على سرير اختبار لدراسة تناسب خوذة والاحتفاظ بها والتدابير النشاط الحيوي للرأس، وإصابة في العنق في أثر المحاكاة
Summary
استخدام القياسات البشرية الرأس والرقبة، المستندة إلى الألياف الضوئية تناسب القوة محولات الطاقة، صفيف من التعجيل بالرأس والرقبة القوة/لحظة محولات الطاقة، ومزدوج عالية السرعة نظام الكاميرا، ونحن هذا على سرير اختبار لدراسة الاحتفاظ بالخوذة وآثار على النشاط الحيوي التدابير من إصابات الرأس والرقبة ثانوية بالنسبة لتأثير الرأس.
Abstract
الحكمة التقليدية واللغة المستخدمة في معايير الاختبار ومنح الشهادات الدولية خوذة توحي أن تناسب الخوذة المناسبة والاحتفاظ بها أثناء تأثير عوامل هامة في حماية حينها خوذة من الضرر الناجم عن تأثير. هذه المخطوطة وتهدف إلى التحقيق في الإصابات الناجمة عن تأثير آليات في سيناريوهات مختلفة خوذة تناسب من خلال تحليل محاكاة الآثار يشهرون بجهاز اختبار انثروبومتريه (الحركة)، مجموعة من محولات الطاقة تسريع هيادفورم والرقبة القوة/ لحظة محولات الطاقة ونظام كاميرا مزدوجة عالية سرعة، وأجهزة استشعار الخوذة تناسب القوة المتقدمة في مجموعتنا البحث استناداً إلى براج المشابك في الألياف الضوئية. لمحاكاة الآثار، تقع هيدفورم الآلية والرقبة المرنة على طول السكك الحديدية دليل خطي على سندان. يسمح السرير اختبار محاكاة لتأثير الرأس سرعات تصل إلى 8.3 m/s، على أثر الأسطح المسطحة والزاوية. هيدفورم هو يتناسب مع خوذة تحطم ويمكن محاكاة السيناريوهات تناسب عدة بإجراء تعديلات محددة في سياق مؤشر وضع خوذة و/أو حجم خوذة. للتحديد الكمي للإبقاء على خوذة، هو كمياً حركة خوذة على رأسه باستخدام تحليل الصور وظيفة مخصصة. للتحديد الكمي لإصابة الرأس والرقبة المحتملة، يتم قياس النشاط الحيوي تدابير تستند إلى هيدفورم الرقبة وتسريع القوة/لحظة. هذه التدابير النشاط الحيوي، من خلال المقارنة مع منحنيات التسامح البشرية الثابتة، يمكن تقدير مخاطر تهدد الحياة شديدة و/أو إصابة في الدماغ منتشر خفيف والرقبة أوستيوليجامينتوس الإصابة. على حد علمنا، قدم الاختبار-السرير هو الأول وضعت خصيصا لتقييم آثار النشاط الحيوي على إصابات الرأس والرقبة بالنسبة إلى خوذة ملائمة والاحتفاظ بها.
