En Test seng til at undersøge hjelm pasform og fastholdelse og biomekaniske foranstaltninger af hoved og hals skade i simulerede effekt

Summary

Ved hjælp af en Antropometriske hoved og hals, optisk fiber-baserede fit tvinge transducere, en bred vifte af hoved acceleration og hals kraft/øjeblik transducere, og en dobbelt høj hastighed kamerasystem, præsenterer vi en test seng til at studere hjelm fastholdelse og effekter på biomekaniske foranstaltninger af hoved og hals skade sekundært til hoved indvirkning.

Abstract

Konventionelle visdom og sprog i internationale hjelm test og certificering standarder tyder på, at passende hjelmen passer og opbevaring under indflydelse er vigtige faktorer i at beskytte hjelm bæreren fra indvirkning-induceret skade. Dette manuskript har til formål at undersøge virkningen-induceret skade mekanismer i forskellige hjelm passer scenarier gennem analyse af simulerede helmeted virkninger med en Antropometriske test enheden (ATD), en bred vifte af Hovedblokkens acceleration transducere og hals kraft / øjeblikket transducere, en dobbelt høj hastighed kamerasystem og hjelm-fit Kraftmålerne udviklet i vores forskningsgruppe baseret på Bragg rist i optisk fiber. For at simulere virkningerne, falder en instrumenteret Hovedblokken og fleksibel hals langs en lineær guide rail på en ambolt. Test-bed giver mulighed for simulation af hoved indvirkning ved hastigheder op til 8,3 m/s, på indflydelse overflader, der er både fladt og vinklet. Forskydning er passer med en styrthjelm og flere fit scenarier kan simuleres ved at gøre sammenhæng specifikke justeringer til hjelm holdning indeks og/eller hjelm størrelse. For at kvantificere hjelm opbevaring, kvantificeres flytning af hjelm på hovedet ved hjælp af post-hoc billedanalyse. For at kvantificere hoved og hals skade potentielle, måles biomekaniske foranstaltninger baseret på attraphoved acceleration og hals kraft/øjeblik. Foranstaltningerne Biomekanisk gennem sammenligning med etablerede menneskelig tolerance kurver, kan estimere risikoen for alvorlige livstruende og/eller mild diffus hjerneskade og osteoligamentous hals skade. Til vores viden er de præsenteres test-bed den første udviklet specielt til at vurdere biomekaniske effekter på hoved og hals skade i forhold til hjelmen passer og fastholdelse.

Introduction

Mest epidemiologisk bevis tyder på Cykelhjelme giver beskyttelse mod skader i hovedet for cyklister i alle aldre¹. Den biomekaniske litteratur præsenterer det gennemgående tema, som den helmeted hoved opretholder relativt mindre alvorlig hoved/hjerne skader sekundært til indflydelse i forhold til den ubeskyttede (un-helmeted) hoved². Nogle forskningsresultater tyder på at fattige hjelm pasform er forbundet med en øget risiko for kvæstelser i hovedet³, hvilket indebærer, at hjelme er mest effektiv når passer ordentligt. Afhængigt af de kriterier, der bruges til at definere god hjelm pasform, blev forkert hjelmen brug fundet for at være så højt som 64% blandt helmeted cyklister³. Trods epidemiologisk bevis tyder på, at hjelmen passer er relevante i sværhedsgrad eller sandsynligheden for skade i hovedet på en indvirkning, er der minimal forsøgsarbejde vurdere i en kontrolleret laboratorium indstilling om korrekte hjelm passer eller hjelm tilbageholdelse har en betydelig effekt på Biomekanisk foranstaltninger af skade. En relateret studie undersøger effekten af motorcykel hjelm dimensionering under helmeted virkninger simuleret med en finite element model⁴. En anden relateret studie undersøger effekten af hjelm dimensionering under eksperimentelle virkninger⁵ mens du bruger tryk følsomme film for at kvantificere fit styrker i fodbold hjelme. Effekten af opbevaring systemer i cykel og motorcykel hjelm virkninger har været undersøgt^6,7, samt en tilbagestående fit scenario for preadolescents⁶.

