Summary
Usando um antropométricas cabeça e pescoço, ajuste baseado em fibra óptica forçar transdutores, uma matriz de cabeça aceleração e Transdutores de força/momento do pescoço, e uma dupla alta velocidade sistema de câmera, nós apresentamos uma cama de teste para estudar efeitos na biomecânica e retenção de capacete medidas da cabeça e pescoço lesão secundária à cabeça do impacto.
Abstract
Sabedoria convencional e a língua nos padrões de teste e certificação de capacete internacional sugerem que capacete apropriado apto e retenção durante o impacto são fatores importantes para proteger o utente de capacete de lesão induzida pelo impacto. Este manuscrito tem como objetivo investigar os mecanismos de lesão induzida pelo impacto em cenários de capacete diferentes caber através da análise dos impactos de galinha simulados com um dispositivo de teste antropométrico (ATD), uma matriz de transdutores de aceleração de cabeça e pescoço de força / Transdutores de momento, um sistema de câmera dupla de alta velocidade e sensores de força de ajuste de capacete desenvolvidos no nosso grupo de pesquisa baseado em grades de Bragg em fibra óptica. Para simular os impactos, um instrumentado de cabeça e pescoço flexível cair ao longo de um trilho de guia linear em uma bigorna. A cama de teste permite que a simulação do impacto de cabeça em velocidades até 8,3 m/s, sobre as superfícies de impacto que são planas e angulares. A cabeça é cabida com um capacete e vários cenários de ajuste podem ser simulados por fazendo ajustes específicos de contexto para o índice da posição de capacete e/ou tamanho de capacete. Para quantificar a retenção do capacete, o movimento do capacete na cabeça é quantificado através da análise de imagem post-hoc. Para quantificar a lesão de cabeça e pescoço potencial, medem-se medidas biomecânicas com base em uma cabeça aceleração e pescoço força/momento. Estas medidas biomecânicas, através da comparação com curvas de tolerância humana estabelecida, podem-se estimar o risco de ameaça à vida severa e/ou lesão cerebral difusa suave e osteoligamentous lesões do pescoço. A nosso conhecimento, o ensaio apresentado é o primeiro desenvolvido especificamente para avaliar os efeitos biomecânicos em lesões de cabeça e pescoço em relação ao capacete caber e retenção.
Introduction
Mais evidência epidemiológica sugere capacetes da bicicleta fornecem proteção contra ferimentos na cabeça para os ciclistas de todas as idades1. A literatura biomecânica apresenta o tema consistente que sustenta a cabeça capacete relativamente menos graves ferimentos na cabeça/cérebro secundários para o impacto, em relação a desprotegido de cabeça (un-capacete)2. Algumas pesquisas sugerem que ajuste pobre capacete está associado com um risco aumentado de ferimento na cabeça3, implicando que os capacetes são mais eficazes quando se encaixam corretamente. Dependendo dos critérios utilizados para definir o capacete bom ajuste, uso incorreto de capacete foi encontrado para ser tão alto quanto 64% entre os ciclistas capacete3. Apesar da evidência epidemiológica sugerindo que o capacete se encaixam é relevante na gravidade ou probabilidade de lesão na cabeça em um impacto, não há mínimo de trabalho experimental avaliar em um ambiente de laboratório controlado ou não cabe capacete correto ou retenção de capacete tem um efeito significativo nas medidas biomecânicas da lesão. Uma relacionada com estudo investiga o efeito de dimensionamento do capacete da motocicleta durante impactos capacete simulada com um modelo de elementos finitos4. Outro relacionado estudo investiga o efeito de dimensionamento do capacete durante impactos experimental5 enquanto estiver usando filme sensível de pressão para quantificar forças ajuste em capacetes de futebol. O efeito de sistemas de retenção em impactos de capacete de bicicleta e motocicleta foram investigados6,7, bem como um cenário de ajuste para trás para pré-adolescentes6.
