Исследовательская статья

Смягчение воздействия в современных футбольных шлемах: достижения и ограничения дизайна, специфичных для позиций

730 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/68278

⸱

13 января 2026 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Современные футбольные шлемы уступают задней части шлема. Описанный здесь процесс измерения проясняет способность спортивного шлема смягчать трансляционные и вращательные ускорения, вызванные ударами разной величины. Он надёжно характеризует механизмы рассеивания энергии и может использоваться для совершенствования процесса проектирования шлема.

Аннотация

Установлено, что повторяющиеся удары по голове приводят к накоплению изменений в функциях, структуре и химии мозга. Шлем является основным защитным снаряжением для участников американского футбола. Первые шлемы изготавливались из кожи. Пластиковые шлемы с подбородковыми ремнями были разработаны в 1950-х годах, но стандарты испытаний были разработаны только в 1973 году. Хотя эти стандарты привели к улучшению материалов подкладки, предыдущие исследования показали, что современные шлемы лучше смягчают трансляционные ускорения, чем вращательные, особенно на заднем аспекте шлема. Целью этого исследования было подробно определить методологию, используемую для изучения снижения воздействия футбольных шлемов с разными механизмами рассеивания энергии, включая шлемы, специфичные для позиции. Эксперименты были интегрированы в рамки размерного анализа для получения техники, позволяющей одновременно оценивать трансляционные и вращательные ускорения из-за количественно измеренных ударных нагрузок в нескольких точках вокруг шлема. Несмотря на улучшения общего снижения ударов одного из протестированных шлемов, в целом они не достигли своих проектных целей.

Введение

Установлено, что в США ежегодно происходит от 1,6 до 3,8 миллиона травматических травм мозга, связанных со спортом (ЧМТ),1, 2, 3, 4, которые в основном связаны с контактными видами спорта, такими как футбол, хоккей с шайбой, футбол, лакросс, регби и борьба. Хотя футбол стабильно демонстрирует наивысший уровень диагностирования сотрясения, следует отметить, что эти показатели сильно недооцениваются из-за занижения симптомовсотрясения (5,6,7,8,9). С диагностированным сотрясением мозга или без него установлено, что повторяющиеся события ускорения головы (rHAE) могут привести к заметным изменениям в структуремозга 10, функциях ихимии 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21 . Эти rHAE могут быть результатом прямых ударов между игроками, игроком и землёй, либо хлыстовых травм, вызванных ударами по ногам или туловищу. Последующие исследования показали влияние rHAE на когнитивные нарушения, депрессию итревожность 22. Даже предполагается, что многолетнее воздействие rHAE может увеличивать риск долгосрочных нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера (AD) и хроническая травматическая энцефалопатия (CTE)23 как у футболистов, так иу футболистов 24,25,26. Чтобы защитить участников контактных видов спорта, таких как американский футбол, от вредных последствий rHAE, крайне важно понимать физику ударов по голове, начиная с шлема, который служит основным защитным средством.

Первые футбольные шлемы были изготовлены из кожи и стали обязательным оборудованием в студенческом футболе в 1939–27 году. Ремни для подбородка и маски для лица использовались уже в 1950-х годах, но только в 1973 году Национальный операционный комитет по стандартам спортивного оборудования (NOCSAE) разработал стандарт тестирования. Этот стандарт на базе опускаемой башни способствовал многочисленным улучшениям, включая новые амортизационные материалы и новые системы смягченияударов 28. Хотя эта методология дала важную базу, Бридлов и соавторы первыми указали, что отсутствие маски приводит к недооценке максимальных ускорений в задней частишлема 29. Чтобы смягчить этот недостаток в процессе испытаний, исследователи начали использовать форму головы Hybrid III, изначально разработанную для автомобильных краш-тестов, для оценки защитного снаряжения для контактных видовспорта 30, 31, 32, 33. Недавние исследования показали, что современные шлемы снижают до 83% трансляционного ускорения при ударе по передней части шлема, 80% — к боковой части шлема и до 75% — к заднейчасти шлема — 34,35. Смягчение вращательного ускорения значительно более варьируется, несмотря на то, что считается, что оно является основным коррелатом с повреждениемтканей 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43. Современные шлемы снижают до 70% ускорения вращения при ударе по передней части шлема и 82% сбоку, но только 48% назад —34,35.

Согласно предыдущим результатам, Riddell SpeedFlex (Riddell; Rosemont, IL) и Vicis Zero 1 (Сиэтл, Вашингтон) были лучшими моделямишлемов 35 по уровню трансляционных и вращательных ускорений. В 2022 году была разработана новая версия Riddell SpeedFlex, а также три новые модели Vicis: Vicis Zero 2; Vicis Zero 2 Trench, специально разработанный для линейных; и квотербек Vicis Zero 2, специально разработанный для квотербеков. Текущее исследование было направлено на оценку шлемов, ранее показывавших лучшие35 показателей, и для определения, существенно ли последующие модификации конструкции, включая те, что оптимизировали конструкцию шлема для конкретных позиций. Общей целью этого исследования было проверить гипотезу о том, что новейшие шлемы будут работать лучше предыдущего поколения как по трансляционному, так и по вращательным воздействиям.

Протокол

Расходные материалы и используемое оборудование указаны в Таблице материалов.

1. Обзор сбора данных

Здесь использовались четыре разные модели шлемов от двух производителей. Среди них была версия SpeedFlex 2022 года (Ридделл, Роузмонт, Иллинойс), обозначенная как H1; Zero 2 (Vicis, Сиэтл, Вашингтон), обозначаемый как H2; Zero 2 Trench (Vicis, Сиэтл, Вашингтон), обозначаемый H2T, предназначен для игроков линии нападения и защиты; и Zero 2 Quarterback (Vicis, Сиэтл, Вашингтон), обозначаемый H2Q, предназначенный для квотербеков, хотя следует отметить, что различия между H2 и H2Q были неочевидны. Для каждой модели шлема было протестировано три отдельных шлема, всего 12 шлемов.

