Summary
使用人体测量头和颈部, 光学纤维适合力传感器, 一组头部加速度和颈部力/力矩传感器, 和双高速摄像系统, 我们提出了一个试验台研究头盔的保留和对生物力学的影响头部和颈部损伤的措施, 头部撞击。
Abstract
传统的智慧和国际头盔测试和认证标准中的语言表明, 在撞击中适当的头盔合适和保留是保护头盔佩戴者免受撞击伤害的重要因素。本手稿旨在通过分析模拟盔撞击与人体测量仪 (扶贫), 一组 headform 加速度传感器和颈部力量/基于布拉格光栅的光纤中的力矩传感器、双高速摄像系统和头盔拟合力传感器的研制。为了模拟撞击, 仪器 headform 和挠性颈部沿着直线导轨落在铁砧上。该试验台允许模拟头部撞击速度高达8.3 米/秒, 在平坦和角度的冲击表面上。headform 是适合与一个崩溃头盔和几个适合的方案可以模拟通过对头盔位置指数和/或头盔大小的具体调整。为了量化头盔的保留, 头盔在头部的运动是量化使用事后图像分析。为了量化头颈部的损伤潜能, 测量了基于 headform 加速度和颈力/力矩的生物力学措施。这些生物力学措施, 通过与既定的人类耐受曲线的比较, 可以估计严重威胁生命和/或轻度弥漫性脑损伤和 osteoligamentous 颈部损伤的风险。根据我们的知识, 所提出的试验台是第一个专门评估的生物力学影响头部和颈部的伤害相对头盔的适合和保留。
Introduction
大多数流行病学证据表明, 自行车头盔为所有年龄的骑车者提供保护, 防止头部受伤1。生物力学文献提出了一致的主题, 盔头部承受相对较少的严重头部/脑损伤继发影响, 相对于无保护 (un-helmeted) 头2。一些研究表明, 头盔佩戴不当与头部损伤的风险增加有关3, 这意味着头盔在适当的时候是最有效的。根据所使用的标准来定义良好的头盔适合, 不正确的头盔使用被发现是高达64% 之间的盔骑自行车者3。尽管流行病学证据表明, 头盔适合是相关的严重程度或可能头部受伤的影响, 有最小的实验工作评估在一个受控实验室设置是否正确的头盔适合或头盔保留对损伤的生物力学指标有显著影响。一项相关研究探讨了摩托车头盔尺寸在盔撞击过程中的影响, 并通过有限元模型4进行模拟。另一项相关研究探讨了头盔上浆在实验性撞击时的效果5 , 同时使用压敏薄膜来量化足球头盔中的合适力。研究了保留系统对自行车和摩托车头盔撞击的影响6,7, 以及 preadolescents6的向后适应方案。
我们的工作提出的方法, 研究的影响, 自行车头盔适合的风险的头盔适合力传感器, 模拟的影响与人体测量头颈部, 和立体高速摄影机。我们所提出的方法的目标是在不同的现实影响情景中量化合适和评估损伤风险。与相关的方法不同, 我们的工作是研究自行车头盔的适合性, 适当的头盔使用是多种多样的。与以往方法相似, 确定了头部运动学;然而, 颈部负荷和头部头盔的位移也被量化。虽然自行车颈部损伤的流行病学表明, 颈部受伤是不常见的, 他们往往与更严重的头部影响和住院治疗8,9。证据是混合在是否头盔使用降低颈部损伤率8 , 并没有被引用的流行病学研究量化的方面头盔适合。考虑到自行车颈部损伤往往与更严重的事故有关, 而且颈部损伤流行病学未检查头盔适合性, 因此, 头颈部损伤的检测方法在生物力学研究中具有重要价值。这种实验方法可用于生物力学研究, 补充流行病学研究, 不能在所有情况下控制的冲击严重性或头盔适合。
在我们的工作中, 一种新的方法来监测头部和头盔之间的撞击期间的相对运动已经发展。监视头盔是否在头部移动的能力可以让你有价值的洞察力, 头盔的稳定性和未受保护的头部暴露在撞击期间的伤害。在研究头盔适合, 头盔的稳定性和头部暴露是特别宝贵的评估头盔的表现。与相关的工作相比, 不同的影响和适合的方案强调各种头盔的定位也将被测试。