Nosso trabalho propõe métodos para estudar o efeito do capacete da bicicleta se encaixa sobre o risco de lesão com sensores de força capacete caber, simulado impactos com uma antropométrica cabeça e pescoço e câmeras estereoscópicas de alta velocidade. Os objetivos de nossos métodos propostos são para ajuste de quantificar e avaliar o risco de lesão em cenários diferentes impacto realista. Em contraste com os respectivos métodos, nosso trabalho investiga capacete de bicicleta caber, onde o uso de capacete adequado é variado. Métodos semelhantes ao anterior, cabeça cinemática são determinados; no entanto, carregamento de pescoço e cabeça-capacete deslocamentos também são quantificados. Embora a epidemiologia das lesões do pescoço no ciclismo sugere que as lesões no pescoço são incomuns, eles tendem a ser associado com impactos mais severos de cabeça e hospitalização8,9. A evidência é misturada na ou não uso de capacete reduz taxas de pescoço lesão8 e nenhum dos estudos epidemiológicos citados quantificar do capacete que se encaixam. Considerando o fato de que a lesão no pescoço no ciclismo tende a ser associado com os acidentes mais graves e que ajuste o capacete não foi examinado em epidemiologia de lesões do pescoço, métodos para análise de lesões de cabeça e o pescoço são valiosos na pesquisa biomecânica. Tais métodos experimentais podem ser usados em estudos biomecânicos que complementam os estudos epidemiológicos que não podem em todo controle de casos para a gravidade do impacto ou capacete caber.
Em nosso trabalho, foi desenvolvido um novo método de monitoramento de movimentos relativos entre a cabeça e o capacete durante o impacto. A capacidade de monitorar ou não o capacete se move na cabeça pode dar insights valiosos sobre estabilidade do capacete e exposição da cabeça desprotegida a lesão durante o impacto. Em um estudo investigando o capacete se encaixam, estabilidade de capacete e cabeça exposição são particularmente valiosos na avaliação de desempenho do capacete. Em contraste com os trabalhos relacionados, impacto diferente e encaixe cenários enfatizando capacete variado posicionamento serão testados também.
Atualmente, capacete correto ajuste é subjetiva e nonspecifically definido. Geralmente, capacete bom caber é caracterizado pela estabilidade e posição. O capacete deve ser resistente ao movimento uma vez fixado na cabeça e deve ser posicionado de tal forma que as sobrancelhas não são cobertas e a testa não é excessivamente exposta. Além disso, cerca de um dedo de largura de espaço deve caber entre o queixo e barbicha3. Medidas de quantificação capacete caber não são generalizadas; Além de força, métodos podem comparar capacete ajuste com base na comparação a cabeça e o capacete de geometria. Um tal método é o índice de ajuste do capacete proposto pela Ellena et al 10. nosso método proposto de quantificar o ajuste do capacete, sensores de força apto, cria um meio objetivo de comparar cenários diferentes capacete caber na forma de média e desvio padrão de forças exercidas sobre a cabeça. Estes ajuste forçar valores representam a tensão de um capacete, bem como a variação de tensão experientes na cabeça. Estes sensores fornecem uma comparação quantificada das forças que podem ser feitas entre os diferentes cenários de ajuste. Um capacete seguro apertadas montagem mostraria mais altas forças enquanto um capacete solto iria mostrar forças inferiores. Este método de medição de força de ajuste é semelhante ao índice de ajuste médio proposto por Jadischke5. No entanto, métodos do Jadischke utilizam filme sensível de pressão. Os sensores ópticos, a que apresentamos permitam a medição discreta da força ajuste em torno da cabeça ou capacete.