Текущее исследование следовало базовой процедуре, разработанной Каммиски и др.34,44 и МакАйвером и др.35. В соответствии с предыдущими исследованиями, для количественной оценки сил и ускорения, возникающих при прямых ударах по голой голове и шее Hybrid III, использовалась50-процентная установка для измерения сил и ускорения, вызванных прямыми ударами по голой голове, а также для каждого из трёх шлемов каждой тестируемой модели. Смягчение удара, как определено здесь, было лишь мерой снижения ускорения из-за наличия шлема.

2. Детальный процесс сбора данных

Убедившись, что DAQ и компьютер, выполняющий код LabView, корректно подключены к питанию, все датчики были подключены к DAQ.

3. Инициализация программного обеспечения

Пользовательская программа LabView под названием «Hammer_Time_2017.vi» была дважды кликнута для запуска сбора данных. Базовые данные затем вводились в соответствующие поля, включая путь к итоговому файлу, количество попаданий в файл (обычно пять), количество файлов в каждом месте (обычно четыре) и профиль головного убора. После ввода данных код LabView запускался нажатием Run.

В качестве предварительной оценки всей системы модальный импульсный молоток был использован для удара по переднему, верхней и боковой, чтобы подтвердить, что молот и все девять акселерометров успешно собирают данные.

4. Импакт-доставка

Во время каждого удара результирующие ускорения в центре масс (CoM) измерялись с помощью девятиакселерометрового массива в схеме 3-2-2-2, как определено Падгаонкаром и др.45. Для каждого нормального и косого удара собирался временной ряд длиной 200 мс с предварительным спуском 70 мс, обеспечивая 130 мс измерения ускорения и ударной силы, при этом все сигналы собирались на частоте 5120 Гц.

5. Типы ударов

Четырнадцать типов ударов (рисунок 1) оценивались для всех тестовых случаев (форма голой головы и каждая модель шлема), представляющих два угла падения (нормальный и косой) в каждом из семи точек удара (передний, передний босс, бок, задний босс, задний, верхний и вырез SpeedFlex). Обычные удары наносились перпендикулярно поверхности, а косые — под углом примерно 45° к нормальному направлению. Далее эти типы ударов обозначаются следующим образом: (1) передняя нормальная, (2) передняя косая, (3) передняя босс-нормальная, (4) передняя босс-косая, (5) боковая нормальная, (6) боковая косая, (7) задняя босс-нормальная, (8) задняя босс-косая, (9) задняя обычная, (10) задняя косая, (11) верхняя нормальная, (12) верхняя косая, и в месте выреза SpeedFlex Out, оба (13) вырезанные-нормальные, и (14) вырезанные косые (рисунок 1)). Для упрощения обсуждения характеристик смягчения ударов, специфичных для положения, были также определены две агрегированные области: фронтальный аспект шлема охватывал типы ударов 1, 2, 3, 4, 13 и 14; а задняя часть шлема состояла из ударных типов 7, 8, 9 и 10.

Удары сначала наносились на форму голой головы с помощью модально настроенного импульсного молотка (PCB Piezotronics, Inc.; Депью, Нью-Йорк), как описано Каммиски и др.34,44, для фиксации приложенной силы во время удара.

При каждом попадании удар модального импульсного молота запускал окно захвата в 200 мс. После визуального осмотра данных на отсутствие ошибок при записи нажималась кнопка «Сохранение» для записи данных в файл. Из-за жестокости экспериментов большинство ошибок записи связаны с ослабленными проводами, сломанным молотком или проволоками акселерометра. При пяти попаданиях на файл и по четырём файлам на каждом месте было зафиксировано двадцать ударов на уровнях 1 (2-4 Нс), 2 (5-7 Нс), 3 (8-10 Нс), 4 (11-13 Нс), 5 (> 14 Нс), с тремя повторами.

После приобретения эталонного комплекта формы голой головы, по три экземпляра каждого шлема были последовательно установлены в соответствии с спецификациями производителя. Все 14 типов ударов были поставлены на каждый из трёх шлемов (рисунок 2). Эти процедуры привели к сбору всего 840 точек данных для каждой модели шлема. Обратите внимание, что для сбора последнего, самого крупного удара молотком в каждом месте использовалась высокоскоростная камера для фиксации удара с частотой кадров 959 Гц (рисунок 3).

6. Постобработка

Это исследование сосредоточено на двух важных выходных параметрах, возникающих при ударах, доставляемых в форму головки Hybrid III: пиковом трансляционном и пиковом вращательном ускорениям, p и figure-protocol-1, соответственно. Для целей сравнения эти параметры были переформулированы в безразмерной форме figure-protocol-2, и figure-protocol-3, соответственно, как описано Каммиски и др. 34,
figure-protocol-4(1)
figure-protocol-5(2)

где t* — разница между эталонным временем (100 мс) и длительностью удара, измеренной импульсным молотком, а wn — ширина шеи. Импульс, подаваемый на форму головы (голую или с шлемом), также преобразовывался в безразмерную входную переменную figure-protocol-6, и задавал следующим образом,

figure-protocol-7(3)

где mh — масса формы головы, а F(t) — сила удара по отношению к времени, интегрированная за время удара.

Трассы ускорения собирались и обрабатывались с помощью индивидуальной программы MATLAB. После сбора все трассы проходили через низкочастотный фильтр Баттерворта четвертого порядка (частота среза 750 Гц) для снижения шума. Кинематические уравнения затем использовались для расчёта результирующего трансляционного и вращательного ускорения вCoM 44,45. Эти значения выводились в виде безразмерных величин для оценки реакции головнойформы 34. Пиковое трансляционное ускорение (PTA) и пиковое ускорение вращения (PRA) выводились в виде следовых данных для каждого зафиксированного удара.