目前, 正确的头盔适合是主观和 nonspecifically 的定义。一般来说, 良好的头盔适合的特点是稳定和位置。头盔应抗运动, 一旦在头部的安全, 并应定位, 使眉毛不覆盖和额头是不过分暴露。此外, 大约一指宽的空间应该适合下巴和带3。定量头盔的测量方法不普遍;除了力, 方法可以比较头盔适合的基础上比较头部和头盔的几何形状。其中一种方法是 Ellena et al.提出的头盔拟合指数10. 我们提出的量化头盔拟合的方法, 适合力传感器, 创造了一个客观的手段比较不同的头盔适合方案的形式, 平均和标准的力量在头部施加的偏差。这些契合力值代表头盔的松紧度, 以及头部的松紧度变化。这些传感器提供了一个量化的比较, 可以在不同的适合方案之间进行的力量。一个安全贴身头盔将显示更高的力量, 而松散的头盔将显示较低的力量。这种适合力测量的方法与 Jadischke5提出的平均拟合指数相似。然而, Jadischke 的方法利用压敏膜。我们提供的光学传感器允许不显眼地测量头部或头盔周围的合适力。
为盔甲的证明, 盔甲在被装备的 headform 被巩固, 然后被上升到某一高度将被放弃。在记录线性加速度的同时, 头部和头盔会受到一个自由下落落到铁砧上。虽然通常不使用头盔行业标准, 混合 III 头 (headform) 和颈部组装在这项工作中使用, 与一个引导下降塔模拟影响。与通常使用线性运动学的标准不同, headform 加速度计阵列还允许确定旋转运动学, 这是预测弥漫性脑损伤可能性的关键参数, 包括脑震荡11.通过对直线加速度和旋转加速度和速度的测量, 通过比较运动学和文献中提出的几种运动学损伤评估方法, 可以对严重的局灶性和弥漫性颅脑损伤进行估计。12,13. 尽管 headform 最初是为汽车碰撞测试开发的, 但它在头盔评估和盔撞击头部损伤风险估计中的应用是有记录的214。撞击模拟装置还包括一个上颈部负荷单元, 允许测量与颈部损伤相关的力和力矩。颈损伤风险可以通过比较颈部动力学和损伤评估数据来估计, 从汽车伤害数据12,13。
本文还提出了一种在高速视频冲击作用下, 相对于头部的头盔运动跟踪方法。目前, 没有定量的方法来评估头盔在撞击时的稳定性。消费者产品安全委员会 (cpi)15自行车头盔标准要求进行位置稳定性测试, 但不代表影响。此外, 是否头盔脱落的 headform 是唯一的结果测量测试。无论头部是否受到损伤, 只要在测试过程中保持 headform, 头盔仍然可以通过。所提出的跟踪头盔运动的方法类似于头盔位置指数 (HPI)15 , 并测量头盔和前额的边缘之间的距离。在撞击过程中, 使用高速视频片段跟踪头部头盔的位移, 以获得头盔稳定性和撞击时头部暴露的表现。使用直接线性变换 (DLT)16和单值分解 (SVD)17方法, 从两个摄像机中跟踪标记在三维空间中确定点位置, 然后在头盔和头部之间进行相对位移。
研究了几种冲击严重性和拟合参数。撞击场景包括两个撞击速度, 两个撞击铁砧表面, 和躯干第一和头部第一撞击。除了一个典型的扁平砧面外, 还模拟了一个倾斜的砧撞击, 以引起切线力分量。躯干-第一影响, 而不是头部第一影响, 是包括模拟一个场景, 其中骑手的肩膀撞击地面之前的头部, 同样执行在以前的工作18。最后, 这四头盔适合方案的调查: 定期适合, 超大的适合, 向前适合, 和向后适合。与以前的工作不同, 头盔定位在头部是一个调查参数, 以及头盔适合和头盔的大小。
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Protocol
1. 头盔匹配方案的排列
- 定义了要在人体测量学测试设备头和颈部 (杂交 III 第五十百分位男性) 研究的适合方案, 其头部周长为 575 mm。 注意: 表 1 中显示了与 图 1 相对应的头盔位置的四适合方案的示例。向前和向后适应情景根据正确的盔甲的定义使用从早先流行病学研究, 指定适当的盔甲位置不覆盖眉毛或暴露前额 3 .
- 对于每个方案, 在 headform 上标记每个头盔位置, 以确保头盔匹配方案始终重复.
- 使用在通用和特大大小的情况下提供的认证头盔, 适用于所有合适的方案.
注: 根据制造商提供的适合指南, 通用尺寸最合适的 headform 周长。- 对于每个适合方案, 保持其他匹配参数一致。具体来说, 收紧带, 以保持在下巴和手的空间大约一个手指宽度, 收紧可调节的表盘, 以维持一个安全的适合.
2。适应力测量
- 在 headform 的皮肤上排列五适合的传感器, 位于前、后、左、右和上 ( 图 2 ).