Introduction
وتقترح الأدلة الوبائية الأكثر خوذات الدراجات توفير الحماية من إصابات في الرأس لراكبي الدراجات من جميع الإعمار1. ويعرض الأدب النشاط الحيوي موضوع يتفق أن يديم خوذات الرأس نسبيا أقل شدة إصابات الرأس/الدماغ الثانوي للتأثير، بالنسبة للرأس (خوذات الأمم المتحدة) غير المحمية2. بعض الأبحاث تشير إلى أن احتواء خوذة الفقيرة يرتبط بزيادة خطر إصابة في الرأس3، مما يعني ضمناً أن ذوي الخوذ البيض الأكثر فعالية عندما تناسب بشكل صحيح. اعتماداً على المعايير المستخدمة لتحديد ملاءمة خوذة جيدة، تم العثور على استخدام الخوذة غير صحيحة أن يصل إلى 64% بين راكبي الدراجات يشهرون3. وعلى الرغم من الأدلة الوبائية مما يدل على أن خوذة تناسب ذات الصلة في خطورة أو احتمال إصابة في الرأس في أثر، هناك تقدير الحد الأدنى من العمل التجريبي في بيئة مختبرية تحت التحكم أم لا تناسب خوذة الصحيح أو الإبقاء على خوذة وقد أثر كبير على التدابير النشاط الحيوي للإصابة. ويتصل أحد يحقق دراسة تأثير التحجيم خوذة دراجة نارية خلال آثار يشهرون محاكاة نموذج عنصر محدود4. أخرى ذات صلة في الدراسة ويحقق أثر التحجيم خوذة أثناء الآثار التجريبية5 أثناء استخدام ضغط الفيلم الحساسة للتحديد الكمي لتناسب القوى في كرة القدم ذوي الخوذ البيض. وقد أثر نظم الاحتفاظ بآثار خوذة دراجة ودراجة نارية التحقيق6،7، فضلا عن سيناريو احتواء متخلفة للصبيان6.
عملنا ويقترح أساليب لدراسة تأثير خوذة دراجة احتواءه على خطر الإصابة بأجهزة استشعار القوة خوذة تناسب، ومحاكاة الآثار مع لرئيس انثروبومتريه والرقبة، والكاميرات عالية السرعة مجسمة. أهداف لدينا الأساليب المقترحة هي لتناسب قياس وتقييم خطر الإصابة في سيناريوهات مختلفة أثر واقعية. وعلى النقيض من الأساليب ذات الصلة، يحقق عملنا خوذة دراجة تناسب، حيث يتنوع استخدام الخوذة المناسبة. يتم تحديد طرق مماثلة إلى السابقة، الكينماتيكا رئيس؛ ومع ذلك، أيضا كمياً تحميل الرقبة وتشريد خوذة الرأس. على الرغم من أن علم الأوبئة لإصابة في العنق في ركوب الدراجات يوحي بأن إصابات الرقبة غير المألوف، أنها تميل إلى أن تكون مقترنة بآثار الرأس أكثر شدة والاستشفاء8،9. الأدلة مختلطة في أم لا يقلل استخدام الخوذة معدلات إصابة الرقبة8 ، وأي من الدراسات الوبائية المذكورة قياس جوانب خوذة ملائمة. وبالنظر إلى حقيقة أن إصابة في العنق في ركوب الدراجات تميل إلى أن تكون مرتبطة بحوادث أكثر شدة وخوذة أن صالح لم تنظر في الرقبة وبائيات الإصابة، أساليب لفحص إصابة الرأس والرقبة قيمة في النشاط الحيوي للبحث. ويمكن استخدام هذه الأساليب التجريبية في دراسات النشاط الحيوي التي تكمل الدراسات الوبائية التي لا يمكن في جميع الحالات التحكم لشدة تأثير أو خوذة ملائمة.
في عملنا، وتم وضع طريقة جديدة لرصد الطلبات النسبي بين الرأس وخوذة أثناء تأثير. القدرة على رصد ما إذا كانت أو لم يتحرك الخوذة على رأسه يمكن أن تعطي نظرة متعمقة في الاستقرار خوذة والتعرض للرأس غير المحمية للإصابة خلال الأثر. في دراسة التحقيق خوذة ملائمة، الاستقرار الخوذة والرأس التعرض قيمة خاصة في تقييم أداء خوذة. على النقيض من الأعمال ذات الصلة، وتأثير مختلف وتناسب ستختبر أيضا سيناريوهات التشديد على خوذة متنوعة لتحديد المواقع.