7. Статистический анализ

Текущее исследование также следовало ранее разработанному34,35 этапам сокращения данных и статистического анализа. Кратко, оба figure-protocol-8, и figure-protocol-9, были показаны связаны с безразмерным импульсом, figure-protocol-10, по степеннойсвязи, 46. Для трансляционного ускорения эта модель имеет вид,

figure-protocol-11(4)

Похожий подход был использован для моделирования безразмерного ускорения вращения. Затем была использована модифицированная версия метода Грабба для удаления выбросов, и была сгенерирована окончательная подгонкакривой 34. Тест ANCOVA с уровнем α 0,05 был использован для изучения различий между регрессионными коэффициентами для каждого шлема, с пост-хок тестом Тьюки и коррекцией p-значенияХолм-Сидака 34,47.

Последние промежуточные асимптотические кривые, полученные в результате этого процесса, использовались для определения смягчения удара для каждого шлема. После того как площадь под каждой кривой была рассчитана с использованием всего 100 равномерно расположенных значений, охватывающих расстояние между минимальным и максимальным значениями для figure-protocol-12, стало возможно определить эффективность шлема в каждом месте (рисунок 4).

figure-protocol-13(5)

Этот процесс повторялся для пиковых ускорений вращения. При максимальном значении 1 (что соответствует 100% затухаю), чем выше ослабление удара, тем лучше шлем работал. Изменение смягчения на 0,05 использовалось в качестве порогового значения, отражающего физически значимый размер эффекта. Такое увеличение соответствует 5% от максимального возможного смягчения и примерно устранит эффект от 25-50 ударов головой для типичного спортсмена, участвующего в целом сезоне контакта и накапливающего типичное количество от 500 до 1 000 ударов поголове — 1,12.

Результаты

Массы четырёх протестированных шлемов варьировались от 1,986 кг для H2Q до 2,243 кг для H2T (Таблица 1), который является самым массивным шлемом на сегодняшний день.

В ходе эксперимента максимальная сила, создаваемая молотом модального импульса, составляла 5 307 Н.

Трансляционные ускорения

Как было показаноранее, 34,35, добавление любого шлема к форме голой головы приводило к значительному снижению пикового безразмерного ускорения и соответствующему снижению регрессионных коэффициентов, связывающих пиковые ускорения с передаваемым импульсом. Среди четырёх шлемов, протестированных для этого исследования, уровень трансляционного снижения воздействия варьировался от 0,643 до 0,872 (Таблица 2). Для базовых моделей H1 показал снижение трансляционного снижения воздействия не менее чем на 0,05 для пяти типов ударов (типов ударов 5–8 и 10) и не увеличился как минимум на 0,05 для каких-либо типов ударов. В отличие от этого, H2 показал увеличение трансляционного смягчения воздействия как минимум на 0,05 для пяти типов ударов (типов ударов 5–8 и 10) и не было снижений такой величины.

По типу удара H2T достиг максимального снижения последствий для восьми из 14 типов мест и падения (Таблица 2). H2Q лучше всего показал себя для двух типов: ударного типа 7 — равного с H2T — и ударного типа 9. Интересно, что два шлема, полученных в предыдущем исследовании, Vicis Zero 1 и Riddell SpeedFlex 18, показали лучшие результаты для двух типов ударов (ударные типы 1 и 2). H2 достиг максимального снижения ударов типа 6, тогда как H1 не показал ни одной из лучших характеристик.

Ускорения вращения

Смягчение удара при вращательных ускорениях варьировалось от 0,444 до 0,882 для ударного типа 14 (Таблица 3). Для базовых моделей H1 демонстрировал снижение вращения удара не менее чем на 0,05 для пяти типов ударов (типы ударов 2, 5, 7, 10 и 13) и увеличение не менее чем на 0,05 только для ударного типа 12. В отличие от этого, H2 показал увеличение скорости смягчения вращение не менее 0,05 для девяти типов ударов (типы ударов 3-6, 8, 9 и 12-14) и снижение такой величины только для ударного типа 11.

H2 обеспечил максимальное снижение последствий для семи из 14 типов ударов (Таблица 3). H2Q показал лучшие результаты для двух типов ударов: (типы ударов 2 и 4). H2T лучше всего показал себя для ударного типа 12. Интересно, что две ранее протестированные модели показали лучшие результаты для двух типов ударов: Schutt Pro VTD II показала наивысшую степень снижения ударов для типов ударов 7 и 10, а Vicis Zero 1 — для типов ударов 1 и 1135.

Это исследование стало первым случаем, когда любой футбольный шлем, протестированный по этому протоколу, продемонстрировал смягчение воздействия более 50% при ударном типе 9. Три шлема — H1, H2 и H2T — превысили этот показатель, при этом H2 показал лучший отклик — 0,529 (Таблица 3). Интересно, что H2Q достиг всего 0,473 для этого типа удара, что значительно ниже значения базовой модели.

По фронтальному аспекту (типы ударов 1-4, 13 и 14), главном регионе для игроков атакующей и защитной линии, H2T явно лучшим в снижении трансляционных ускорений, с наивысшими показателями по снижению воздействия в четырёх из шести точек (Таблица 2). В отличие от этого, H2T был менее эффективен в снижении ускорения вращения на фронтальном аспекте, уступая по всем соответствующим типам удара (Таблица 3) Vicis Zero 1, H2 или H2Q.

В задней части (типы удара 7-10), основной зоне импорта для квотербеков и некоторых принимающих, лучшими шлемами были H2 и ранее протестированный Schutt Pro VTD II.