注: 传感器是在研究组内开发的布拉格光栅力传感器的修正版本 19 , 20 , 21 , 22 , 经过优化, 可以在0到 50 N 的范围内测量拟合力。所修改的传感器的厚度和直径分别为 2.6 mm 和 14 mm. - 在无负载的 un-helmeted headform 上使用传感器进行参考测量。在每一个适合力测量之前采取这个参考测量.
- 将头盔放置在 headform 上, 并以2.5 赫的速率测量3秒的力数据。重复相同的匹配方案六次以重复测量.
- 对所有适合方案重复相同的测量过程.
- 将波长偏移数据转换为强制测量, 方法是将测量的波长与传感器的校准常数进行相乘, 以调整合适的力传感器.
3。撞击模拟的下落塔
- 通过线性引导 headform 命中撞击表面 19 、 23 来模拟对盔头部的撞击。这样做所需的设备是特定于上下文的, 详见下文.
- 装配一个放置塔, 由一个可调节的跌落框架、人体测量学测试设备头和颈部以及可变撞击面组成.
注: 总滴总成质量约11公斤。附加质量的万向节的帐户, 以排除整个人体作为一个有效的躯干质量, 以更好地模拟一个现实的影响 24 . - 在 headform 的 3-2-2-2 配置中排列9单向轴向加速度计, 以允许在重心位置确定 headform 的线性和角加速度 25 .
- 在撞击塔上安排一个目的建立的速度闸门, 在撞击前立即测量撞击速度.
- 装配一个放置塔, 由一个可调节的跌落框架、人体测量学测试设备头和颈部以及可变撞击面组成.
- 使用数据采集系统收集磁头加速和颈部力/力矩数据。过滤模拟电压, 采样100赫为所有通道。在数据采集系统之前, 包括一个具有4赫 26 角频率的硬件抗锯齿低通滤波器.
- 排列影响方案.
- 对于所有影响, 请卸下头盔遮阳板, 以便在运动跟踪过程中有更好的可视性。在撞击期间, 遮阳板的作用被认为是微不足道的, 因为它的松散附着.
- 排列所有滴以影响前额。这是循环 27 中的一个常见影响位置, 但也可以模拟其他方案.
- 通过不同的撞击速度、撞击面和头部-第一或躯干-第一次撞击的影响来模拟六不同的撞击场景 表 2 .
- 将 headform 提高到相应的高度, 对应于指定的撞击速度。将 headform 从适当的高度 (通常为0.82 米和1.83 米) 中除去, 以分别达到4米/秒和6米/秒的速度.
注: 增加高度, 以克服摩擦损失。根据以前的文献和标准 28 , 可以选择两个4米/秒和6米/秒的撞击速度. - 排列撞击面。
- 排列平整或45和 #176; 倾斜的铁砧 ( 图 4 )。扁平砧模拟瀑布在平坦的表面, 而倾斜的铁砧模拟的影响与切向速度分量.
- 在研磨带上覆盖顶的两个表面, 以模拟沥青表面。根据需要调整砧位, 以确保头盔受到撞击, 只接触铁砧的平坦表面.
- 为头部第一或躯干第一影响排列放置塔。模拟头部第一和躯干第一撞击, 躯干撞击类似于史密斯 et al 中的组合载荷冲击构型。 18
- 以模拟头部第一次撞击, 不要调整下落塔。
- 要模拟躯干在头部之前撞击地面, 在下落框架的路径上放置一个木块。把这个木块放在一个高度, 这样, 头部大约25毫米, 远离撞击铁砧在躯干的影响。头部将继续通过颈部屈曲的手段击中铁砧.
- 包括一层泡沫, 以最小化降塔的振动 ( 图 5 ).
- 与头第一冲击对比, 调整脖子的角度在躯干-首先冲击.
注意: 此颈部角度调整允许头部在屈曲后撞击铁砧, 因此撞击位置可与头部第一撞击情况 ( 图 6 ) 相媲美。除了前额的撞击外, 这种躯干第一的场景也肯定会对副作用产生影响。在头部和躯干的第一次撞击中, 这个框架系统允许头部和颈部在撞击后沿着轨道运动.
- 触发数据获取系统、高速摄像机 (参见第4节) 和 headform 的同时删除。每次使用新头盔重复相同的影响和适合场景配置3次.
注: 高速摄影机将需要与降塔同时设置, 详见4节. - 对6种不同的影响方案中的每一个进行四适合方案的主题。在每个配置的3试验后总共执行72滴.
- 后处理 headform 运动学和动态数据.