Vores arbejde foreslår metoder til at studere effekten af cykelhjelm passe på risikoen for personskader med hjelm passer Kraftmålerne, simuleret konsekvenser med en Antropometriske hoved og hals og stereoskopisk højhastigheds kameraer. Mål for vores foreslåede metoder er at kvantificere pasform og vurdere risikoen for skade i forskellige realistiske indvirkning scenarier. I modsætning til relaterede metoder undersøger vores arbejde cykelhjelm passer, hvor bruge korrekt styrthjelm er varieret. Lig foregående metoder, hoved kinematik bestemmes; men hals lastning og hoved-hjelm forskydninger er også kvantificeret. Selv om epidemiologien for hals skade i cykling antyder, at nakkeskader er ualmindelige, de har tendens til at være forbundet med mere alvorlige hoved virkninger og indlæggelse^8,9. Beviserne er blandet på hvorvidt hjelm brug reducerer satser for hals skade⁸ og ingen af de citerede epidemiologiske undersøgelser kvantificere aspekter af hjelmen passer. I betragtning af, at hals skade i cykling tendens til at være forbundet med mere alvorlige ulykker og at hjelmen passer ikke er blevet undersøgt i hals skade epidemiologi, er metoder til at undersøge både hoved og hals skade værdifulde i biomekaniske forskning. Sådanne eksperimentelle metoder kunne anvendes i biomekaniske studier, der supplerer epidemiologiske undersøgelser, som ikke i alle tilfælde kontrol for virkningerne alvorligheden eller hjelm passer.

I vores arbejde er blevet udviklet en roman metode til overvågning relative bevægelser mellem hoved og hjelm under indvirkning. Evnen til at overvåge eller ej hjelmen flytter på hovedet kan give værdifuld indsigt i både hjelm stabilitet og eksponering af ubeskyttet hovedet til skade under indvirkning. I et studie undersøger hjelm passer, er hjelm stabilitet og hoved eksponering særlig værdifuld i evaluere effektiviteten af hjelm. I modsætning til relateret arbejde, forskellig indvirkning og fit vil scenarier understreger varieret hjelm positionering også blive testet.

I øjeblikket er korrekte hjelm passer subjektive og nonspecifically defineret. Generelt er god hjelm passer kendetegnet ved stabilitet og holdning. Hjelmen bør være resistente over for bevægelsen én gang sikret på hovedet, og skal være placeret sådan, at øjenbryn ikke er omfattet og panden er ikke alt for udsat. Desuden skal cirka én finger bredde af rummet passe mellem Hagen og hagerem³. Foranstaltninger af kvantificere hjelm passer er ikke udbredt; bortset fra force, metoder kan sammenligne hjelm fit baseret på sammenligning af hoved og hjelm geometri. En sådan metode er hjelm passer Index som Ellena et al. foreslået ¹⁰. vores foreslåede metode til kvantificering af hjelm fit, fit Kraftmålerne, skaber en objektiv måde at sammenligne forskellige hjelm passer scenarier i form af gennemsnit og standardafvigelse for kræfter udøver på hovedet. Disse fit tvinge værdier repræsenterer tæthed af en hjelm, samt variationen af trykken erfarne på hovedet. Disse sensorer giver en kvantificeret sammenligning af kræfter, der kan foretages mellem forskellige fit scenarier. En sikker tætsiddende hjelm ville vise højere kræfter, mens en løs hjelm ville vise lavere styrker. Denne metode til fit kraft måling er svarer til den gennemsnitlige passer indeks foreslået af Jadischke⁵. Dog udnytte Jadischkes metoder tryk følsomme film. De optiske sensorer præsenterer vi tillader diskret måling af fit force rundt om hovedet eller hjelm.

For certificering af hjelme, er en hjelm sikret på en instrumenteret attraphoved, som er så rejst til en visse højde at blive droppet. Hoved og hjelm kan derefter frit fald slip på en ambolt mens du optager lineære accelerationer. Selv om ikke typisk brugt i hjelm industristandarder, blev en Hybrid III hoved (attraphoved) og hals forsamling brugt i dette arbejde, med en guidet drop tårn til at simulere virkningerne. I modsætning til standarder, der typisk bruger lineære kinematik, giver matrixen attraphoved accelerometer også bestemmelse af roterende kinematik, en vigtig parameter til at forudsige sandsynligheden for diffus hjerneskader, herunder hjernerystelse¹¹ . Gennem måling af både lineær acceleration og roterende acceleration og hastighed, kan skøn over alvorlige fokale og diffuse hjerneskade foretages ved at sammenligne kinematik til flere foreslåede kinematik-baserede skade vurderingsmetoderne i litteraturen ^{12 , 13}. attraphoved blev oprindeligt udviklet for automotive crash test, dens anvendelse i hjelm vurdering og estimering af hovedskade risiko i helmeted virkningen er veldokumenteret^2,14. Virkningen simulation opsætning omfatter også en øvre nakke vejecelle, så styrker og øjeblikke er forbundet med hals skade skal måles. Hals skade risikovillig kan derefter estimeres ved at sammenligne hals kinetik til evaluering skadesdata fra automotive skade data^12,13.

