Een Test-Bed helm Fit en retentie en biomechanische maatregelen van hoofd- en nekletsel in gesimuleerde gevolgen te onderzoeken

Summary

Met behulp van een antropometrisch hoofd en de nek, optische vezel gebaseerde pasvorm dwingen omvormers, een array van hoofd versnelling en nek kracht/moment omvormers, en een dubbele hoge snelheid camerasysteem, presenteren wij onze een proefbank helm retentie en effecten op biomechanische te studeren maatregelen van hoofd en nek letsel secundair aan hoofd effect.

Abstract

Conventionele wijsheid en de taal in internationale helm normen voor taaltests en taaldiploma’s suggereren dat de juiste helm past en retentie tijdens een botsing zijn belangrijke factoren bij de bescherming van de drager van de helm van de effect-veroorzaakte schade. Dit manuscript wil onderzoeken gevolgen-geïnduceerde letsel mechanismen in verschillende helm past scenario’s door middel van analyse van gesimuleerde Caudiverbera effecten met een antropometrisch test-apparaat (ATD), een matrix van botslichaam versnelling omvormers en nek kracht / moment omvormers, een dubbele hoge snelheid camerasysteem en helm-fit krachtsensors ontwikkeld in onze onderzoeksgroep op basis van Bragg roosters in optische vezel. Om na te bootsen effecten, vallen een geïnstrumenteerde proefhoofd en de flexibele hals langs het spoor van een lineaire gids op een aambeeld. Het test-bed staat simulatie van hoofd effect bij snelheden tot 8.3 m/s, op effect oppervlakken die zowel vlakke als gebogen. Het botslichaam is passen bij een helm en verschillende fit scenario’s kunnen worden gesimuleerd door het kader specifieke aanpassingen aanbrengen in de helm positie index en/of de grootte van de helm. Om te kwantificeren helm retentie, is de beweging van de helm op het hoofd gekwantificeerd aan de hand van de post-hoc beeldanalyse. Om te kwantificeren van hoofd en nek schade potentiële, worden biomechanische maatregelen op basis van botslichaam versnelling en nek kracht/moment gemeten. Deze biomechanische maatregelen, door middel van vergelijking met gevestigde menselijke tolerantie curven, het risico van ernstige levensbedreigende en/of diffuus licht hersenletsel kunnen inschatten en osteoligamentous nek schade. Om onze kennis is het gepresenteerde test-bed de eerste ontwikkeld speciaal voor de beoordeling van de biomechanische effecten op hoofd en nek schade ten opzichte van de helm past en retentie.

Introduction

Meest epidemiologische bewijs suggereert fietshelmen bieden bescherming tegen hoofdletsel voor fietsers van alle leeftijden¹. De biomechanische literatuur presenteert het consistente thema dat het Caudiverbera hoofd relatief minder ernstige hoofd/hersenletsel secundaire gevolgen hebben voedt, ten opzichte van de onbeschermde (un-Caudiverbera) hoofd². Sommige onderzoek suggereert dat arme helm pasvorm geassocieerd met een verhoogd risico op hoofdletsel^{3 wordt}, hetgeen impliceert dat helmen zijn het effectiefst wanneer behoorlijk passen. Afhankelijk van de criteria gebruikt om te definiëren goede helm pasvorm, onjuiste valhelm bleek te zijn maar liefst 64 procent onder Caudiverbera fietsers³. Ondanks het epidemiologische bewijs suggereert dat helm passen is relevant in de ernst of de waarschijnlijkheid van hoofdletsel bij een botsing, is er minimale experimenteel werk beoordelen in een gecontroleerde laboratorium omgeving al of niet de juiste helm past of helm retentie heeft een significant effect op biomechanische maatregelen van letsel. Een gerelateerde studie onderzoekt het effect van motorfiets helm formaatgrepen tijdens Caudiverbera effecten gesimuleerd met een eindige elementen model⁴. Een andere gerelateerde studie onderzoekt het effect van helm formaatgrepen tijdens experimentele effecten⁵ terwijl het gebruiken van druk gevoelige film te kwantificeren fit krachten in voetbal helmen. Het effect van retentie systemen in fiets- en motorfiets helm effecten geweest onderzochte^6,7, evenals een achterwaartse fit scenario voor door⁶.