- 在后处理过程中, 使用 4 th 顺序对模拟信号进行加速和强制/力矩的过滤, 以满足梧桐尝试建议的练习 26 。按通道频率类 (CFC) 1000 过滤头加速度和颈部力。按 CFC 600 过滤颈部力矩.
4。使用高速双摄像机系统的运动捕捉
注意: 从两个高速摄影机中记录标记位置允许用 DLT 方法 16 确定三维标记位置处理.要确定头部头盔的位移, 在撞击时 headform 和头盔上的标记.
- 在放置塔周围排列高速摄影机.
- 在放置塔周围安排两个高速摄影机, 以捕获头盔的同步图像和撞击期间的 headform 运动。
- 将主照相机放置在放置塔的一侧, 并将一个从属摄像机放置在大约45和 #176; 从主控形状 ( 图 7 )。在摄像机之间设置 250 W 指示灯, 以允许足够的曝光.
- 在放置塔周围安排两个高速摄影机, 以捕获头盔的同步图像和撞击期间的 headform 运动。
- 配置高速摄像机.
- 根据所需的视场, 为每台相机配备50毫米 f/1.4 或 100 mm/2.0 微距镜头。设置光圈的镜头在 f/8.0.
注: 这个光圈允许足够锐利的焦点在期望的景深。所需的视图范围从30-60 厘米不等, 具体取决于影响场景. - 将两个摄像机配置为以每秒1000年帧速率为 1280 x 800 像素录制或更快。因此, 每帧的最大曝光时间将是600和 #181; s.
- 在帧和内部时钟中同步两个摄像机。设置触发器, 使两个摄像头同时触发.
- 根据所需的视场, 为每台相机配备50毫米 f/1.4 或 100 mm/2.0 微距镜头。设置光圈的镜头在 f/8.0.
- 通过从每个照相机中取一个校准帧的静止图像来校准空间.
注意: 对于直接线性变换 (DLT) 方法, 必须首先校准空间。- 将带有17已知校准点位置的校准保持架移动到两个摄像机的视图字段中, 并从每个照相机中拍摄一个图像。从两个摄像机中至少必须有11公共点可见.
- 查找每个标记的 two-dimensional 坐标和跟踪软件.
注: 坐标测量机 (CMM) 在 DLT 校准之前确定校准保持架的点位置. - 使用校准标记和 #39 执行的一系列计算; 坐标 (称为 DLT) 16 , 将任何二维标记位置转换为相对于校准保持架的三维坐标后期处理中的坐标系.
- 量化头盔位移, 使用跟踪软件跟踪 headform 前额上的点与头盔边缘之间的距离.
注意: 因为这些点是不可见的两个摄像头, 跟踪一组三可见标记的每个 headform 和头盔代替。前额和头盔上的点可以被间接地跟踪. - 将运动跟踪标记放在 headform 上, 并从每个照相机中取 headform 的静止参考图像.
- 对于此间接标记跟踪方法, 请在每个照相机上使用 headform 参考图像。确保此参考图像由三标记和在磁头上定义的引用标记组成.
- 使用三参考点位置最大化标记之间的距离, 同时保留在照相机和 #39 中; 视图字段.
注意: 通过减少对跟踪错误的间接标记跟踪灵敏度, 可以使距离达到更高的精确度。三标记允许三维运动的重建在岗位处理, 并且估计前额位置. - 将参考标记放在下前额的眼睛和其他标记在 headform 上。确保这三其他标记在整个影响中都是可见的 ( 图 8 ).
- 将运动跟踪标记放置在头盔上, 并从每台照相机中拍摄头盔的参考图像, 如 headform 参考所述 (第4.5 节).
- 确保引用包括查看至少四运动跟踪标记。在头盔的底部按住一个标记作为参考, 并在头盔上传播其他三标记。确保这三标记在整个撞击过程中都能从两台摄像机上看到。从每个相机的头盔参考的一个单一的图像 ( 图 9 ). 如3节所述,
- 会同时触发数据获取系统、高速摄像机和 headform 的下降.
注: 降塔将需要与高速摄影机同时安装。在拍摄参考图像后, 可能会进行一滴。- 排列头盔适合方案。记录下下落在撞击时手动向相机发出扳机。安排录音, 以便在触发前记录3秒, 并在触发后记录8秒。手动检查并将同步相机图像括起来, 以仅包含影响.
5。头盔标记跟踪和后处理
- 在整个撞击过程中使用摄像头特定的软件跟踪头部和头盔标记.
- 在头盔和 headform ( 图 10 ) 上每下降六点: 三。使用该软件, 确定每个标记的瞬态 two-dimensional 像素坐标.