A certificação de capacetes, um capacete é atribuído em uma cabeça instrumentada, que então é erguida a uma certa altura para ser Descartado. A cabeça e o capacete é então sujeito a uma queda de queda livre em uma bigorna durante a gravação de acelerações lineares. Embora não normalmente usados em padrões da indústria de capacete, uma cabeça Hybrid III (cabeça) e pescoço montagem foram utilizados neste trabalho, com uma torre de queda guiada para simular os impactos. Em contraste com os padrões que normalmente usam cinemática linear, matriz de uma cabeça de acelerômetro também permite a determinação de cinemática rotacional, um parâmetro chave em prever a probabilidade de lesões cerebrais difusas, incluindo concussão11 . Através de medição de aceleração linear e rotacional aceleração e velocidade, podem ser feitas estimativas de lesões graves focal e difusa, comparando a cinemática para os vários métodos de avaliação propostas baseadas em cinemática lesão na literatura 12 , 13. enquanto a cabeça foi originalmente desenvolvida para testes de colisão automóvel, seu uso na avaliação de capacete e estimativa do risco de lesão na cabeça, no impacto do capacete é bem documentada,2,14. A configuração de simulação de impacto também inclui uma célula de carga superior do pescoço, permitindo que as forças e momentos associados a lesão no pescoço a ser medido. Risco de ferimento do pescoço pode ser estimado em seguida comparando cinética do pescoço aos dados de avaliação de lesão de lesão automotiva dados12,13.
Também é proposto um método de rastreamento de movimento de capacete relativo a cabeça durante o impacto com vídeo de alta velocidade. Atualmente, não há métodos quantitativos existem para avaliar a estabilidade do capacete durante o impacto. O padrão de capacete de bicicleta de15 Comissão de segurança de produtos de consumo (CPSC) chama para um teste de estabilidade posicional, mas não é representante de um impacto. Além disso, se o capacete sai da cabeça é o único resultado medido pelo teste. Independentemente da exposição da cabeça a lesão, um capacete pode ainda passar enquanto fica na cabeça durante os ensaios. O método proposto de rastrear o movimento do capacete é semelhante ao capacete posição Index (HPI)15 e mede a distância entre a borda de um capacete e na testa. Este deslocamento da cabeça-capacete é controlado usando imagens de vídeo de alta velocidade ao longo de um impacto para obter uma representação da exposição de estabilidade e cabeça de capacete durante o impacto. Usando a transformação Linear direta (DLT)16 e métodos de decomposição de valor único (SVD)17 , marcadores são rastreados a partir de duas câmeraspara determinar a localização de ponto no espaço tridimensional e, em seguida, o deslocamento relativo entre o capacete e a cabeça.
Vários parâmetros de gravidade e ajuste de impacto são investigados. Os cenários de impacto incluem duas velocidades de impacto, dois impactando as superfícies bigorna e impactos tanto primeiro tronco e cabeça. Além de uma superfície de bigorna plano típico, um impacto angular bigorna também é simulado para induzir uma componente de força tangencial. Um tronco-primeiro impacto, em oposição a um impacto da cabeça, é incluído para simular um cenário em que o ombro do piloto impacta o solo antes da cabeça, da mesma forma realizada no anterior trabalho18. Finalmente, esses cenários de quatro capacete se encaixam são investigados: um ajuste regular, um ajuste de grandes dimensões, um ajuste para a frente e um ajuste para trás. Ao contrário dos trabalhos anteriores, posicionamento de capacete na cabeça é um parâmetro investigado, bem como ajuste de capacete e dimensionamento de capacete.
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Protocol
1. capacete caber cenários arranjo
- definir cabe cenários para ser estudado em uma cabeça do dispositivo de teste antropométrico e pescoço (macho de Hybrid III 50º percentil), com uma circunferência da cabeça de 575 mm.
Nota: Um exemplo de quatro cenários de ajuste é mostrado na tabela 1 com posições de capacete correspondente a Figura 1. Os cenários de ajuste para a frente e para trás foram baseados nas definições de uso correto do capacete de anteriores estudos epidemiológicos, que especificada a posição correta do capacete como não cobrindo as sobrancelhas ou expor a testa 3. - Para cada cenário, marcar cada posição de capacete na cabeça para garantir o cenário de capacete caber é repetido consistentemente.
