미식 축구 헬멧에 대한 수정 드롭 탑 충격 테스트
Summary
This article provides a novel technique to assess the performance characteristics of American football helmets by inclusion of faceguards during NOCSAE Standard drop tests. Additionally, two more impact locations are proposed to be added to the NOCSAE certification.
Abstract
A modified National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment (NOCSAE) test method for American football helmet drop impact test standards is presented that would provide better assessment of a helmet’s on-field impact performance by including a faceguard on the helmet. In this study, a merger of faceguard and helmet test standards is proposed. The need for a more robust systematic approach to football helmet testing procedures is emphasized by comparing representative results of the Head Injury Criterion (HIC), Severity Index (SI), and peak acceleration values for different helmets at different helmet locations under modified NOCSAE standard drop tower tests. Essentially, these comparative drop test results revealed that the faceguard adds a stiffening kinematic constraint to the shell that lessens total energy absorption. The current NOCSAE standard test methods can be improved to represent on-field helmet hits by attaching the faceguards to helmets and by including two new helmet impact locations (Front Top and Front Top Boss). The reported football helmet test method gives a more accurate representation of a helmet’s performance and its ability to mitigate on-field impacts while promoting safer football helmets.
Introduction
자극
이 수정 드롭 탑 시험 방법의 주요 목표는 더 밀접하게 미식 축구 헬멧 시스템에 필드에 미치는 영향을 나타내는 강화 된 안전 기준을 촉진하는 것입니다. 수반 시험 방법은 헬멧 효과적으로 진동 방지를위한 개선 된 헤드 기어를 개발하는데 필요한 지식 체계 응답을 제공 할 수있다. 뇌진탕의 발생은 지속적으로 같은 미식 축구와 같은 접촉 스포츠를 괴롭혀왔다. 혼자 미국에서 스포츠 관련 뇌진탕은 160 만 3.8 배 매년 발생하는 것으로 추정되고있다. 한 축구 선수는 1,500 개 이상의 머리에 미치는 영향 각 계절을 가질 수 있습니다. 2, 3, 가장 영향의 크기가 서브 진탕 수 있지만, 만성 외상성 뇌병증 (CTE)로 알려져 충격에 의한 신경 퇴행성 질환에 대한 장기적인 뇌 손상으로 이어질 수 이러한 영향의 축적. 4CTE는 기억 상실, 행동 및 성격 변화, 파킨슨 증후군, 음성, 때로는 자살하게되었다 걸음 걸이의 이상에 이르는 뇌에서 타우 단백질의 축적에 연결되어 있습니다. 5 축구 헬멧은 지난 15 년 동안 몇 가지 기술 발전을 이루어 왔지만, 오늘날 가장 진보 된 헬멧은 완전히 헬멧에 입사 힘을 모두 완화하지 않으며, 따라서 운동 선수는 여전히 뇌진탕이 발생. BARTSCH 등에 의해 수행 연구. 6 보여 주었다 많은 경우에 머리 충격 용량과 머리 부상 위험, 빈티지 레더 헬멧은 널리 사용되는 21 세기 헬멧을 착용하는 것과 비슷 하였다 입고 축구 헬멧의 설계 및 시험 기준 개선의 필요성을 설명하면서. 특히, NOCSAE 인증 7은 헬멧에 대한 낙하 시험에 포함될 면갑을 필요로하지 않는다. t에서 추가 된 강성그는 극적으로 전체 기계적 응답을 바꿀 것 헬멧에 연결된 면갑. 본 연구는 안전 헬멧의 디자인을 촉진하는 구동력이 될 것보다 강력한 헬멧 안전 기준을 제공하는 방법을 수반한다.