- 使用 DLT 方法在放置过程中计算跟踪标记的三维坐标.
注: 从校准保持架上的校准数据和两个摄像机的放置数据, DLT 方法可以在放置过程中确定跟踪标记的三维坐标. - 使用 SVD (奇异值分解) 方法 17 计算 headform 前额和头盔边缘的3维坐标。这两点之间的区别是头部头盔位移.
- 使用 SVD 方法估计每个 headform 前额和头盔边缘的参考点位置.
- 使用 SVD 方法来查找参考帧和每一个下降帧之间的三标记的变换矩阵。此转换可用于查找前额或头盔边缘位置.
- 在头盔和 headform 上执行此间接跟踪。然后可以监视前额和头盔边缘之间的位移 ( 图 11 ).
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Representative Results
配合力测量
对于每个合适的方案, 都在每个传感器位置 (图 12) 执行了 "适合力" 测量, 并进行了 t 检验 (假设不相等方差) 以确定重要性 (p 和 #60; 0.05)。所有测量的平均标准偏差为± 0.14 n, 更高的拟合力表示更紧密的配合。
头部运动学和颈部动力学数据
所产生的头部直线加速度, 头部角加速度, 头部角速度, 上颈部力量和上颈部的时刻从一个典型的下降显示 (图 13通过图 17)。通过采用x、 y和z、方向向量 (图 3) 的绝对范数来计算结果值。颈部损伤标准计算从颈部轴向力和力矩13, Nij, 也计算整个影响 (图 18)。从运动学的结果, 不同的事件的影响也可以确定。例如, 头接触与铁砧在躯干第一冲击可以被观察作为大峰顶在结果线性加速度 (图 13)。在角加速度方面, 可以观察到两组峰值 (图 14)。第一峰发生的结果是躯干的影响, 而第二个峰值发生由于颈部达到最大的屈曲。依次, 撞击的事件是躯干撞击, 其次是头部与铁砧的接触, 然后颈部达到最大屈曲。这些事件也可以在高速视频中观察到 (图 6)。
头盔相对运动
在两个合适的场景中, 在图 19中显示了前额与头盔边缘之间的矢量大小, 表示相对头部头盔运动。相对变化的位移可以是头盔运动的一个指标相对于其影响位置。
图 1: 头盔适合情况.头盔适合方案比较的 headform 显示 (a) 比较正常适合和不正确定位适合 (b) 正常适合方案 (c) 超大适合方案 (d) 正向适应方案 (e) 向后适应方案。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2: 光纤光栅 (FBG) 五传感器阵列在 headform 上, 传感器位于前端、背部、左侧、右侧和顶部.每个传感器 (左下角) 的厚度和直径分别为 2.6 mm 和14毫米。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3: 带有相关坐标轴的放置塔组件.(a) 盔 headform (b) 检测 headform 和颈部负载单元的整体下落塔组件。还显示了颈部负载单元坐标轴。(c) 对应的头坐标轴。头部加速度和颈部负荷测量的参考坐标轴显示, 具有正的大小在轴方向。时刻是基于右手的规则。
图 4:可互换 (a) 平面和 (b) 45 °倾斜的铁砧表面, 包括在研磨胶带中。请单击此处查看此图的较大版本.
图 5:头 (a) 和躯干第一 (b) 影响场景丢弃配置。对于躯干-第一影响场景, 一个木块是用来阻止下降大会, 以模拟躯干的影响。头盔遮阳也被删除之前, 所有的影响模拟。请单击此处查看此图的较大版本.
图 6: 在躯干中的图像序列-第一次撞击.在躯干第一冲击, 下降框架停止, 允许头部撞击砧, 其次是颈部屈曲。相反, 头部的第一次撞击使头部的下架的全线性运动先接触铁砧。
图 7: 双高速摄像机在放置塔周围排列.请单击此处查看此图的较大版本.
图 8: 用于运动跟踪的头部参考图像标记.在撞击期间, 三标记在头部被跟踪, 而第四标记则定义用于计算头盔位移的前额点。请单击此处查看此图的较大版本.
图 9: 用于运动跟踪的头盔参考图像标记.在 imp 中跟踪头盔上的三标记当第四标记定义头盔边缘点用于计算头盔的位移时, 采取行动。请单击此处查看此图的较大版本.
图 10: 撞击期间的跟踪标记在 headform 和头盔上都跟踪三标记。请单击此处查看此图的较大版本.