- Usar um capacete certificado CPSC, disponível em tamanhos extra grandes e universais, para todos se encaixam cenários.
Nota: De acordo com o guia de ajuste fabricante fornecido, um tamanho universal cabe mais apropriadamente a circunferência da cabeça.- Para cada um ajustar o cenário, manter outro ajuste parâmetros consistentes. Especificamente, aperte a jugular para deixar a largura de aproximadamente um dedo de espaço debaixo do queixo e aperte o botão ajustável para manter um ajuste seguro.
2. Ajuste de medição de força
- ajuste de organizar cinco sensores na pele da cabeça, posicionado na parte da frente, trás, esquerda, direita e superior ( Figura 2).
Nota: Os sensores são uma versão modificada de Bragg grating de transdutores de força desenvolvidos dentro da pesquisa grupo 19 , 20 , 21 , 22, otimizado para medir forças ajuste sobre uma escala de 0 a 50 s. Os sensores modificados têm uma espessura e diâmetro de 2,6 mm e 14 mm respectivamente. - Tomar uma medida de referência com os transdutores na cabeça sem capacete sob nenhuma carga. Tomar essa medida de referência antes de cada medição de força apto.
- Lugar do capacete para os dados de força de uma cabeça e medida para 3 s a uma taxa de 2,5 kHz. Repita o mesmo cenário de ajuste seis vezes para medidas repetidas.
- Repetir o mesmo procedimento de medição para caber tudo cenários.
- Converte dados de mudança de comprimento de onda para forçar as medições multiplicando a constante de calibração pré-determinado para o ajuste os comprimentos de onda medidos desde o transdutor forçar transdutor.
3. Torre de gota para simulação de impacto
- simular impacto na cabeça de capacete, linearmente, orientando a cabeça para acertar um impacto superfície 19 , 23. O equipamento necessário para fazer isso é contexto específico, conforme detalhado abaixo.
- Montar uma torre de gota que consistem de um cardan de gota ajustável, uma cabeça de dispositivo de teste antropométrico e pescoço e uma superfície de impacto variável.
Nota: Total de gota Assembleia massa é aproximadamente 11 kg. A massa adicional das contas gimbal para a exclusão do corpo humano completo como uma massa de tronco eficaz para melhor simular um impacto realista 24. - 9 organizar acelerômetros uni-axial em um 3-2-2-2 configuração dentro da cabeça para permitir linear e acelerações angulares da cabeça a ser determinado com o centro de gravidade 25.
- Arranjar um portão de velocidade construído propositadamente na torre de impacto para medir a velocidade de impacto imediatamente antes do impacto.
- Montar uma torre de gota que consistem de um cardan de gota ajustável, uma cabeça de dispositivo de teste antropométrico e pescoço e uma superfície de impacto variável.
- Coletar cabeça dados de força/momento de aceleração e pescoço utilizando o sistema de aquisição de dados. Filtro de tensões analógicas, amostradas a 100 kHz para todos os canais. Antes do sistema de aquisição de dados, incluir um filtro de passa-baixa suavização de hardware com uma frequência de canto de 4 kHz 26.
- Organizar o cenário impacto.
- Para todos os impactos, remover a viseira do capacete para permitir melhor visibilidade durante o rastreamento de movimento. Presume-se o efeito da viseira durante impacto negligenciável devido sua fixação solta.
- Organizar todas as gotas para impactar na testa. Este é um local comum de impacto no ciclismo 27, embora outros cenários também podem ser simulados.
- Simular seis cenários de impacto diferentes variando de impacto velocidade, superfície de impacto e impactos de cabeça ou tronco-primeiro conforme tabela 2.
- , Levantar a cabeça para a altura adequada, correspondente ao especificado velocidades de impacto. Soltar a cabeça de uma altura adequada, normalmente de 0,82 m e 1,83 m, para alcançar velocidades de 4 m/s e 6 m/s, respectivamente.