ДОСТУПНОСТЬ ДАННЫХ:

Все данные, используемые для описанных здесь расчётов, будут доступны через UC Figshare (DOI: 10.60696/uc.30661718).

figure-results-1
Рисунок 1: Четырнадцать различных типов ударов были нанесены с помощью модально настроенного импульсного молотка в форму головы Hybrid III. В виде спереди (A) и заднем виду (B) обычные удары обозначаются чёрными стрелками, а серые — косыми ударами, которые были нанесены под углом примерно 45 градусов к нормальной поверхности. Места и типы ударов обозначались следующим образом: (1) Передняя нормальная, (2) Передняя косая, (3) Передняя босс-нормальная, (4) Передняя босс-косая, (5) Боковая нормальная, (6) Боковая косая, (7) Задняя босс-нормальная, (8) Задняя босс-косая, (9) Задняя нормальная, (10) Задняя косая, (11) Верхняя нормальная, (12) Верхняя косая, и в месте выреза SpeedFlex Out, оба (13) Вырез-Нормальные и (14) Вырез-Наклонные. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-2
Рисунок 2: Фронтально-нормальный удар, выполненный на обычный футбольный шлем, демонстрирующий пиковую деформацию, соответствующую силу (A), трансляционное ускорение (B) и вращательное ускорение (C), отображаемые как функции времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этого рисунка.

figure-results-3
Рисунок 3: Пиковая деформация, наблюдаемая во время удара в переднюю норму, передаваемая каждому из четырёх изученных шлемов. Изображения демонстрируют относительную жёсткость корпуса шлема H1 и относительную гибкость снарядов, использованных для изготовления H2 и H2Q. При той же силе удара H2T поражает меньше снаряда шлема, чем H2 или H2Q. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-4
Рисунок 4: Трансляционное смягчение ударов измерялось с использованием пиковых трансляционных ускорений (A) для формы голой головы и соответствующих трансляционных ускорений (B) для формы головы с шлемом для каждого типа шлема . Наличие шлема значительно снизило обе измеренные ускорения. Для расчёта смягчения удара были измерены пиковые ускорения для голых и шлемовых форм головы, которые использовались для расчёта безразмерного импульса figure-results-5и бесразмерного трансляционного ускорения, figure-results-6. Интегрирование площадей под кривой для формы голой головы, вычитание соответствующей площади для формы с шлемом и нормализация по площади под формой голой головы давали значение от нуля до единицы. Аналогично рассчитывалось средство снижения воздействия при вращении. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-7
Рисунок 5: Сводка по трансляционному и вращательному смягчению ударов для двух из 14 различных типов ударов, изученных здесь, во всех шлемах, испытанных этим методом на сегодняшний день. Снижение трансляционных ускорений при ударах Front Normal (Тип 1) (A) иллюстрирует тонкое улучшение в Riddell SpeedFlex и минимальные изменения в шлемах Vicis. Смягчение трансляционных ускорений при ударах Rear Normal (Тип 9) (B) показало аналогичные изменения для Riddell и тонкие улучшения для шлемов Vicis. Интересно, что оба типа шлемов немного регрессировали при снижении ускорения вращения при ударах по фронтальному удару (C). Самые заметные улучшения в снижении ударов при вращении наблюдались при ударах сзади (D), при этом Riddell SpeedFlex и Vicis Zero 2 показали самые высокие значения на сегодняшний день. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Тип шлемаМасса (кг)Материал оболочки
H12.074Поликарбонат
H22.015Термопластический эластомер
H2T2.243Термопластический эластомер
H2Q1.986Термопластический эластомер

Таблица 1: Масса и материал оболочки для каждого тестируемого шлема.

Тип удараSpeedFlexH1VicisH2H2TH2Q
Аспект18Зеро 1
1Фронталь0.7050.7060.8320.8210.820.799
2Фронталь0.7440.7330.8170.8030.8040.791
3Фронталь0.750.7510.7860.7980.8050.779
4Фронталь0.7410.7560.7590.7920.8040.78
50.8040.7030.7260.7810.7730.801
60.8080.7560.7130.8110.810.807
7Задняя часть0.7470.6430.6980.7480.7540.754
8Задняя часть0.7790.7030.6990.7580.7660.762
9Задняя часть0.7470.6990.7410.7770.7640.795
10Задняя часть0.7560.70.7150.7870.7880.775
110.7010.6970.8320.8040.8320.783
120.7530.7480.8230.8660.8720.848
13Фронталь0.7410.7190.8170.8340.8360.819
14Фронталь0.7670.770.8080.8460.8530.824

Таблица 2: Смягчение трансляционных ускорений по типу удара. Серая тень указывает на шлемы, протестированные в рамках текущего исследования. Жирные цифры указывают на сегодняшний день лучшие результаты для конкретного типа удара.

Тип удараSpeedFlexH1VicisH2H2TH2Q
Аспект18Зеро 1
1Фронталь0.4790.4720.6980.6690.6690.653
2Фронталь0.550.4440.7270.7160.6960.738
3Фронталь0.6840.6760.7690.8420.8320.814
4Фронталь0.7280.7380.7730.8480.8430.853
50.8110.7580.7830.8630.840.846
60.8110.7750.8010.8710.8530.858
7Задняя часть0.730.5850.6980.7470.7360.666
8Задняя часть0.5780.6130.4790.6220.5940.595
9Задняя часть0.4830.520.3910.5290.5050.473
10Задняя часть0.7010.6210.6930.7060.6920.688
110.5640.570.7230.670.6980.642
120.6190.750.7690.8460.8530.762
13Фронталь0.530.4770.7550.8110.7890.795
14Фронталь0.6850.690.7780.8820.8780.855

Таблица 3: Смягчение вращенных ускорений по типу удара. Серая тень указывает на шлемы, протестированные в рамках текущего исследования. Жирные цифры указывают на сегодняшний день лучшие результаты для конкретного типа удара.