حاليا، الصحيح خوذة تناسب نونسبيسيفيكالي محددة وموضوعية. وبصفة عامة، خوذة جيدة تناسب يتسم بالاستقرار والموقف. ينبغي أن تكون مقاومة لحركة المضمون مرة على رأسه الخوذة، ويجب أن ترحل إلى حيث لا تغطي الحاجبين والجبين لا يتعرض مفرطة. وعلاوة على ذلك، ينبغي أن تناسب تقريبا إصبع واحد في عرض الفضاء بين الذقن و chinstrap3. تدابير لتحديد خوذة تناسب ليست واسعة الانتشار؛ خلاف القوة، وقد قارن أساليب تناسب خوذة استناداً إلى مقارنة الهندسة الرأس وخوذة. أحد هذه الأساليب هو “مؤشر تناسب خوذة” اقترحها Ellena et al. 10-لدينا الطريقة المقترحة للتحديد الكمي لتناسب خوذة، قوة ملاءمة أجهزة الاستشعار، ويخلق وسيلة موضوعية لمقارنة سيناريوهات مختلفة خوذة تناسب في شكل المتوسط والانحراف المعياري للقوات التي تمارس على رأسه. تناسب هذه القوة تمثل قيم ضيق لخوذة، فضلا عن اختلاف ضيق ذوي الخبرة على رأسه. توفر أجهزة الاستشعار هذه مقارنة كمياً للقوات التي يمكن إجراؤها بين سيناريوهات مختلفة تناسب. خوذة ملائمة ضيق آمنة سوف تظهر القوات أعلى بينما خوذة فضفاضة سوف تظهر قوات أقل. يشبه هذا الأسلوب لقياس قوة تناسب “متوسط مؤشر تناسب” اقترحها جاديشكي5. ومع ذلك، أساليب جاديشكي للاستفادة من ضغط الفيلم الحساسة. أجهزة الاستشعار البصرية نقدم تسمح بقياس غير مزعجة لاحتواء القوة حول الرأس أو خوذة.
للحصول على شهادة لذوي الخوذ البيض، يتم تأمين خوذة على هيدفورم إليه، التي ثم يرفع إلى ارتفاع معين إلى إسقاط. الرأس وخوذة ويخضع ثم قطره سقوط الحر على سندان أثناء تسجيل عمليات تسريع الخطي. رغم أن لا عادة ما تستخدم في معايير الصناعة الخوذة، و “الثالث الهجين” الرأس (هيدفورم)، والجمعية العنق استخدمت في هذا العمل، مع برج إسقاط المصحوبة بمرشدين لمحاكاة الآثار المترتبة. وعلى النقيض من المعايير التي عادة ما تستخدم علم الحركة الخطية، يسمح الصفيف التسارع هيادفورم أيضا عزم الدوران الكينماتيكا، معلمة رئيسية في التنبؤ باحتمال وقوع إصابات الدماغ منتشر، بما في ذلك11 من ارتجاج في المخ . من خلال قياس كل من تسريع الخطي والتعجيل بالتناوب والسرعة، يمكن إجراء تقديرات لإصابة شديدة في الرأس المحورية ومنتشر بمقارنة الكينماتيكا إلى أساليب تقييم الضرر المستندة إلى علم الحركة المقترحة عدة في الأدب 12 , 13-بينما هيادفورم وضعت أصلاً لاختبار تحطم السيارات، يتم استخدامها في تقييم خوذة وتقدير خطر إصابة في الرأس في أثر يشهرون موثقة توثيقاً جيدا2،14. إعداد محاكاة تأثير يشمل أيضا خلية تحميل عنق العلوي، السماح للقوات ولحظات المرتبطة بإصابة في العنق التي يمكن قياسها. ثم يمكن تقدير خطر إصابة الرقبة بمقارنة حركية الرقبة لبيانات تقييم الضرر من إصابة السيارات البيانات12،13.