Nota: Adicione a altura conforme necessário para superar as perdas de fricção. Duas velocidades de impacto de 4 m/s e 6 m/s podem ser escolhidas com base fora de normas e literatura anterior 28. - Organizar a superfície de impacto.
- Organizar um plano ou um 45° bigorna em ângulo ( Figura 4). A bigorna plana simula cai sobre uma superfície plana, enquanto a bigorna angular simula impactos com uma componente de velocidade tangencial.
- Cobrir ambas as superfícies da bigorna na fita abrasiva para simular uma superfície de asfalto. Ajuste a posição da bigorna como necessário entre impactos para assegurar que o capacete para ser impactado contatos apenas a superfície plana da bigorna.
- Providenciar a torre gota cabeça ou tronco-primeiro impacto. Simular impactos tanto cabeça e tronco de primeira, com impactos de tronco semelhantes do combinado carregar configuração de impacto apresentada em Smith et al. 18
- para simular um impacto da cabeça, não ajustar a torre de queda.
- Para simular o torso batendo no chão antes da cabeça, coloque um bloco de madeira no caminho do gimbal gota. Coloque esse bloco de madeira a uma altura tal que a cabeça é de aproximadamente 25 mm afastada da bigorna do tronco-impacto de impacto. A cabeça então vai continuar a bater a bigorna através da flexão do pescoço só.
- Incluem uma camada de espuma para minimizar as vibrações da torre de queda ( Figura 5).
- Em contraste com a cabeça de impactos, ajustar o ângulo do pescoço em tronco-primeiros impactos.
Nota: Este ajuste de ângulo do pescoço permite a cabeça para o impacto da bigorna na testa após a flexão, para que o local do impacto é comparável ao caso de cabeça-primeiro impacto ( Figura 6). Além de impactos de testa, este tronco-primeiro cenário certamente seria relevante em impactos de lado também. Em impactos tanto cabeça e tronco de primeira, este sistema de giroscópio permite o movimento da cabeça e do pescoço ao longo da trilha após impacto.
- Acionar o sistema de aquisição de dados, câmeras de alta velocidade (ver secção 4) e gota de cabeça simultaneamente. Repita o mesmo impacto e a configuração de ajuste do cenário 3 vezes com capacetes novos cada vez.
Nota: As câmaras de alta velocidade serão necessário instituir-se simultaneamente com a torre de queda, detalhada na seção 4. - Assunto cada um dos quatro cenários de ajuste para cada um dos 6 cenários diferentes de impacto. Realizar um total de 72 gotas depois de 3 testes de cada configuração.
- Post-process os dados cinemáticos e cinéticos de cabeça.
- Sinais analógicos de filtro para aceleração e força/momento posteriormente, usando um filtro de Butterworth de ordem th 4 no pós-processamento para atender indusExperimente a prática sugerida 26. Filtro acelerações de cabeça e pescoço forças como por canal frequência classe (CFC) 1000. Filtrar os momentos de pescoço conforme CFC 600.
4. Usando um sistema de câmera dupla velocidade alta de captura de movimento
Nota: posições de marcador de gravação de duas câmeras de alta velocidade permitem posições de marcador tridimensional a ser determinado com o método DLT 16 em pós-processamento. Para determinar deslocamentos da cabeça-capacete, rastrear marcadores sobre a cabeça e o capacete durante o impacto.
- Organizar câmaras de alta velocidade ao redor da torre de gota.
- Organizar duas câmeras de alta velocidade ao redor da gota torre para imagens de captura sincronizada do capacete e a cabeça de movimento durante o impacto.
- Coloque uma câmera de mestre ao lado da torre de queda e uma câmera de escravo a aproximadamente 45° com o mestre ( Figura 7). Configurar uma luz W 250 entre as câmeras para permitir exposição suficiente.
- Organizar duas câmeras de alta velocidade ao redor da gota torre para imagens de captura sincronizada do capacete e a cabeça de movimento durante o impacto.