Ons werk stelt methoden te bestuderen van het effect van fiets helm past op het risico van verwonding met helm past krachtsensors gesimuleerd van effecten met een antropometrisch hoofd en nek en stereoscopische hoge snelheid camera’s. De doelstellingen van onze voorgestelde methoden zijn om te kwantificeren pasvorm en evalueren van het risico van verwonding in verschillende realistische effect scenario’s. In tegenstelling tot aanverwante methoden onderzoekt ons werk fiets helm past, waar het gebruik van de juiste helm is gevarieerd. Vergelijkbaar met vorige methoden, hoofd kinematica worden bepaald; laden van de nek en hoofd-helm verplaatsingen zijn echter ook gekwantificeerd. Hoewel de epidemiologie van nekletsel in fietsen suggereert dat nek verwondingen zeldzaam zijn, ze hebben de neiging te worden geassocieerd met meer ernstige hoofd effecten en hospitalisatie^8,9. Het bewijs is gemengd of valhelm tarieven van nek schade^{8 vermindert} en geen van de aangehaalde epidemiologische studies kwantificeren aspecten van helm past. Gezien het feit dat nekletsel in de wielersport heeft de neiging te worden geassocieerd met meer ernstige ongevallen en die helm past is niet onderzocht in de nek schade epidemiologie, zijn methoden voor de behandeling van zowel de hoofd en de nek schade waardevol in biomechanische onderzoek. Dergelijke experimentele methoden kunnen worden gebruikt in biomechanische studies die een aanvulling op epidemiologische studies die niet in alle gevallen controle voor de ernst van de gevolgen of helm past.

In ons werk, is een nieuwe methode van de controle van de relatieve bewegingen tussen de kop en helm tijdens botsing ontwikkeld. De mogelijkheid om te controleren of al dan niet de helm op het hoofd beweegt kan geven waardevolle inzicht in zowel de stabiliteit van de helm en de blootstelling van de onbeschermde hoofd tot letsel tijdens botsing. In een studie onderzoekt helm passen, zijn helm stabiliteit en hoofd blootstelling bijzonder waardevol zijn bij het beoordelen van de prestaties van de helm. In tegenstelling tot gerelateerd werk, verschillende effect en pasvorm zal scenario’s nadruk op gevarieerde helm positionering ook worden getest.

Op dit moment, is juiste helm past subjectief en nonspecifically gedefinieerd. In het algemeen wordt goede helm past gekenmerkt door stabiliteit en positie. De helm moet bestand zijn tegen beweging eens beveiligd en opgeslagen op het hoofd, en moet zich zodanig dat niet onder de wenkbrauwen vallen en het voorhoofd niet overmatig is blootgesteld. Bovendien moet ongeveer een-vinger breedte van de ruimte tussen de kin en Evening³past. Maatregelen van quantifying helm past zijn niet wijdverspreid; dan kracht, methoden helm pasvorm kunnen vergelijken op basis van het hoofd en helm geometrie vergelijken. Een dergelijke methode is de helm past Index voorgesteld door Ellena et al. ¹⁰. onze voorgestelde methode voor het kwantificeren van de helm fit, fit krachtsensors, maakt u een objectieve middel verschillende helm past scenario’s in de vorm van gemiddelde en standaardafwijking van krachten uitgeoefend op de kop te vergelijken. Deze pasvorm dwingen waarden vertegenwoordigen de luchtdichtheid van een helm, evenals de variatie van krapte ervaren op het hoofd. Deze sensoren bieden een kwantitatieve vergelijking van krachten die kan worden gemaakt tussen verschillende fit scenario’s. Een veilige strakke montage helm zou hogere krachten geven terwijl een losse helm zou het weergeven van lagere krachten. Deze methode van fit kracht meting is vergelijkbaar met de gemiddelde passen Index voorgesteld door Jadischke⁵. Jadischke de methoden gebruiken echter druk gevoelige film. De optische sensoren we presenteren toestaan onopvallend meting van fit kracht rond het hoofd of de helm.

Voor de certificering van helmen, is een helm beveiligd op een geïnstrumenteerde botslichaam, die vervolgens wordt verhoogd tot een bepaalde hoogte te laten vallen. Het hoofd en de helm is vervolgens onderworpen aan een daling van de vrije val op een aambeeld tijdens het opnemen van lineaire acceleratie. Hoewel meestal niet gebruikt in de helm industriestandaarden, werden een Hybrid III hoofd (botslichaam) en hals vergadering gebruikt in dit werk, met een daling van de begeleide toren te simuleren van de effecten. In tegenstelling tot de standaards die meestal lineaire bewegingen gebruiken, de vorm van een hoofd versnellingsmeter matrix maakt het ook mogelijk de bepaling van Rotationele kinematica, een belangrijke parameter in het voorspellen van de kans op diffuus hersenletsel, met inbegrip van hersenschudding¹¹ . Door meting van zowel lineaire versnelling en roterende acceleratie en snelheid, kunnen schattingen van ernstige focal en diffuse hoofdletsel worden gemaakt door het vergelijken van kinematica aan de verschillende voorgestelde kinematica gebaseerde letsel bepalingsmethoden in de literatuur ^{12 , 13}. terwijl het botslichaam was oorspronkelijk ontwikkeld voor het auto crash testen, het gebruik ervan in de helm beoordeling en schatting van hoofdletsel risico in Caudiverbera effect is goed gedocumenteerd^2,14. De gevolgen simulatie setup bevat ook een bovenste nek belasting cel, waardoor de krachten en momenten geassocieerd met nekletsel te meten. Nek verwondingsrisico kan vervolgens worden geschat door nek kinetiek te letsel assessment gegevens vergelijken van auto schade gegevens^12,13.