ويقترح أيضا وسيلة لتتبع حركة الخوذة بالنسبة للرأس أثناء تأثير مع الفيديو عالية السرعة. وتوجد حاليا، لا الأساليب الكمية لتقييم استقرار خوذة أثناء تأثير. المعيار خوذة دراجة15 لجنة سلامة المنتجات الاستهلاكية (المركز) تدعو لاختبار استقرار موضعية، ولكن ليس ممثلا لتأثير. وعلاوة على ذلك، أم لا يأتي الخوذة قبالة هيدفورم هو النتيجة الوحيدة التي تقاس الاختبار. بغض النظر عن التعرض للرأس للإصابة، قد لا يزال تمرير خوذة طالما أنه يبقى على هيادفورم في أثناء الاختبارات. الطريقة المقترحة لتتبع حركة خوذة مماثل لمؤشر وضع خوذة (HPI)15 ويقيس المسافة بين حافة خوذة وجبهته. يتم تعقب هذا النزوح خوذة الرأس باستخدام لقطات الفيديو عالية السرعة في جميع أنحاء أثرا من أجل الحصول على تمثيل لتعرض الاستقرار ورأسه الخوذة أثناء تأثير. باستخدام تحويل خطي المباشر (DLT)16 وأساليب17 تحلل قيمة مفردة (SVD)، يتم تعقب علامات من اثنين من الكاميراتلتحديد مواقع نقاط في الفضاء ثلاثي الأبعاد، ومن ثم تشريد النسبي بين الخوذة والرأس.
يجري التحقيق في العديد من المعلمات خطورة واحتواء الأثر. وتشمل سيناريوهات الأثر سرعتين الأثر، هما التأثير على السطوح السندان، وآثار الحادي والجذع وأول رئيس. بالإضافة إلى سطح سندان شقة نموذجية، هو أيضا محاكاة تأثير سندان زاوية للحث على عنصر قوة عرضية. أثر الجذع-أولاً، بدلاً من تأثير على الرأس-أولاً، يتم تضمين لمحاكاة سيناريو التي يؤثر الكتف رايدر الأرض قبل الرأس، وبالمثل يقوم في العمل السابق18. وأخيراً، يتم التحقيق في هذه السيناريوهات الأربعة خوذة تناسب: نوبة عادية، تناسب المتضخم ونوبة إلى الأمام ونوبة متخلفة. خلافا للأعمال السابقة، وضع خوذة على رأسه هو المعلمة التحقيق، فضلا عن احتواء خوذة وخوذة التحجيم.
Protocol
Representative Results
Discussion
هنا، تناسب أساليب التحقيق خوذة الرأس يشهرون محاكاة الآثار ترد. كان كمياً خوذة تناسب مع قوة ملاءمة أجهزة الاستشعار، كانت محاكاة الآثار مع الحركة هيدفورم والرقبة على برج إسقاط المصحوبة بمرشدين، وكانت تتبع حركة خوذة مع الفيديو عالية السرعة. كانت محاكاة سيناريوهات مختلفة أثر تحت سيناريوهات …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونعترف مع الامتنان التمويل من العلوم الطبيعية ومجلس البحوث الهندسية (مقدمة) كندا (اكتشاف المنح 435921)، “صندوق السلامة الرياضة باشبي” (2016: RES0028760)، “مؤسسة البحوث بانتنغ” (جائزة اكتشاف 31214)، (شركة نبيك كندا)، وكلية الهندسة وقسم الهندسة الميكانيكية في جامعة ألبرتا.