图 11: 前额和头盔边缘之间的头部头盔位移向量, 在整个撞击过程中被跟踪。
图 12: 在不同适应情况下施加在 headform 上的头盔配合力.还显示了表示标准偏差的误差线。在拟合力方案之间有显著差异 (p 和 #60; 0.05) 表示 (*)。请单击此处查看此图的较大版本.
图 13: 在6米/秒的情况下, 躯干的重力 (齿轮) 直线加速度的头部撞击到平坦的铁砧上.比较了规则拟合 (实线) 和向后拟合 (虚线) 方案。请单击此处查看此图的较大版本.
图 14: 重力 (齿轮) 角加速度的结果头部中心, 第一次撞击到平坦的铁砧在6米/秒.比较了规则拟合 (实线) 和向后拟合 (虚线) 方案。请单击此处查看此图的较大版本.
图 15: 在6米/秒的情况下, 躯干第一个重力 (齿轮) 角速度的合成头中心-撞击到平坦的铁砧上.比较了规则拟合 (实线) 和向后拟合 (虚线) 方案。请单击此处查看此图的较大版本.
图 16: 躯干的上部颈部力量第一次撞击到平坦的铁砧上, 在6米/秒.比较了规则拟合 (实线) 和向后拟合 (虚线) 方案。请单击此处查看此图的较大版本.
图 17: 躯干的上部颈部力矩第一次撞击到平坦的铁砧上6米/秒.比较了规则拟合 (实线) 和向后拟合 (虚线) 方案。请单击此处查看此图的较大版本.
图 18: Nij为躯干第一-撞击到平坦的铁砧在6米/秒.比较了规则拟合 (实线) 和向后拟合 (虚线) 方案。请单击此处查看此图的较大版本.
图 19: 躯干第一位的瞬态头部-头盔位移在6米/秒的扁砧上撞击.比较了规则拟合 (实线) 和向后拟合 (虚线) 方案。与绝对位移相比, 位移的相对变化也显示出来。请单击此处查看此图的较大版本.
| 适合方案 | 头盔尺寸 | 头盔位置 |
| 正常 (图 1b) | 普遍 | 正常 |
| 超大 (图 1c) | xl | 正常 |
| 向前 (图 1d) | 普遍 | 提出 |
| 向后 (图 1e) | 普遍 | 落后 |
表 1: 要研究的头盔适应方案.适合的方案是基于正确的头盔使用的定义, 从以前的流行病学研究指定合适的头盔位置3。
| 影响方案 | 冲击速度 | 冲击面 | 头/躯干第一 |
| 1 | 低 (4 米/秒) | 平 | 头 |
| 2 | 高 (6 米/秒) | 平 | 头 |
| 3 | 低 | 角度 | 头 |
| 4 | 高 | 角度 | 头 |
| 5 | 低 | 平 | 躯干 |
| 6 | 高 | 平 | 躯干 |
表 2: 要模拟的影响场景。
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Discussion
本文介绍了模拟盔头部撞击时头盔拟合的方法。头盔适合是量化的与合适的力量传感器, 影响是模拟与一个 headform 和颈部在一个引导下降塔, 和头盔运动的跟踪与高速视频。在不同的拟合方案下, 对不同的撞击场景进行了模拟, 以探讨头盔配合的生物力学措施的影响。
头盔适合传感器可以区分不同的匹配力量之间的头盔适合场景 (图 12)。适应力的趋势在不同的适应情况之间不强烈关联与盔甲表现。头盔的稳定性较差 (如向后配合, 如图 1所示) 预计将显示明显较低的适应力。尽管头盔运动量增加 (向后适应,图 19), 但与常规匹配相比, 向后配合头盔在一个传感器位置上的匹配力明显较低。这一结果表明, 头盔的头部松紧可能不是唯一的决定因素, 保证头盔的动态稳定性的头部。在本研究中, 用头部倒置测量拟合力。力量可能也被测量了与头在一个正确的边上升的位置, 将导致更高的被测量的力量在顶头顶点比报告在本研究。然而, 在不同的拟合情境中, 比较契合力的协议, 旨在量化相对力的变化。无论头部是直立的还是倒置的, 力量的相对变化都是一样的。
试验台和所提出的方法可以确定线性和角运动学, 包括加速度和速度, 以及颈部的力量和力矩的影响持续时间。现代生物力学伤害的措施是基于撞击运动学和时间长短。例如, 头部损伤标准 (生境) 将线性加速度与时间12相结合, 而脑损伤判据 (BrIC) 是基于峰值角速度11。其他 kinematic-based 伤害措施包括基于峰值线性加速度和峰值角加速度的脑损伤阈值 (开局)29的广义加速度模型, 以及头部撞击力 (臀部), 其中包括线性和角加速度、时间长度和方向注意事项30。另外, 颈部力量和力矩用于计算颈部损伤标准 Nij12。