배경
머리 부상 메트릭
뇌진탕과 관련된 정확한 생물학적 메커니즘은 알 수없는 남아 있습니다. 많은 작업은 다양한 부상 측정에 의해 머리 부상의 허용 오차를 정량화하는 시도에서 수행되었지만, 불일치는 이러한 기준에 관한 생물 의학 사회에서 생겨났다. 선가 속도, 회전 가속도 영향 기간 및 임펄스 이러한 손상 메커니즘은 여러 엔티티들에 관한 가정된다. 8, 9, 10, 11, 일부 손상 기준 선형 가속도의 측정 등의 충격을 정의하는 데 사용되어왔다. 웨인 주립 공차 곡선 (WSTC) <suP 클래스 = "외부 참조"> 12, 13, 14는 충돌 시간 대 선형 가속 임계 곡선 경계를 정의하여 정면 충돌시 자동차 충돌 용 두개골 골절을 예측하기 위해 개발되었다. WSTC는 심각도 지수 (SI) (11) 기타 부상 기준에 대한 기초 역임했다 그리고 머리 부상 기준 (HIC), (15)은 두 개의 가장 일반적으로 사용되는 기준입니다. 는 SI 및 HIC 선형 가속 시간 프로파일의 가중 적분에 따라 모두 측정에 미치는 영향 심각도. 이러한 기준은 선형 가속을위한 임계 값을 정의하지만, 다른 기준은 이러한 헤드 충격 에너지 지표로서, 회전 가속도를 설명하기 위해 제안되었다. 8, 10, 16 오늘의 헬멧 테스트 표준은 종종 웨인 상태에 따라 부상 기준을 사용lerance 곡선 (즉 HIC 또는 SI) 또는 최대 가속도 기준 또는 두 경우가있다. 일부 수정이 표준 성능 기준에 각가속도를 추가하는 데 필요한 반면, 선형 가속도 기반 기준 지배적 남아있다.
본 연구에서 사용 된 측정 항목을 제공하는 각 헬멧 피크 얻어진 가속도, SI 및 HIC 값이 있었던 상대 안전성을 평가한다. 이러한 통계 만 SI는 운동 장비 (NOCSAE) 축구 헬멧 표준 규격에 현재 전국 운영위원회의 평가를 위해 사용된다. Si를 다음 식에 기반
(1)
A는 헤드의 무게 중심 (CG)의 병진 가속이고, t는 가속 구간이다. 11, 17 SI는 따라 t를 계산 하였다계산이 결과 가속도 곡선을 따라 4 G 임계 값에 의해 제한된다 NOCSAE 표준 (18), 오. 내 HIC 값은 다음 식으로 계산했다
(2)
(A)는 머리의 CG의 병진 가속이고, t 1, t 2 HIC가 최대 값을 달성하는 간격으로 각각의 초기 및 최종 시간 어디. 모든 HIC 값은 시간 간격의 지속 기간이 36 밀리 초에 한정되어 있었다 HIC 36 본 연구에서 계산.
NOCSAE 축구 헬멧 테스트 기준
NOCSAE 개요
1969 년 NOCSAE은 스포츠 관련 상해를 감소시키는 것을 목표로 축구 헬멧 / faceguards 및 기타 스포츠 장비 미국에 대한 성능 기준을 개발하기 위해 형성되었다. 17 NOCSAE 축구 헬멧 표준은 축구 헬멧 / faceguards에 대한 충격 감쇠와 구조적 무결성에 대한 요구 사항을 설정하여 머리 부상을 줄일 수 웨인 주립 대학의 박사 보이트 호지 슨 (9)에 의해 개발되었다. 이 축구 헬멧 표준 인증 테스트 및 헬멧 매년 재 인증 절차를 포함한다. 2015 년 NOCSAE 특정 미국 표준 협회 (ANSI) 헬멧 인증 공인 체의 사용을 필요로하는 품질 관리 프로그램을 구현 하였다.
NOCSAE 시험 방법
헬멧 삭제가 수행되기 전에 자신의 제거를 위해 호출과 같이 NOCSAE 축구 헬멧 표준 faceguards와 헬멧의 테스트가 포함되어 있지 않습니다. NOCSAE 헬멧 검사 기준 (17)은 필요한 충격 속도로 headform 헬멧 조합을 가속 중력에 의존하는, 트윈 와이어 드롭 임팩터를 이용한다. NOCSAE의 headform는 승 계측한다무게 중심에서 i 번째 축 가속도계. headform 헬멧 조합은 12.7 mm 두께의 하드 고무 모듈 형 엘라스토머 프로그래머 (MEP) 패드로 덮여 강철 모루에 특정 속도로 삭제됩니다. 충돌시에, 순간 가속도가 기록되고, SI의 값이 계산된다. 이러한 SI 값 패스 비교하고 / 주위의 고온의 영향을 포함하여 필요한 충격 위치와 속도 및 두 개의 온도, 다양한 기준을 통해 실패. 미치는 영향에 대한 결과 SI 값이 임계 값을 위반한다면, 헬멧이 시험을 통과하지 않을 것이다.
