitigação de impacto rotacional de pelo menos 0,05 para cinco tipos de impacto (tipos de impacto 2, 5, 7, 10 e 13) e um aumento de pelo menos 0,05 apenas para o tipo de impacto 12. Em contraste, o H2 demonstrou um aumento na mitigação de impacto rotacional de pelo menos 0,05 para nove tipos de impacto (tipos de impacto 3-6, 8, 9 e 12-14) e uma diminuição dessa magnitude apenas para o tipo de impacto 11.

O H2 atingiu a máxima mitigação para sete dos 14 tipos de impacto (Tabela 3). O H2Q teve melhor desempenho para dois tipos de impacto: (tipos de impacto 2 e 4). O H2T teve melhor desempenho para o tipo de impacto 12. Curiosamente, dois modelos testados anteriormente tiveram melhor desempenho para dois tipos de impacto cada: o Schutt Pro VTD II apresentou a maior mitigação de impacto para os tipos de impacto 7 e 10, enquanto o Vicis Zero 1 teve melhor desempenho para os tipos de impacto 1 e 1135.

Este estudo representa a primeira vez que qualquer capacete de futebol americano testado segundo esse protocolo demonstrou mitigação de impacto superior a 50% para o tipo de impacto 9. Três capacetes, H1, H2 e H2T, superaram essa marca, com o H2 demonstrando a melhor resposta em 0,529 (Tabela 3). Curiosamente, o H2Q alcançou apenas 0,473 para esse tipo de impacto, o que é substancialmente menor que o valor do modelo base.

No Aspecto Frontal (tipos de impacto 1-4, 13 e 14), a principal região importante para jogadores ofensivos e defensivos, o H2T foi demonstravelmente o melhor em mitigar acelerações translacionalistas, com as maiores pontuações de mitigação em quatro dos seis locais (Tabela 2). Em contraste, o H2T foi menos eficaz em mitigar acelerações rotacionais no Aspecto Frontal, sendo superado para todos os tipos de impacto associados (Tabela 3) pelo Vicis Zero 1, H2 ou H2Q.

Na parte traseira (tipos de impacto 7-10), a principal região de importação para quarterbacks e alguns recebedores, os capacetes de melhor desempenho foram o H2 e o já testado Schutt Pro VTD II.

DISPONIBILIDADE DE DADOS:

Todos os dados usados para os cálculos aqui descritos estarão disponíveis através da UC Figshare (DOI: 10.60696/uc.30661718).

figure-results-1
Figura 1: Quatorze tipos diferentes de impactos foram aplicados por meio de um martelo de impulso modalmente ajustado em uma forma de cabeça Híbrida III. Na vista frontal (A) e na vista traseira (B), os impactos normais são indicados por setas pretas, enquanto as setas cinza representam impactos oblíquos, que foram aplicados em um ângulo de aproximadamente 45 graus em relação à superfície normal. As localizações e tipos de impacto eram indicados por (1) Frontal-Normal, (2) Front-Oblíquo, (3) Frente Chefe-Normal, (4) Frente Chefe-Oblíquo, (5) Lateral-Normal, (6) Lateral-Oblíquo, (7) Chefe Traseiro-Normal, (8) Chefe Traseiro-Oblíquo, (9) Traseiro-Normal, (10) Traseiro-Oblíquo, (11) Top-Normal, (12) Top-Obliquo e, no local do corte SpeedFlex, ambos (13) Cortado-Normal e (14) Cortado-Oblíquo. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

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Figura 2: Um impacto frontal-normal aplicado a um capacete comum de futebol americano que demonstra a deformação máxima, a força correspondente (A), aceleração translacional (B) e aceleração rotacional (C), mostradas em função do tempo. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 3: A deformação máxima observada durante um impacto Front-Normal aplicado a cada um dos quatro capacetes estudados aqui. As imagens demonstram a rigidez relativa da carcaça do capacete H1 e a relativa conformidade dos cascos usados na fabricação do H2 e do H2Q. Para a mesma magnitude de impacto, o H2T engaja menos da carcaça do capacete do que o H2 ou o H2Q. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