En metode til at spore hjelm bevægelse i forhold til hovedet under virkningen med høj hastighed video er også foreslået. I øjeblikket, findes ingen kvantitative metoder for at evaluere hjelm stabilitet under indvirkning. Consumer Product Safety Commission (CPSC)¹⁵ cykel hjelm standard efterlyser en positionel stabilitet test, men er ikke repræsentativt for indflydelse. Derudover er om Hjelmen kommer ud af Hovedblokkens det eneste resultat måles ved testen. Uanset eksponering af hovedet til skade, kan en hjelm stadig passere så længe det forbliver på attraphoved i test. Den foreslåede metode til sporing af hjelm bevægelser ligner hjelm holdning Index (HPI)¹⁵ og måler afstanden mellem kanten af en hjelm og panden. Denne hoved-hjelm forskydning spores ved hjælp af high-speed video-optagelser i hele indflydelse for at opnå en repræsentation af hjelm stabilitet og hoved eksponering under indvirkning. Brug direkte lineær omdanne (DLT)¹⁶ og enkelt værdi nedbrydning (SVD)¹⁷ metoder, er markører sporet fra to kameraerfor at bestemme punkt steder i tre-dimensionelle rum og derefter den relative forskydning mellem hjelm og hoved.

Flere indvirkning sværhedsgraden og fit parametre er undersøgt. Virkningen scenarier omfatter to indvirkning hastigheder, to påvirker ambolt overflader, og både torso-første og hovedet først virkninger. Ud over en typisk flad ambolt overflade simuleret vinklet ambolt betydning også for at fremkalde en tangential kraft komponent. En torso-første virkning, i modsætning til en hoved-først indvirkning, er medtaget for at simulere et scenario, hvor en rytter skulder påvirker jorden før hoved, ligeledes udført i tidligere arbejde¹⁸. Endelig, disse fire hjelm passer scenarier er undersøgt: en regelmæssig pasform, en overdimensioneret passer, en forward pasform og en tilbagestående pasform. I modsætning til tidligere arbejde er hjelm positionering på hovedet en undersøgte parameter, samt hjelm pasform og hjelm dimensionering.

Protocol

1. hjelm passer scenarier Arrangement Definer passer scenarier til at blive undersøgt på en Antropometriske test enhed hoved og hals (Hybrid III 50 percentilen mand) med en hovedomkreds på 575 mm. Bemærk: Et eksempel på fire fit scenarier er vist i tabel 1 med hjelm positioner svarer til figur 1. De fremad- og bagudrettet fit scenarier var baseret på definitioner af bruge korrekt styrthjelm fra tidligere epidemiologiske undersøgelser, som angivet ko…

Representative Results

Fit kraft målingFor hver passer scenario, passe kraft måling blev udført på hver sensor placering (figur 12) og en t-test, med forskellig varians, blev udført for at bestemme betydning (p < 0,05). Den gennemsnitlige standardafvigelsen på tværs af alle målinger var ± 0,14 N. videregående fit styrker angiver en strammere pasform. Hoved kinematiske og hals kin…

Discussion

Her, passer metoder til behandlende hjelm i simulerede helmeted hoved konsekvenser præsenteres. Hjelmen passer var kvantificeres med fit Kraftmålerne, virkninger blev simuleret med en ATD Hovedblokken og halsen på en guidet drop tårn og hjelm bevægelse var bane med høj hastighed video. Forskellig indvirkning scenarier var simuleres under forskellige fit scenarier til at undersøge virkningerne på Biomekanisk foranstaltninger af hjelmen passer.

Hjelmen passer sensorer er i stand til at s…

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