별도의 표준 시험 방법은 축구 면갑 인증에 사용됩니다. NOCSAE 축구 면갑 표준 구조적 분석뿐만 아니라 면갑, 턱끈의 충격 감쇠 성능을 평가하고, 그 부착 시스템을 포함한다. 각각의 영향을 측정없이 얼굴 접촉없이 나와 함께, 테스트를 통과하는 1,200 SI 이하 여야합니다NOCSAE 표준에 의해 정의 된 임의의 요소의 기계적인 고장. (19)
이 제안 추가 NOCSAE 시험 (리니어 임팩터 (LI))를 면갑와 헬멧을 포함 20이지만 크라운 영향을 인정할 수 없기 때문에 그것은 축구 헬멧 인증에 적합하지 않습니다. 리는 각가속도를 유도하기 위해 선형 베어링에 탑재 된 하이브리드 III 더미 목 구비 한 NOCSAE의 headform에 위치 된 헬멧 영향을 공압 RAM을 사용한다. 이러한 이유로 LI 시험을 추가로 현재 트윈 와이어 NOCSAE 낙하 시험 절차와 시험이 아닌 대체합니다. 20 대신 LI 테스트 (21), 우리는 단순히 현재의 트윈 와이어 낙하 시험 절차에 두개 이상의 시나리오를 추가 제안한다.
축구 헬멧의 인증에 대한 NOCSAE 표준 시험 방법은 현재 여섯 소정의 충격 삶을을 포함TIONS 한 임의의 충격 위치. 소정의 충돌 위치는 다음과 같다 : 프론트 (F), 프론트 보스 (FB)의 측면 (S), 뒤 (R), 후방 보스 (RB) 및 상위 (T)를. 임의의 충돌 위치 시험 헬멧 정의 된 허용 가능한 영향 영역 내의 임의의 지점에서의 영역을 선택할 수있다. 우리의 수정 NOCSAE 드롭 탑 테스트를위한 충격 위치는 프론트 맨 (FT)와 프론트 맨 보스 (FTB) 충격 위치로 선정 된 것과 이전에 정의 된 전면 및 전면 보스 충격 위치를 교체 포함한다. 우리의 전면 상단과 전면의 최고 보스 충격 위치는 낙하 시험에 대한 면갑을 포함 라크로스 헬멧에 대한 NOCSAE 표준의 전면과 오른쪽 전면 보스 충격 위치와 동일합니다. 교체 된 전면 및 전면 보스의 위치를 포함하여 22 헬멧 쉘 충격 위치는,도 1에 도시된다. 또한, 우리의 본 연구의 수정 된 헬멧 시험 방법은 두 면갑 IMPAC를 포함FG 형 전면 및 FG 바닥 선정됐다 t 위치. 두 면갑 영향 위치는 현재 NOCSAE 면갑 인증 절차에 필요한 충격 위치와 동일합니다. 본 연구의 수정 NOCSAE 충격 시험의 팔 충격 위치는 그림 2에 표시됩니다.
그림 1 : 축구 헬멧에 대한 대략적인 충격 위치. 여섯 현재 NOCSAE 낙하 시험 헬멧 충격 위치 프론트 (F), 프론트 보스 (FB)의 측면 (S), 탑 (T), 뒤 (R) 및 후방 보스 (RB), 두 제안 충격 위치 요구 , 프론트 맨 (FT) 및 전면의 최고 보스 (FTB). 참고 : 보호 헤드 기어에 대한 NOCSAE 표준 시험 방법은 전면 상단과 전면의 최고 보스 충격 위치를 포함하지 않는 (빨간색 텍스트로 표시)이 연구들은 전면과 전면 보스 충격 위치를 교체합니다. (이미지 NOCSAE의 DOC에서 수정했습니다. 001-13m15b) <a= "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg"대상 = "_ 빈"HREF>이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2 : 팔 충격 위치를 보여주는 NOCSAE 드롭 테스트 설정을 수정. 프론트 맨, 프론트 맨 보스, 사이드, 면갑 (FG) 전면, 후면, 후면 보스, 탑, 그리고 면갑 바닥 (FB). 참고 : NOCSAE 표준은 면갑 첨부 파일을 포함하지 않고, 여기에 전면 상단과 전면의 최고 보스는 표준 전면 및 전면 보스 충격 위치를 교체합니다. (NOCSAE의 DOC에서 수정 된 이미지입니다. 002-11m12) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
NOCSAE 축구 헬멧 표준은 시간과 면갑을 포함하지 않은 반면, 헬멧 디자인은 점진적으로, 지난 10 년간 변경축구 헬멧의 성능 사양을 평가 ELMET. 동안은, 최근에 개정이 패스를 포함하도록 만들어졌다 / 1997 년 이전 1997 년 17 이후 변경되지 않은 가장 낮은 속도에 미치는 영향 (3.46 m / s)로, 일반 패스 / 1,200 SI의 한계를 실패 300 SI의 값을 실패, NOCSAE은 / 기준을 실패 패스 1,500 SI를 사용했다. 호지 슨 등. (1970) (540)의 SI 값이 비 쓰게 사체 충격 시험에서 선형 두개골 골절을 생산하면서보다 큰 1,000 SI 값, 생활에 위험이 있음을 보여 주었다. 23 대부분의 현대 축구 헬멧은 아니지만 SI (540) 아래에 잘 1,200 SI 한계 이하 통과 보여 주었다.