Materials
| Hybrid III Headform | Humanetics/Jasti-Utama | N/A | 50th Percentile ATD, for impact simulation |
| Hybrid III Neck | Humanetics/Jasti-Utama | N/A | 50th Percentile ATD, for impact simulation |
| Linear Accelerometers | Measurement Specialties | 64C-2000-360 | for head acceleration measurement |
| Upper Neck Load Cell | mg Sensor | N6ALB11A | for neck load measurement |
| High Speed Camera | Vision Research | v611 | for motion capture |
| Camera Lens | Carl Zeiss | N/A | 50 mm f1/.4, for motion capture |
| Camera Lens | Carl Zeiss | N/A | 100 mm f/2.0, for motion capture |
| Bicycle Helmet | Bell | N/A | Traverse |
| Data Acquisition System | National Instruments | PXI 6251 | for Hybrid III signal acquisition |
| Head Impact Drop Tower | University of Alberta | N/A | Custom-designed, for impact simulation |
| Optical Interrogator | Smart Fibres Ltd. | N/A | SmartScan, for optical sensor force measurement |
| Fit Force Sensor | University of Alberta | N/A | Custom-designed, for measuring helmet fit forces |
References
- Thompson, D. C., Rivara, F. P., Thompson, R. S. Effectiveness of Bicycle Safety Helmets in Preventing Head Injuries: A Case-Control Study. JAMA. 276 (24), 1968-1973 (1996).
- Cripton, P. A., Dressler, D. M., Stuart, C. A., Dennison, C. R., Richards, D. Bicycle helmets are highly effective at preventing head injury during head impact: Head-form accelerations and injury criteria for helmeted and unhelmeted impacts. Accid. Anal. Prev. 70, 1-7 (2014).
- Lee, R. S., Hagel, B. E., Karkhaneh, M., Rowe, B. H. A systematic review of correct bicycle helmet use: how varying definitions and study quality influence the results. Inj. Prev. 15 (2), 125-131 (2009).
- Chang, L. -. T., Chang, C. -. H., Chang, G. -. L. Fit effect of motorcycle helmet – A finite element modeling. JSME Int. J. Ser. Solid Mech. Mater. Eng. 44 (1), 185-192 (2001).
- Testing of Bicycle Helmets for Preadolescents. IRCOBI Conf. Proc Available from: https://trid.trb.org/view.aspx?id=1370437 (2015)
- McIntosh, A. S., Lai, A. Motorcycle Helmets: Head and Neck Dynamics in Helmeted and Unhelmeted Oblique Impacts. Traffic Inj. Prev. 14 (8), 835-844 (2013).
- Olivier, J., Creighton, P. Bicycle injuries and helmet use: a systematic review and meta-analysis. Int. J. Epidemiol. 46 (1), 278-292 (2017).
- Rivara, F. P., Thompson, D. C., Thompson, R. S. Epidemiology of bicycle injuries and risk factors for serious injury. Inj. Prev. 3 (2), 110-114 (1997).
- Ellena, T., Subic, A., Mustafa, H., Pang, T. Y. The Helmet Fit Index – An intelligent tool for fit assessment and design customisation. Appl. Ergon. 55, 194-207 (2016).
- Takhounts, E. G., Craig, M. J., Moorhouse, K., McFadden, J., Hasija, V. Development of Brain Injury Criteria (BrIC). Stapp Car Crash J. 57, 243-266 (2013).
- Eppinger, R., Sun, E., et al. . Development of improved injury criteria for the assessment of advanced automotive restraint systems – II. , (1999).
- Mertz, H. J., Irwin, A. L., Prasad, P. Biomechanical and scaling bases for frontal and side impact injury assessment reference values. Stapp Car Crash J. 47, 155 (2003).
- Newman, J. A., Beusenberg, M. C., Shewchenko, N., Withnall, C., Fournier, E. Verification of biomechanical methods employed in a comprehensive study of mild traumatic brain injury and the effectiveness of American football helmets. J. Biomech. 38 (7), 1469-1481 (2005).
- CPSC. . Safety Standard for Bicycle Helmets; Final Rule. , (1998).
- Miller, N. R., Shapiro, R., McLaughlin, T. M. A technique for obtaining spatial parameters of segments of biomechanical systems from cinematographic data. J. Biomech. 13, 535-547 (1980).
- Arun, K. S., Huang, T. S., Blostein, S. D. Least-Squares Fitting of Two 3-D Point Sets. IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 9 (5), 698-700 (1987).