Обсуждение

В то время как последнее поколение шлемов уменьшает 64%-87% трансляционных ускорений и 44%-88% вращательных ускорений, задний аспект современных футбольных шлемов продолжает демонстрировать слабое снижение ударов в целом, особенно при ударах типа 9. Кроме того, хотя более новые H1 в целом не показали лучших результатов по протоколу испытаний, чем SpeedFlex 18, новые шлемы Vicis показали общее улучшение: вращение удара в задней части шлема впервые превысило 50%.

Однако важно отметить, что продолжающаяся разница в показателях снижения ударов между фронтальным и задним аспектами шлема должна быть признана как исключение использования одного показателя для определения качествашлема 34, 35, 48, 49, 50. H2T, который хорошо справлялся с трансляционными ускорениями, но слабо — в снижении вращательных ускорений, наглядно иллюстрирует недостатки использования сингулярной метрики для такого сложного поведенческого профиля. Исторически современные футбольные шлемы успешно справлялись с подвижными ускорениями, но при учёте вращательных ускорений значительно более переменные характеристики(см. рисунок 5).

Следует также отметить, что цели дизайна шлемов, ориентированных на конкретные позиции, по-видимому, не достигаются в нынешней версии шлемов. Для шлемов, зависящих от положения, важно различать трансляционные ускорения, которые многие годы были единственным испытательным режимом, необходимым для NOCSAE, и вращательные ускорения, часто считающиеся наиболее важными для развития травмымозга 36,37,38,39,40,41 . Одним из сильных достоинств используемой здесь методологии является то, что трансляционные и вращательные ускорения характеризуются, нормализуются и неразмерно различаются, что позволяет учитывать обе аспекты при общей оценке и проектировании характеристик шлема. Ещё одним преимуществом является использование ударов голой головы для нормализации набора данных, эффективно исключая различия в жёсткости шеи, наблюдаемые из-за асимметрии в структуре грифа Hybrid III, и обеспечивая простые трансляционные и вращательные смягчения, варьирующиеся от нуля до одного в каждом месте. Этот анализ возможен благодаря одновременной интеграции импульсного молотка для измерения силы в зависимости от времени, передаваемого на форму головки, и массива акселерометров для измерения результирующих ускорений.

Хотя было приложено немало усилий по характеристике ускорения головы во время тренировок и игр на разных уровнях игры, 21, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, величина сил, возникающих при ударах головой, не была охарактеризована на месте. Для оценки максимальных контактных сил в футболе было отмечено, что у старших школьных футболисток и женских футболисток наблюдается почти одинаковое распределение событий ускоренияголовы 61. Лабораторное исследование ударов головой вфутболе 63, в котором измеренная максимальная сила удара составляла примерно 4600 N. Учитывая дополнительную массу шлема, можно ожидать, что пиковые силы будут примерно на 30% выше. Максимальная сила контакта, возникшая в ходе этого исследования, составила 5 307 Н, что в ожидаемом диапазоне 6 000 Н.

Линейные обычно сталкиваются с наибольшим процентом ударов по фронтальнойобласти — 1,12,59,64,65. H2T был лучшим в снижении трансляционных ускорений фронтального аспекта, но уступал другим шлемам при рассмотрении вращательных ускорений. Дополнительный материал, добавленный на передней части шлема, увеличивал его массу, вероятно, помогая смягчить трансляционные ускорения, но, по-видимому, мешал деформации корпуса, вызывая более высокие ускорения вращения. Это удивительная стратегия проектирования, поскольку хорошо известно, что основным механизмом рассеивания энергии шлема Vicis является гибкость корпуса.

В отличие от этого, квотербеки и многие принимающие часто получают серьёзные удары по затылку. H2Q показал лучшие результаты для двух из четырёх типов ударов Rear Aspect при рассмотрении трансляционных ускорений, но при рассмотрении вращательных ускорений ни один из типов ударов Rear Aspect не применялся. Неясно, почему H2Q показал себя хуже в задней части по сравнению с базовым H2. Явных отличий в конструкции шлемов не было, но производитель отмечает различия в материале подкладки в некоторых, неуказанных местах. В будущих исследованиях следует более детально изучить все модели H2 с акцентом на механохимический анализоболочек 66 и покрытия, а также разработку высокоразрешающих вычислительных моделей для анализа динамических структурныххарактеристик 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73. Собранные здесь данные в идеале должны быть комбинированы с предыдущими механическими характеристиками различных материалов, составляющихшлем 66, для генерации конечных элементных анализов, поскольку использование модально настроенного импульсного молотка обеспечивает чётко определённый ввод силы для сопровождения результирующего ускорения. В идеале этот анализ должен проводиться в рамках чувствительнойсистемы 74,75,76,77.

Современный метод известен своей некоторой вариативностью, поскольку человек наносит каждый удар в заранее определённом диапазоне. Для компенсации было обеспечено, что каждый показатель смягчения является результатом 60 независимых ударов, распределённых по установленному диапазону импульсов. Следовательно, это можно рассматривать как особенность протокола тестирования, поскольку удары на поле выполняются с определённой степенью случайности относительно их величины, расположения и угла наклона к поверхности шлема. Ещё один фактор — размер лицевой панели курка. Для контакта шлем с шлемом лицевой панель молотка действует на большую площадь, чем шлем. В отличие от них, для шлема в землю она создаёт меньшую площадь контакта, чем газон. Будущие исследования должны более точно изучить природу этих воздействий. Более общим недостатком любого протокола тестирования шлемов является отсутствие данных, количественно оценивающих фактические силы воздействия, испытываемые на поле боя. В будущем необходимо экспериментально решать эту проблему, так как это поможет уточнить диапазон импульсов, по которым следует рассчитывать меры снижения удара для каждого места на шлеме.