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Figura 4: A mitigação de impacto translacional foi medida usando as acelerações translacionais de pico (A) para a forma de cabeça nua e as correspondentes acelerações translacionais (B) para a forma de cabeça com capacete para cada tipo de capacete. A presença do capacete diminuiu drasticamente ambas as acelerações medidas. Para calcular a mitigação de impacto, as acelerações de pico para as formas de cabeça nua e capacete foram medidas e usadas para calcular o impulso adimensional, figure-results-5, e a aceleração translacional adimensional, figure-results-6. Integrando as áreas sob a curva para a forma de cabeça nua, subtraindo a área correspondente para a forma de cabeça com capacete e normalizando pela área sob a forma de cabeça nua obteve um valor entre zero e um. A mitigação de impacto rotacional foi calculada de forma semelhante. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

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Figura 5: Resumo da mitigação de impactos translacional e rotacional para dois dos 14 diferentes tipos de impacto estudados aqui em todos os capacetes testados com esse método até o momento. A mitigação das acelerações translacionais para impactos Front Normal (Tipo 1) (A) ilustra uma sutil melhora no Riddell SpeedFlex e pouca mudança nos capacetes Vicis. A mitigação das acelerações translacionais para impactos Traseiros Normal (Tipo 9) (B) apresentou mudanças semelhantes para o Riddell e melhorias sutis para os capacetes Vicis. Curiosamente, ambos os tipos de capacete regrediram um pouco quando se tratou de mitigar as acelerações rotacionais para impactos frontais (C). As melhorias mais dramáticas na mitigação de impactos rotacionais foram observadas nos impactos traseiros (D), com tanto o Riddell SpeedFlex quanto o Vicis Zero 2 apresentando os maiores valores até o momento. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Tipo de capaceteMassa (kg)Material de Casca
H12.074Policarbonato
H22.015Elastoméro termoplástico
H2T2.243Elastoméro termoplástico
H2Q1.986Elastoméro termoplástico

Tabela 1: Massa e material da concha para cada capacete testado.

Tipo de ImpactoSpeedFlexH1VicisH2H2TH2Q
Aspecto18Zero 1
1Frontal0.7050.7060.8320.8210.820.799
2Frontal0.7440.7330.8170.8030.8040.791
3Frontal0.750.7510.7860.7980.8050.779
4Frontal0.7410.7560.7590.7920.8040.78
50.8040.7030.7260.7810.7730.801
60.8080.7560.7130.8110.810.807
7Traseira0.7470.6430.6980.7480.7540.754
8Traseira0.7790.7030.6990.7580.7660.762
9Traseira0.7470.6990.7410.7770.7640.795
10Traseira0.7560.70.7150.7870.7880.775
110.7010.6970.8320.8040.8320.783
120.7530.7480.8230.8660.8720.848
13Frontal0.7410.7190.8170.8340.8360.819
14Frontal0.7670.770.8080.8460.8530.824

Tabela 2: Mitigação das acelerações translacionais por tipo de impacto. Sombreamento cinza indica capacetes testados como parte do estudo atual. Números em negrito indicam o melhor desempenho até o momento para um determinado tipo de impacto.

Tipo de ImpactoSpeedFlexH1VicisH2H2TH2Q
Aspecto18Zero 1
1Frontal0.4790.4720.6980.6690.6690.653
2Frontal0.550.4440.7270.7160.6960.738
3Frontal0.6840.6760.7690.8420.8320.814
4Frontal0.7280.7380.7730.8480.8430.853
50.8110.7580.7830.8630.840.846
60.8110.7750.8010.8710.8530.858
7Traseira0.730.5850.6980.7470.7360.666
8Traseira0.5780.6130.4790.6220.5940.595
9Traseira0.4830.520.3910.5290.5050.473
10Traseira0.7010.6210.6930.7060.6920.688
110.5640.570.7230.670.6980.642
120.6190.750.7690.8460.8530.762
13Frontal0.530.4770.7550.8110.7890.795
14Frontal0.6850.690.7780.8820.8780.855

Tabela 3: Mitigação das acelerações rotacionais pelo tipo de impacto. Sombreamento cinza indica capacetes testados como parte do estudo atual. Números em negrito indicam o melhor desempenho até o momento para um determinado tipo de impacto.