- Smith, T. A., Halstead, P. D., McCalley, E., Kebschull, S. A., Halstead, S., Killeffer, J. Angular head motion with and without head contact: implications for brain injury. Sports Eng. 18 (3), 165-175 (2015).
- Butz, R., Dennison, C. In-fibre Bragg grating impact force transducer for studying head-helmet mechanical interaction in head impact. J. Light. Technol. 33 (13), 8 (2015).
- Butz, R. C., Knowles, B. M., Newman, J. A., Dennison, C. R. Effects of external helmet accessories on biomechanical measures of head injury risk: An ATD study using the HYBRIDIII headform. J. Biomech. 48 (14), 3816-3824 (2015).
- Dennison, C. R., Wild, P. M. Superstructured fiber-optic contact force sensor with minimal cosensitivity to temperature and axial strain. Appl. Opt. 51, 1188-1197 (2012).
- Dennison, C. R., Wild, P. M. Sensitivity of Bragg gratings in birefringent optical fibre to transverse compression between conforming materials. Appl. Opt. 49, 2250-2261 (2010).
- Knowles, B. M., Yu, H., Dennison, C. R. Accuracy of a Wearable Sensor for Measures of Head Kinematics and Calculation of Brain Tissue Strain. J. Appl. Biomech. 33 (1), 2-11 (2017).
- Nightingale, R. W., McElhaney, J. H., Richardson, W. J., Myers, B. S. Dynamic responses of the head and cervical spine to axial impact loading. J. Biomech. 29, 307-318 (1996).
- Padgaonkar, A. J., Krieger, K. W., King, A. I. Measurement of Angular Acceleration of a Rigid Body Using Linear Accelerometers. J. Appl. Mech. 42 (3), 552-556 (1975).
- SAE. . J211 Instrumentation for Impact Test – Part 1: Electronic Instrumentation. , (2014).
- Depreitere, B., Lierde, C. V., et al. Bicycle-related head injury: a study of 86 cases. Accid. Anal. Prev. 36, 561-567 (2004).
- Influence of Impact Velocity and Angle in a Detailed Reconstruction of a Bicycle Accident. Proc. 2012 Int. IRCOBI Conf. Biomech. Impacts Available from: https://lirias.kuleuven.be/handle/123456789/357473 (2012)
- Newman, J. A. A Generalized Model for Brain Injury Threshold (GAMBIT). IRCOBI Conf. Proc. , (1986).
- Newman, J. A., Shewchenko, N., Welbourne, E. A proposed New Biomechanical head injury assessment function – the maximum power index. Stapp Car Crash J. 44, 215-247 (2000).
- NOCSAE. . Standard Test Method and Equipment used in Evaluating the Performance Characteristics of Protective Headgear/Equipment NOCSAE Doc (ND) 001- 11m12. , (2012).
- Cobb, B. R., MacAlister, A., Young, T. J., Kemper, A. R., Rowson, S., Duma, S. M. Quantitative comparison of Hybrid III and National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment headform shape characteristics and implications on football helmet fit. Proc. Inst. Mech. Eng. Part P J. Sports Eng. Technol. 229 (1), 39-46 (2015).
- Cobb, B. R., Zadnik, A. M., Rowson, S. Comparative analysis of helmeted impact response of Hybrid III and National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment headforms. Proc. Inst. Mech. Eng. Part P J. Sports Eng. Technol. 230 (1), 50-60 (2016).
- de Jager, M., Sauren, A., Thunnissen, J., Wismans, J. Global and a Detailed Mathematical Model for Head-Neck Dynamics. Proc. Stapp Car Crash Conf. 40, 269-281 (1996).
- Aare, M., Halldin, P. A New Laboratory Rig for Evaluating Helmets Subject to Oblique Impacts. Traffic Inj. Prev. 4 (3), 240-248 (2003).