Een methode voor het bijhouden van helm beweging ten opzichte van het hoofd tijdens botsing met hoge snelheid video wordt ook voorgesteld. Op dit moment bestaan geen kwantitatieve methoden om te evalueren van helm stabiliteit tijdens botsing. De Consumer Product Safety Commissie (CPSC)¹⁵ fiets helm standaard een positionele stabiliteitsproef op wordt aangedrongen, maar is niet vertegenwoordiger van een effect. Bovendien, al dan niet de helm komt uit het botslichaam is het enige resultaat gemeten door de test. Ongeacht Gasbedwelming met behulp van het hoofd letsel, kan een helm nog passeren, zolang blijft het op het botslichaam tijdens proeven. De voorgestelde methode voor het bijhouden van helm verkeer is vergelijkbaar met helm positie Index (HPI)¹⁵ en meet de afstand tussen de rand van een helm en het voorhoofd. De verplaatsing van deze hoofd-helm wordt bijgehouden met behulp van de high-speed video-opnames in de gehele gevolgen met het oog op een vertegenwoordiging van de helm stabiliteit en hoofd blootstelling tijdens botsing. Met behulp van directe lineaire transformatie (DLT)¹⁶ en één waarde ontleding (SVD)¹⁷ methoden, worden markeringen bijgehouden van twee camera ‘som de puntlocaties in drie-dimensionale ruimte, en vervolgens de relatieve verplaatsing tussen helm en hoofd.

Verschillende gevolgen ernst en pasvorm parameters worden onderzocht. De impact scenario’s omvatten twee impact snelheden, twee invloed aambeeld oppervlakken en torso-eerste zowel hoofd-als eerste effecten. Naast een typische platte aambeeld oppervlak, is ook een schuine aambeeld-effect gesimuleerd om een kracht van de tangentiële component. Een romp-eerste effect, in tegenstelling tot een hoofd-eerste effect, is opgenomen om het simuleren van een scenario waarin een rider’s schouder de grond vóór het hoofd, op dezelfde manier uitgevoerd in eerdere werk¹⁸aanstuurt. Ten slotte, deze vier helm past scenario’s worden onderzocht: een regular fit, een oversized pasvorm, een voorwaartse pasvorm en een achterwaartse pasvorm. In tegenstelling tot eerdere werk is helm op het hoofd plaatsen een onderzochte parameter, evenals de helm pasvorm en de helm grootte.

Protocol

1. helm past scenario’s Arrangement definiëren passen scenario’s worden bestudeerd op een antropometrisch test apparaat hoofd en de hals (Hybrid III 50e percentiel mannelijk) met een hoofdomtrek van 575 mm. Opmerking: Een voorbeeld van vier fit scenario’s wordt weergegeven in tabel 1 met helm posities overeenkomt met het cijfer 1. De voorwaartse en achterwaartse fit scenario’s waren gebaseerd op definities van de juiste helm gebruik uit vorige epidemiolog…

Representative Results

Fit kracht metingVoor elk scenario past, past kracht meting werd verricht op de locatie van elke sensor (Figuur 12) en een t-toets, ongelijke varianties, werd uitgevoerd om te bepalen van betekenis (p < 0,05). De gemiddelde standaarddeviatie voor alle metingen was ± 0.14 N. hoger fit krachten geven een smallere pasvorm. Kinematische hoofd en nek kinetische gegevens<…

Discussion

Hier, passen methoden voor behandelende helm in gesimuleerde Caudiverbera hoofd effecten worden gepresenteerd. Helm passen werd gekwantificeerd met fit krachtsensors effecten werden gesimuleerd met een ATD proefhoofd en de nek op een daling van de begeleide toren en helm beweging met hoge snelheid video werd gevolgd. Gevolgen van de verschillende scenario’s werden gesimuleerd onder verschillende fit scenario’s te onderzoeken van de effecten op biomechanische maatregelen van helm past.

De helm …

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