Discussão

Enquanto a geração mais recente de capacetes foi considerada mitigar 64%-87% das acelerações translacionalistas, e 44%-88% das acelerações rotacionais, o Aspecto Traseiro dos capacetes de futebol americano modernos continua a apresentar pouca mitigação de impactos em geral, especialmente para o tipo de impacto 9. Além disso, embora o H1 mais novo não tenha apresentado desempenho melhor que o SpeedFlex 18 segundo esse protocolo de teste, os capacetes Vicis mais novos apresentaram melhorias generalizadas, com a mitigação de impacto rotacional na parte de trás do capacete ultrapassando 50% pela primeira vez.

Crucialmente, porém, a contínua discrepância nas pontuações de mitigação de impacto entre o Aspecto Frontal e o Aspecto Traseiro do capacete deve ser reconhecida como o uso de uma única métrica para determinar a qualidade de um determinadocapacete 34,35,48,49,50. O H2T, que teve bom desempenho na mitigação de acelerações translacionales, mas mal em mitigação de acelerações rotacionais, oferece uma ilustração clara da armadilha de usar uma métrica singular para um perfil comportamental tão complexo. Historicamente, capacetes modernos de futebol americano tiveram sucesso em mitigar acelerações translacionales, mas desempenho consideravelmente mais variável ao considerar aceleraçõesrotacionais 34,35 (Figura 5).

Também deve ser notado que os objetivos de design dos capacetes específicos por posição não parecem ser alcançados pela iteração atual dos capacetes. Para capacetes específicos de posição, é importante distinguir entre acelerações translacional, que por muitos anos foram o único modo de teste exigido pelo NOCSAE, e acelerações rotacionais, frequentemente consideradas as mais relevantes para o desenvolvimento de traumascerebrais 36,37,38,39,40,41 . Uma das forças da metodologia aqui utilizada é que as acelerações translacional e rotacional são caracterizadas, normalizadas e não dimensionalizadas separadamente, tornando possível considerar ambas na avaliação geral e no design do desempenho do capacete. Outra força é o uso dos impactos da cabeça nua para normalizar o conjunto de dados, eliminando efetivamente diferenças na rigidez do pescoço que podem ser observadas devido a assimetrias na estrutura do pescoço Hybrid III e fornecendo mitigações simples resultantes de translação e rotação que variam de zero a um em cada local. Essa análise é viável devido à integração simultânea de um martelo de impulso para medir a força em função do tempo entregue à forma de cabeça e um arranjo de acelerômetros para medir as acelerações resultantes.

Embora tenha havido um esforço considerável para caracterizar acelerações de cabeça durante treinos e jogos em muitos níveis diferentes de jogo 21,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62, a magnitude das forças geradas durante os impactos de cabeça não foi caracterizada in situ. Para fornecer uma estimativa das forças de contato máximas experimentadas no futebol americano, observou-se que jogadores de futebol americano do ensino médio e jogadores femininos apresentam distribuições quase idênticas de eventos de aceleração da cabeça61. Um estudo laboratorial de impactos na cabeça no futebol63, no qual a força máxima medida foi de aproximadamente 4.600 N. Considerando a massa adicional do capacete, espera-se que as forças máximas fossem cerca de 30% maiores. A força de contato máxima gerada durante este estudo foi de 5.307 N, que está dentro da faixa esperada de 6.000 N.

Os linemen normalmente apresentam a maior porcentagem de impactos na região frontal: 1, 12, 59, 64, 65. O H2T era o melhor em mitigar acelerações translacionales do Aspecto Frontal, mas era superado por outros capacetes quando as acelerações rotacionais eram consideradas. O material extra adicionado à frente do capacete aumentava sua massa, provavelmente ajudando a mitigar as acelerações translacionais, mas parecia interferir na capacidade da carcaça de se deformar, causando acelerações rotacionais mais altas. Essa é uma estratégia de design surpreendente, já que está bem documentado que o principal mecanismo de dissipação de energia do capacete Vicis é a flexibilidade da carcaça.