由于该实验协议能够测量所有相关的运动学和动力学, 因此有可能计算出任何有兴趣的生物力学损伤措施。然后根据与每项伤害措施相关的文献来确定潜在的伤害风险。结果表明, 该装置能够检测出基于头盔配合的头颈部损伤生物力学测量的变化。因此, 试验台可用于研究其与病灶、弥漫性颅脑损伤及 osteoligamentous 颈部损伤的关系。例如, 在躯干-第一撞击到平坦的铁砧在6米/秒, 一个规则的适合和向后适合的情况进行了比较。对于常规拟合方案, 峰值结果线性加速度、峰值角加速度和角速度的变化分别为 158.2 g、4647.5 rad/秒2和 22.39 rad/秒。与常规匹配相比, 向后拟合方案的值为 177.9 g、6246.4 rad/秒2和 45.91 rad/秒, 这表明头部受伤的风险较高 (图 13通过图 17), 而 t 检验 p 值为0.012、0.070和 0.005, 分别。由于角加速度中噪声的积分产生了角速度的偏移, 因此报告了角速度的变化, 从而解释了这种偏移。对于同样的影响场景, 颈部损伤标准 (Nij) 是由颈部力和力矩决定的。对于常规的头盔适合方案, 峰值 Nij 1.23 是确定的, 而向后头盔适合测量 1.28 (图 18) 与 t 测试 p 值0.099。同样, Nij的较高值将会显示更大的颈部损伤风险。
高速视频分析技术被证明能够检测动态稳定性和保持性的变化。对于同一躯干-第一次撞击到平坦的铁砧在6米/秒, 一个规则的适合和向后适合的情况下比较的头盔位移。常规拟合方案经历了6.52 厘米头部头盔位移的最大变化, 而向后 fit 方案经历了 12.18 cm (图 19), t 检验 p 值为0.006。随着近两倍的头盔运动, 这些趋势表明, 向后适应方案的结果是增加头部暴露, 也许, 更大的接触前额损伤后, 随后的影响第一。
绝对位移和相对位移 (图 19) 分别表达了面部和前额的接触量和头盔的相对运动, 这两者在检查保留和动态稳定性时都很重要。建议的方法, 跟踪头盔相对头部的位移, 使头部暴露和头盔稳定性在撞击期间, 以代表和可以评估头盔保留后的影响。该方法可以显示头盔运动的整个影响, 这可以被定性为绝对位移和位移变化 (图 19)。一个不太好的头盔会表现出更大的位移, 而 well-retained 头盔则会出现较小的位移。在这项研究中, 绝对位移表示面部接触量和位移的相对变化表示额头和头盔边缘之间的最大相对运动 (图 19)。这一报告的位移值是由两个标记之间的距离决定的, 由单个轴连接。使用同样的实验方法, 也可以测量三分量方向上的相对位移, 从而更彻底地刻画合适和保留。为简单起见, 选择了单个组件, 并为 HPI 提供了一个很好的比较。在其他撞击条件下, 如侧面撞击, 更多的元件方向或头盔旋转可能特别有价值。
目前提出的传感器和配合力测量的缺点是测量力的有限空间分辨率。在5传感器阵列中, 整个头盔的力分布可能无法完全表示。由于自行车头盔的设计通常包括敞开的通风口, 因此传感器可能不会总是接触头盔并测量零力。一个潜在的解决方案是将力传感器放置在头盔上而不是头部。在所提出的协议, 力传感器被放置在头部, 以保持一致性和重复性的实验。在头盔上放置传感器可能需要不同的不同头盔类型的协议。然而, 传感器的小尺寸和复用能力的光纤布拉格光栅 (FBG) 传感器允许更多的传感器是可行的分布式阿罗头。额外的传感器可以识别高、低适应力波动的位置, 并进一步了解头盔的稳定性。除了表示松紧度的力外, 还可以考虑头盔和头部之间的接触面积。特别是在具有开口的头盔的情况下, 总接触面积或其分布可能是重要的表征适合。虽然在不同的头盔定位方案中, 总体平均松紧度的变化并不明显, 但可以确定力量分布的显著变化, 如图 12所示。
与所有基于 ATDs 的生物力学工作一样, 所提出的方法也有局限性。不同于现实世界的影响, 参数, 如撞击速度, 在头盔上的影响位置和影响表面是控制。因此, 所提出的工作将不会捕捉到这些参数的可变性, 从骑车到骑车人, 从事件到事件导致头部撞击。