Раскрытие информации

Авторы подтверждают, что у них нет конфликта интересов, связанного с этим исследованием.

Благодарности

Частично поддержку этой работы оказало Бюро компенсаций работникам штата Огайо, проект #WSIC25-240315-028.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Провод акселерометраПьезотроники на ПХБМодель 030C10Обязательно шесть.
Размер взрослого футбольного шлема большой размерТипы шлемов перечислены нижеNAТри из каждой модели использовались для поддержания внешней валидности.
Модуль сбора данныхНациональные инструменты9234
Гибридная III 50-перцентильная головная сборка мужчинГуманетика78051-61X-H
Гибридный III 50-й перцентиль мужского шеиГуманетика78051-90-H
Программное обеспечение LabViewНациональные инструментыNA
НоутбукDellXPS 16Другие модели приемлемы.
Большой мягкий резиновый наконечник для санейПьезотроники на ПХБМодель 084A30. 
Кабель молотка с низким уровнем шумаПьезотроники на ПХБМодель 003D20
Модально настроенный импульсный молотокПьезотроники на ПХБМодель 086D20
Стальные пластиныMidwest Steel and Aлюминий12"x12"x1"Пять пластин, просверленных и прикрепленных болтами, чтобы получить основание для грифа.
Трёхосный акселерометрПьезотроники на ПХБМодель 356A03
Трохосный кабель акселерометраПьезотроники на ПХБМодель 034G05
Одноосный акселерометрПьезотроники на ПХБМодель 352C22/NCОбязательно шесть.
Riddell SpeedflexОбозначается как «H1»
Vicis Zero 2Обозначается как «H2»
Вкоп Vicis Zero 2Обозначается как «H2T»
Vicis Zero 2 QBОбозначается как «H2Q»