Em contraste, quarterbacks e muitos recebedores frequentemente sofrem impactos severos na parte de trás da cabeça. O H2Q teve melhor desempenho para dois dos quatro tipos de impacto do Lado Traseiro quando se consideravam acelerações translacionals, mas nenhum dos tipos de impacto do Lado Traseiro quando se consideravam acelerações rotacionais. Não está claro por que o H2Q não teve desempenho tão bom no Aspecto Traseiro em comparação com o H2 base. Não havia diferenças óbvias na estrutura dos capacetes, mas o fabricante observa diferença no material de acolchoamento em alguns locais não especificados. Trabalhos futuros devem examinar todos os modelos H2 com mais detalhes, com ênfase na análise mecano-química das cascas66 e do acolchoamento, bem como no desenvolvimento de modelos computacionais de alta resolução para analisar as características estruturaisdinâmicas 67,68,69,70,71,72,73 . Os dados coletados aqui idealmente seriam combinados com caracterizações mecânicas anteriores dos diversos materiais que compõem o capacete66 para a geração de análises por elementos finitos, pois o uso do martelo de impulso ajustado modalmente fornece uma entrada de força bem definida para acompanhar a aceleração resultante. Idealmente, essa análise seria realizada dentro do contexto de um quadro de sensibilidade 74,75,76,77.

O método atual é reconhecido por apresentar certa variabilidade devido ao fato de que um humano desfere cada golpe em uma faixa pré-definida. Para compensar, foi garantido que cada métrica de mitigação seja resultado de 60 golpes independentes distribuídos em uma faixa estabelecida de impulsos. Consequentemente, isso pode ser visto como uma característica do protocolo de teste, já que os impactos em campo são realizados com um nível inerente de aleatoriedade em relação à sua magnitude, localização e ângulo de inclinação em relação à superfície do capacete. Outra consideração é o tamanho da face do martelo. Para contato capacete com capacete, a face do martelo atua sobre uma área maior do que o capacete. Em contraste, para capacete com terra, gera uma área de contato menor do que a grama. Trabalhos futuros devem examinar a natureza desses impactos com mais precisão. Uma fraqueza mais geral de qualquer protocolo de teste de capacete é a falta de dados que quantifiquem as forças de impacto reais experimentadas no campo. Trabalhos futuros precisam abordar essa questão experimentalmente, pois isso ajudará a refinar a faixa de impulsos sobre a qual a mitigação de impacto deve ser calculada para cada local do capacete.

Divulgações

Os autores certificam que não há conflito de interesses relacionado a este estudo.

Agradecimentos

O apoio a esse trabalho foi fornecido em parte pelo Departamento de Compensação dos Trabalhadores de Ohio, Projeto # WSIC25-240315-028.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Fio do acelerômetroPiezotrônica de PCBModelo 030C10Seis necessários.
Tamanho grande do capacete de futebol americano adultoTipos de capacete listados abaixoNATrês de cada modelo usados para manter a validade externa.
Módulo de aquisição de dadosInstrumentos Nacionais9234
Montagem da cabeça masculina Hybrid III no percentil 50Humanética78051-61X-H
Montagem do pescoço macho do Hybrid III no percentil 50Humanética78051-90-H
LabView SoftwareInstrumentos NacionaisNA
LaptopDellXPS 16Outros modelos são aceitáveis.
Ponta grande de borracha macia para trenóPiezotrônica de PCBModelo 084A30. 
Cabo de martelo de baixo ruídoPiezotrônica de PCBModelo 003D20
Martelo de impulso afinado modalmentePiezotrônica de PCBModelo 086D20
Chapas de açoAço e Alumínio do Meio-Oeste12"x12"x1"Cinco placas furadas e parafusadas para formar a base do braço.
Acelerômetro triaxialPiezotrônica de PCBModelo 356A03
Cabo Acelerômetro TriaxialPiezotrônica de PCBModelo 034G05
Acelerômetro uniaxialPiezotrônica de PCBModelo 352C22/NCSeis necessários.
Riddell SpeedflexDenotado por "H1"
Vicis Zero 2Denotado por "H2"
Vicis Zero 2 TrincheiraDenotado por "H2T"
Vicis Zero 2 QBDenotado por "H2Q"

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