Protocol
Representative Results
Discussion
부부가 축구 헬멧과 면갑 드롭 충격 시험을 NOCSAE보고 된 방법론은 현대 축구 헬멧의 더 나은 성능 특성을 평가하기 위해 독특한 기술을 제공합니다. 현대 풋볼 헬멧이 더 나은 성능 특성을 평가하기위한 가장 중요한 단계들은 다음과 같다 : 1)로 정확하게 기계적 테스트 장치를 설정하는 단계; 2) 정확하게 교정 절차를 수행; 3) 제대로 headform에 헬멧 / 면갑를 부착.
이 방법론은…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge the Center for Advanced Vehicular Systems (CAVS) at Mississippi State University for providing testing facilities and Rush Sports Medical of Meridian, Mississippi for their monetary support.
Materials
| PCB Triaxial Accelerometers | PCB | Model 353B17 | |
| TDAS2 Data Acqusition System | Diversified Technical Systems, Inc. | TDAS2 | Or an equivalent Data Acquisition System |
| Current Source (Amplifier) | Dytran Instruments, Inc. | 4114B1 | Or equivalent |
| Velocity gate and flag | CADEX | SB203 | Or an equivalent velocimeter |
| Selected Football Helmet(s)/faceguard assem. | including chinstrap and faceguard hardware | ||
| Height Gauge | |||
| Torque wrench | Snap-on | QD21000 | range to 200 in/lb minimum, 5 % accuracy |
| Twin-wire Guide Assembly | |||
| Drop Carriage | SIRC | 1001 | |
| 1/2" MEP Testing Pad | SIRC | 1006 | |
| 1/8" Faceguard Testing Pad | SIRC | 1007 | |
| 3" MEP Calibration Pad | SIRC | 1005 | Including Annual NOCSAE Calibration Pad Qualification Report |
| 3/8" Hook-eye Turnbuckle | SIRC | 1043 | Forged Steel with a 6" take-up |
| 1/8" Wire Rope Thimble | SIRC | 1044 | |
| 1/8" Spring Music Wire | SIRC | 1045 | |
| 1/8" Wire Rope, Tiller Rope Clamp, Bronze | SIRC | 1046 | |
| 3/8" 16 x 3 “ Eye Bolt | SIRC | 1041 | |
| 3/8" Forged Eye Bolt | SIRC | 1040 | |
| Right Angle DC Hoist Motor | SIRC | 2000 | |
| Single Groove Sheave (Pulley), 3 ¾" | SIRC | 2002 | |
| Top Mount Plate | SIRC | 2003 | |
| 18" Top Channel Bracket | SIRC | 2004 | |
| Wall Mount Channel Bracket, 4' x 1 5/8" | SIRC | 2005 | |
| Mechanical Release System | SIRC | 2006 | |
| Lift Cable, Wire Rope, 20' Coil | SIRC | 2007 | |
| Anvil Base Plate | SIRC | 2010 | |
| Anvil | SIRC | 2011 | |
| Headform Adjuster | SIRC | 2012 | |
| Headform Rotator Stem | SIRC | 2013 | |
| Headform Threaded Lock ring | SIRC | 2016 | |
| Headform Collar | SIRC | 2014 | |
| Nylon Bushing | SIRC | 1803 | |
| Small Headform | SIRC | 1100 | |
| Medium Headform | SIRC | 1101 | |
| Large Headform | SIRC | 1102 | |
| Taper-Loc Bolt | |||
| DC Motor Speed Controller (Reversible) | SIRC | 2001 | |
References
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