混合 III 是为汽车碰撞试验而开发的, 而不是头盔研究。与国家运动设备标准委员会 (NOCSAE) headform31不同, 它不是为使用头盔而设计的。相比之下, NOCSAE headform 设计的大小和形状规格的基础上的尸体头为一个普通的成人足球运动员和一些认为它更准确地接近头部人体。由于 headform 几何在研究头盔适合性方面有重要作用, headform 可能对不同的头盔类型有一定的缺陷。特别是, headform 有显著的几何差异, 以 NOCSAE 头部的头骨, 脸颊, 下巴, 下巴32,33。由于这些特征和自行车头盔之间的接触极少, headform 与实际头部之间的形状差异可能对头盔相互作用影响极小。因此, 我们认为, headform 是一个合适的模型, 用于比较研究中的适合场景, 如这里提出的。由于形状差异而产生的任何影响, 在固定棘轮系统和颅骨帽的底部的界面上, 尤其是在向后适应的情况下, 都是最明显的。与 headform 头有关, 颈部被批评为其更大的刚度相比, 人的颈部, 和一些假设, 缺乏现实的刚度可能有助于头部运动, 不同于那些真正的人类遭受的头部撞击34.由于头部的轨迹和运动学依赖于颈部, 这些效应在躯干第一次撞击中会有显著的影响。对于躯干-第一撞击, 过于僵硬的颈部可能削弱头部的运动后, 躯干接触和不切实际的缓慢头部的撞击速度在头部接触。以有限的现有的文学调查躯干首先冲击, 运动学踪影的生物是难验证与真实世界骑车者冲击。然而, 头部角加速度从躯干的痕迹是可比的相似的组合加载场景由 Smith et al.18. 因此, 应强调在不同适合情况下的角加速度和颈部负荷的趋势, 而不是报告的绝对震级。我们觉得颈部是一个适当的模型, 提出的研究, 因为我们比较颈部动力学和头部运动之间的适合, 而不是评论的绝对大小的头部运动学和颈部动力学, 我们注意到这些措施的变化。
使用 headform 在研究头盔适合的另一个限制是不同的 headform 乙烯基皮肤与人头皮。由于实际的变化, 如头发, 油, 和水分, 准确的模拟所有这些变量将是困难的。虽然努力创建一个人造头皮头盔研究已被追求35, 验证头部头盔之间的互动之间的人造和人头皮是最小的。因为它一般被接受 headform 皮肤陈列一个更高的摩擦系数比人的头皮, 盔甲保留可以误导改善。在不同的适应情况下, 对头盔摩擦的依赖性随之变化, headform 乙烯基皮肤的作用也可能或多或少地明显。例如, 一个正常的适合方案可能会保留头盔, 由于头部形状, 而前适应可能会保留头盔由于增加头头盔摩擦的乙烯基皮肤。然而, 在这项研究中, 头盔的位移取决于 headform 头皮。因此, 调查结果应基于不同适应方案之间的变化和趋势。
虽然四适合方案的调查, 更多的变数存在的表征头盔适合。这些建议的方法可以研究其他头盔适合的情况下, 如更多的头盔大小或不同水平的棘轮保持松紧。在这项研究中, 棘轮固定系统收紧到一个一致的严密性水平, 对研究员的主观。更现实的松紧度可以通过测量志愿者的配合力来实现, 类似于 Jadischke 的头盔装修研究5。保留系统然后可以被安排在 headform 和紧固到水平陈列同样适合力量。在未来的工作, 适合的情况下, 不同的头盔大小或棘轮保持松紧将被考虑。
提出了一种评价头盔拟合、动态保留的试验台, 以及两者对头颈部损伤生物力学指标的影响。所提出的方法能够检测到在合适的力量, 相对头部头盔运动的重大变化, 和所有的头部和颈部损伤的现代生物力学措施。所提出的方法被用来调查一个规则和向后适合, 发现头部角速度和头部接触量的显著变化。通过这些方法, 可以揭示头盔配合的不同表现。
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Disclosures
作者没有冲突透露, 并且不站立从财政获得从这工作的出版物。
Acknowledgments
我们衷心感谢加拿大自然科学和工程研究理事会 (发现赠款 435921)、Pashby 体育安全基金 (2016: RES0028760)、班廷研究基金会 (发现奖 31214)、NBEC Inc. (NSERC) 的资助 (加拿大), 以及阿尔伯塔大学机械工程和工程学系。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Hybrid III Headform | Humanetics or Jasti-Utama | N/A | 50th Percentile ATD, for impact simulation |
| Hybrid III Neck | Humanetics or 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 |
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