Ссылки

  1. Breedlove, E. L., et al. Biomechanical correlates of symptomatic and asymptomatic neurophysiological impairment in high school football. J Biomech. 45 (7), 1265-1272 (2012).
  2. Langlois, J. A., Rutland-Brown, W., Wald, M. M. The epidemiology and impact of traumatic brain injury: A brief overview. J Head Trauma Rehabil. 21 (5), 375-378 (2006).
  3. Langlois, J. A., Rutland-Brown, W., Thomas, K. E. Traumatic Brain Injury in the United States: Emergency Department Visits, Hospitalizations, and Deaths. , (2006).
  4. Black, A. M., Sergio, L. E., Macpherson, A. K. The epidemiology of concussions: Number and nature of concussions and time to recovery among female and male Canadian varsity athletes. Clin J Sport Med. 27 (1), 52-56 (2008).
  5. Baugh, C. M., et al. Frequency of head-impact-related outcomes by position in NCAA Division I collegiate football players. J Neurotrauma. 32 (5), 314-326 (2015).
  6. McCrea, M., Hammeke, T., Olsen, G., Leo, P., Guskiewicz, K. Unreported concussion in high school football players: Implications for prevention. Clin J Sport Med. 14 (1), 13-17 (2004).
  7. Baugh, C. M., Kroshus, E., Meehan, W. P. III, McGuire, T. G., Hatfield, L. A. Accuracy of US college football players' estimates of their risk of concussion or injury. JAMA Netw Open. 3 (12), e2031509(2020).
  8. Baugh, C. M., Kroshus, E., Meehan, W. P., Campbell, E. G. Trust, conflicts of interest, and concussion reporting in college football players. J Law Med Ethics. 48 (2), 307-314 (2020).
  9. Baugh, C. M. Athlete concussion reporting: It is time to think bigger. J Adolesc Health. 66 (6), 643-644 (2020).
  10. Logsdon, A. F., et al. Role of microvascular disruption in brain damage from traumatic brain injury. Compr Physiol. 5 (3), 1147-1160 (2015).
  11. Bailes, J. E., Petraglia, A. L., Omalu, B. I., Nauman, E., Talavage, T. Role of subconcussion in repetitive mild traumatic brain injury. J Neurosurg. 119 (5), 1235-1245 (2013).
  12. Talavage, T. M., et al. Functionally-detected cognitive impairment in high school football players without clinically-diagnosed concussion. J Neurotrauma. 31 (4), 327-338 (2014).
  13. Poole, V. N., et al. MR spectroscopic evidence of brain injury in the non-diagnosed collision sport athlete. Dev Neuropsychol. 39 (6), 459-473 (2014).
  14. Abbas, K., et al. Effects of repetitive sub-concussive brain injury on the functional connectivity of default mode network in high school football athletes. Dev Neuropsychol. 40 (1), 51-56 (2015).
  15. Abbas, K., et al. Alteration of default mode network in high school football athletes due to repetitive subconcussive mild traumatic brain injury: A resting-state functional magnetic resonance imaging study. Brain Connect. 5 (2), 91-101 (2015).
  16. Poole, V. N., et al. Sub-concussive hit characteristics predict deviant brain metabolism in football athletes. Dev Neuropsychol. 40 (1), 12-17 (2015).
  17. Bari, S., et al. Dependence on subconcussive impacts of brain metabolism in collision sport athletes: An MR spectroscopic study. Brain Imaging Behav. 13 (3), 735-749 (2019).
  18. Svaldi, D. O., et al. Cerebrovascular reactivity changes in asymptomatic female athletes attributable to high school soccer participation. Brain Imaging Behav. 11 (1), 98-112 (2017).
  19. Chun, I. Y., et al. DTI detection of longitudinal WM abnormalities due to accumulated head impacts. Dev Neuropsychol. 40 (2), 92-97 (2015).
  20. Diekfuss, J. A., et al. Evaluation of the effectiveness of newer helmet designs with emergent shell and padding technologies versus older helmet models for preserving white matter following a season of high school football. Ann Biomed Eng. 49 (10), 2863-2874 (2021).
  21. Jang, I., et al. Every hit matters: White matter diffusivity changes in high school football athletes are correlated with repetitive head acceleration event exposure. Neuroimage Clin. 24, 101930(2019).
  22. Montenigro, P. H., et al. Cumulative head impact exposure predicts later-life depression, apathy, executive dysfunction, and cognitive impairment in former high school and college football players. J Neurotrauma. 34 (2), 228-340 (2016).
  23. Turner, R. C., et al. Repetitive traumatic brain injury and development of chronic traumatic encephalopathy: A potential role for biomarkers in diagnosis, prognosis, and treatment. Front Neurol. 3, 186(2012).
  24. McKee, A. C., et al. Chronic traumatic encephalopathy in athletes: Progressive tauopathy after repetitive head injury. J Neuropathol Exp Neurol. 68 (7), 709-735 (2009).
  25. Omalu, B. I., Hamilton, R. L., Kamboh, M. I., DeKosky, S. T., Bailes, J. Chronic traumatic encephalopathy (CTE) in a National Football League player: Case report and emerging medicolegal practice questions. J Forensic Nurs. 6 (1), 40-46 (2010).
  26. Stern, R. A., et al. Long-term consequences of repetitive brain trauma: chronic traumatic encephalopathy. PM R. 3 (10 Suppl 2), S460-S467 (2011).
  27. Levy, M. L., Ozgur, B. M., Berry, C., Aryan, H. E., Apuzzo, M. L. Birth and evolution of the football helmet. Neurosurgery. 55 (3), discussion 661-652 661-652 (2004).
  28. Bartsch, A., Benzel, E., Miele, V., Prakash, V. Impact test comparisons of 20th and 21st century American football helmets. J Neurosurg. 116 (1), 222-233 (2012).
  29. Breedlove, K. M., Breedlove, E. L., Bowman, T. G., Arruda, E. M., Nauman, E. A. The effect of football helmet facemasks on impact behavior during linear drop tests. J Biomech. 79, 227-231 (2018).
  30. Bartsch, A., Benzel, E., Miele, V., Morr, D., Prakash, V. Hybrid III anthropomorphic test device (ATD) response to head impacts and potential implications for athletic headgear testing. Accid Anal Prev. 48, 285-291 (2012).
  31. Post, A., Dawson, L., Hoshizaki, T. B., Gilchrist, M. D., Cusimano, M. D. Development of a test method for adult ice hockey helmet evaluation. Comput Methods Biomech Biomed Engin. , 1-13 (2020).
  32. Clark, J. M., Hoshizaki, T. B., Gilchrist, M. D. Protective capacity of an ice hockey goaltender helmet for three events associated with concussion. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 20 (12), 1299-1311 (2017).
  33. Hoshizaki, T. B., Post, A., Oeur, R. A., Brien, S. E. Current and future concepts in helmet and sports injury prevention. Neurosurgery. 75 (Suppl 4), S136-S148 (2014).
  34. Cummiskey, B., et al. Quantitative evaluation of impact attenuation by football helmets using a modal impulse hammer. Proc IMechE Part P: J Sports Eng Technol. 233 (2), 301-311 (2019).
  35. McIver, K. G., et al. Design considerations for the attenuation of translational and rotational accelerations in American football helmets. J Biomech Eng. 145 (6), 061008(2023).
  36. Ommaya, A. K., Hirsch, A. E., Flamm, E. S., Mahone, R. H. Cerebral concussion in the monkey: an experimental model. Science. 153 (3732), 211-212 (1966).
  37. Ommaya, A. K., Grubb, R. L. Jr, Naumann, R. A. Coup and contre-coup injury: observations on the mechanics of visible brain injuries in the rhesus monkey. J Neurosurg. 35 (5), 503-516 (1971).
  38. Ommaya, A. K., Boretos, J. W., Beile, E. E. The Lexan calvarium: an improved method for direct observation of the brain. J Neurosurg. 30 (1), 25-29 (1969).