- Configurar câmeras de alta velocidade.
- Equip cada câmera com uma lente de macro 100 mm f/2.0, dependendo do campo de visão necessário ou 50 mm f/1.4. Definir as aberturas nas lentes no f/8.0.
Nota: Esta abertura permite foco suficientemente nítido na profundidade de campo desejada. O campo de visão necessário variou de 30 a 60 cm, dependendo do cenário do impacto. - Configurar ambas as câmeras para gravar em 1280 x 800 pixels, com uma taxa de quadros de 1000 quadros por segundo ou mais rápido. Assim, o tempo de exposição máxima por quadro será 600 µs.
- Sincronizar as duas câmaras em frames e relógio interno. Criar um gatilho para que ambas as câmeras acionar simultaneamente.
- Equip cada câmera com uma lente de macro 100 mm f/2.0, dependendo do campo de visão necessário ou 50 mm f/1.4. Definir as aberturas nas lentes no f/8.0.
- Calibrar o espaço, tendo uma imagem de um quadro de calibração de cada câmera.
Nota: Para o método de transformação linear direta (DLT), o espaço deve ser inicialmente calibrado.- Mover uma gaiola de calibração com 17 locais de ponto de calibração conhecido para o campo de visão de ambas as câmeras e levar uma única imagem de cada câmera. Um mínimo de 11 pontos comuns deve ser visível de ambas as câmaras.
- Encontrar as coordenadas bidimensionais de cada marcador com software de rastreamento.
Nota: Uma máquina (CMM) de medição por coordenadas determina os locais de ponto da gaiola calibração antes da calibração DLT. - Usar uma série de cálculos realizados com os marcadores de calibração ' coordenadas (conhecido como DLT) 16, transformar qualquer dois locais de marcador dimensional em coordenadas tridimensionais em relação a gaiola de calibração sistema de coordenadas em pós-processamento.
- Para quantificar o deslocamento de capacete, controlar a distância entre um ponto na testa uma cabeça e a borda do capacete usando o software de rastreamento.
Nota: Porque esses pontos não são visíveis a partir de ambas as câmaras, controlar um conjunto de três marcadores visíveis em cada um a cabeça e o capacete em vez disso. Os pontos na testa e capacete então podem ser controlados indiretamente. - Coloque marcadores de rastreamento na cabeça de movimento e levar uma imagem de referência fixa da cabeça de cada câmera.
- Para este método de rastreamento de marcador indireto, tirar uma imagem de referência de uma cabeça com cada câmera. Certifique-se de que esta imagem de referência consiste de três marcadores e um marcador de referência definido na cabeça.
- Maximizar a distância entre os marcadores usando três locais de ponto de referência, mantendo-se em ambas as câmaras ' campo de pontos de vista.
Nota: Maximizando a distância permite melhor precisão, diminuindo o marcador indireto, seguindo a sensibilidade a erros de rastreamento. Os três marcadores permitem a reconstrução tridimensional do movimento no pós-processamento, bem como a estimativa da localização testa. - Segurar o marcador de referência entre os olhos na testa baixa e os outros marcadores espalharam pela cabeça. Certifique-se de que estes três outros marcadores são visíveis de ambas as câmaras ao longo de um impacto ( Figura 8).
- Coloque marcadores de rastreamento no capacete de movimento e ainda levar imagens de referência do capacete de cada câmera, conforme descrito para a referência de uma cabeça (secção 4.5).
- Certifique-se que a referência é composto de ver pelo menos quatro marcadores de rastreamento de movimento. Segure um marcador na parte inferior da aba capacete como uma referência e espalhar os outros três marcadores no capacete. Certifique-se de que estes três marcadores são visíveis de ambas as câmaras ao longo de um impacto. Levar uma única imagem de cada câmera para a referência do capacete ( Figura 9).
- Acionar o sistema de aquisição de dados, câmeras de alta velocidade e queda de cabeça simultaneamente, conforme descrito na seção 3.