  39. Ommaya, A. K., Faas, F., Yarnell, P. Whiplash injury and brain damage: An experimental study. JAMA. 204 (4), 285-289 (1968).
  40. Goldsmith, W., Monson, K. L. The state of head injury biomechanics: past, present, and future Part 2: physical experimentation. Crit Rev Biomed Eng. 33 (2), 105-207 (2005).
  41. Goldsmith, W. The state of head injury biomechanics: past, present, and future: Part 1. Crit Rev Biomed Eng. 29 (5-6), 441-600 (2001).
  42. Holbourn, A. Mechanics of head injuries. Lancet. 242 (6267), 438-441 (1943).
  43. Ommaya, A. K., Hirsch, A. E., Yarnell, P., Harris, E. H. Technical Report 670906: Scaling of experimental data on cerebral concussion in sub-human primates to concussion threshold for man. SAE Tech Paper. , (1967).
  44. Cummiskey, B., et al. Reliability and accuracy of helmet-mounted and head-mounted devices used to measure head accelerations. Proc IMechE Part P: J Sports Eng Technol. 231 (2), 144-153 (2017).
  45. Padgaonkar, A. J., Krieger, K. W., King, A. I. Measurement of angular acceleration of a rigid body using linear accelerometers. ASME J Appl Mech. 42 (3), 552-556 (1975).
  46. Barenblatt, G. I. Scaling, self-similarity, and intermediate asymptotics: Dimensional analysis and intermediate asymptotics. , Cambridge University Press. (1996).
  47. McIver, K. G., et al. Impact attenuation of male and female lacrosse helmets using a modal impulse hammer. J Biomech. 95, 109313(2019).
  48. Leiva-Molano, N., et al. Evaluation of impulse attenuation by football helmets in the frequency domain. J Biomech Eng. 142 (6), 061012(2020).
  49. Rowson, B., Rowson, S., Duma, S. M. Hockey STAR: a methodology for assessing the biomechanical performance of hockey helmets. Ann Biomed Eng. 43 (10), 2429-2443 (2015).
  50. Rowson, S., Duma, S. M. Development of the STAR evaluation system for football helmets: integrating player head impact exposure and risk of concussion. Ann Biomed Eng. 39 (8), 2130-2140 (2011).
  51. Linder, A. A new mathematical neck model for a low-velocity rear-end impact dummy: evaluation of components influencing head kinematics. Accid Anal Prev. 32 (2), 261-269 (2000).
  52. Guskiewicz, K. M., et al. Measurement of head impacts in collegiate football players: relationship between head impact biomechanics and acute clinical outcome after concussion. Neurosurgery. 61 (6), discussion 1252-1243 1244-1252 (2007).
  53. McCaffrey, M. A., Mihalik, J. P., Crowell, D. H., Shields, E. W., Guskiewicz, K. M. Measurement of head impacts in collegiate football players: clinical measures of concussion after high- and low-magnitude impacts. Neurosurgery. 61 (6), discussion 1243 1236-1243 (2007).
  54. Greenwald, R. M., Gwin, J. T., Chu, J. J., Crisco, J. J. Head impact severity measures for evaluating mild traumatic brain injury risk exposure. Neurosurgery. 62 (4), 789-798 (2008).
  55. Duma, S. M., et al. Analysis of real-time head accelerations in collegiate football players. Clin J Sport Med. 15 (1), 3-8 (2005).
  56. Brolinson, P. G., et al. Analysis of linear head accelerations from collegiate football impacts. Curr Sports Med Rep. 5 (1), 23-28 (2006).
  57. Siegmund, G. P., Guskiewicz, K. M., Marshall, S. W., DeMarco, A. L., Bonin, S. J. A headform for testing helmet and mouthguard sensors that measure head impact severity in football players. Ann Biomed Eng. 42 (9), 1834-1845 (2014).
  58. Lee, T. A., et al. Distribution of head acceleration events varies by position and play type in North American football. Clin J Sport Med. , (2020).
  59. Robinson, M. E., et al. The role of location of subconcussive head impacts in fMRI brain activation change. Dev Neuropsychol. 40 (2), 74-79 (2015).
  60. Broglio, S. P., et al. Cumulative head impact burden in high school football. J Neurotrauma. 28 (10), 2069-2078 (2011).
  61. Lee, T., et al. Head acceleration event metrics in youth contact sports more dependent on sport than level of play. Proc Inst Mech Eng H. 235 (2), 208-221 (2021).
  62. Walter, A. E., et al. Head acceleration event exposure and cognitive and functional outcomes: A comparison of multiple football seasons. Res Sports Med. 32 (1), 122-131 (2024).
  63. Auger, J., et al. Factors affecting peak impact force during soccer headers and implications for the mitigation of head injuries. PLoS One. 15 (10), e0240162(2020).
  64. Broglio, S. P., Eckner, J. T., Kutcher, J. S. Field-based measures of head impacts in high school football athletes. Curr Opin Pediatr. 24 (6), 702-708 (2012).
  65. Broglio, S. P., et al. Head impacts during high school football: A biomechanical assessment. J Athl Train. 44 (4), 342-349 (2009).
  66. Bower, D., et al. Mechanical characterization of athletic helmet shells. Sports Biomech. 23 (2), 241-252 (2024).
  67. Giudice, J. S., et al. Finite element model of a deformable American football helmet under impact. Ann Biomed Eng. 48 (5), 1524-1539 (2020).
  68. Bruneau, D. A., Cronin, D. S. Head and neck response of an active human body model and finite element anthropometric test device during a linear impactor helmet test. J Biomech Eng. 142 (2), (2020).
  69. Darling, T., Muthuswamy, J., Rajan, S. D. Finite element modeling of human brain response to football helmet impacts. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 19 (13), 1432-1442 (2016).
  70. Sport helmet design and virtual impact test by image-based finite element modeling. Luo, Y., Liang, Z. Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc, 2013, 7237-7240 (2013).
  71. Clark, J. M., Hoshizaki, T. B., Gilchrist, M. D. Assessing women's lacrosse head impacts using finite element modelling. J Mech Behav Biomed Mater. 80, 20-26 (2018).
  72. Post, A., Oeur, A., Walsh, E., Hoshizaki, B., Gilchrist, M. D. A centric/non-centric impact protocol and finite element model methodology for the evaluation of American football helmets to evaluate risk of concussion. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 17 (16), 1785-1800 (2014).
  73. Post, A., Hoshizaki, B., Gilchrist, M. D. Finite element analysis of the effect of loading curve shape on brain injury predictors. J Biomech. 45 (4), 679-683 (2012).
  74. Cotter, S. A screening design for factorial experiments with interactions. Biometrika. 66 (2), 317-320 (1979).
  75. Cook, D., Julias, M., Nauman, E. Biological variability in biomechanical engineering research: significance and meta-analysis of current modeling practices. J Biomech. 47 (6), 1241-1250 (2014).
  76. Cook, D. D., Nauman, E., Mongeau, L. Ranking vocal fold model parameters by their influence on modal frequencies. J Acoust Soc Am. 126 (4), 2002-2010 (2009).
  77. Schuff, M. M., Gore, J. P., Nauman, E. A. A mixture theory model of fluid and solute transport in the microvasculature of normal and malignant tissues. II: factor sensitivity analysis, calibration, and validation. J Math Biol. 67 (6-7), 1307-1337 (2013).

Перепечатки и разрешения

Теги

Hybrid III
Смягчение воздействия в современных футбольных шлемах: достижения и ограничения дизайна, специфичных для позиций
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.