Nota: A torre de queda precisará ser configurado em simultâneo com as câmeras de alta velocidade. Após a tomada de imagens de referência, pode efectuar-se uma gota.- Organizar o capacete encaixa o cenário. A queda de registro. Sinal de um gatilho para as câmeras manualmente após o impacto. Organizar a gravação para que 3 s é gravado antes o gatilho e 8 s é registrada após o gatilho. Revisão e suporte as imagens da câmera sincronizado para conter o impacto apenas manualmente.
5. Cabeça-capacete marcador de rastreamento e pós-processamento
- Track marcadores cabeça e capacete durante o impacto, usando o software da câmera específica.
- Faixa seis pontos por gota: três no capacete e na cabeça ( Figura 10). Com o software, determinar as coordenadas de pixel bidimensional transiente de cada marcador.
- Usar o método DLT para calcular coordenadas tridimensionais de marcadores controlados durante uma queda.
Nota: Com os dados de calibração da jaula de calibração e os dados de queda das duas câmeras, o método DLT pode determinar as coordenadas tridimensionais dos marcadores controlados durante uma queda. - Usa o método SVD (decomposição em valores singulares) 17 para calcular as coordenadas 3D dimensionais da aba cabeça testa e capacete. A diferença entre estes dois pontos é o deslocamento da cabeça-capacete.
- Uso o método SVD para estimar a localização de uma referência apontar em cada aba uma cabeça testa e capacete dos marcadores controlados.
- Usar o método SVD para encontrar a matriz de transformação dos três marcadores entre o quadro de referência e cada quadro individual de uma gota. Essa transformação pode ser aplicada para encontrar a testa ou capacete aba locais.
- Realizar este acompanhamento indireto no capacete e na cabeça. O deslocamento entre a testa e capacete de borda pode ser monitorado ( Figura 11).
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Representative Results
Ajuste da força de medição
Cada um tem o cenário, caber a força medida foi realizada em cada local do sensor (Figura 12) e um t-teste, variâncias desiguais, foi realizado para determinar a significância (p < 0,05). O desvio-padrão médio em todas as medições foi ± 0,14 forças aptos N. superior indicam um ajuste mais apertado.
Cinemática de cabeça e pescoço de dados cinéticos
A resultante aceleração linear cabeça, cabeça aceleração angular, cabeça velocidade angular, força superior do pescoço e momento de pescoço superior de uma gota típica são mostrados (Figura 13 a Figura 17). Valores resultantes foram calculados tomando-se a norma absoluta de x, ye z, vetores de direção (Figura 3). Um critério de lesão do pescoço computado da força axial do pescoço e momento13, Nij, também foi computado em todo o impacto (Figura 18). Dos resultados da cinemáticos, também podem ser identificados os diferentes eventos do impacto. Por exemplo, com a bigorna nos impactos de tronco-primeiro contacto da cabeça pode ser observado como o grande pico em aceleração linear resultante (Figura 13). Em aceleração angular, dois conjuntos de picos podem ser observados (Figura 14). O primeiro pico ocorre como resultado do impacto de tronco, enquanto o segundo pico ocorre como resultado do pescoço atingindo flexão máxima. Na sequência, os eventos do impacto são impacto de tronco, seguido pelo contacto com a bigorna e depois o pescoço, atingindo a máxima flexão da cabeça. Esses eventos também podem ser observados no vídeo de alta velocidade (Figura 6).
Movimento relativo de cabeça-capacete
A magnitude do vetor entre a borda testa e capacete, indicando o movimento relativo da cabeça-capacete, é mostrada na Figura 19 , dois Fit cenários. Mudança relativa em deslocamento pode ser um indicador de movimento do capacete em relação à sua localização pré-impacto.
Figura 1: capacete apto cenários. Capacete caber cenário comparações sobre a falsa cabeça mostrando (a) comparação entre ajuste normal e posicionado incorretamente se adapta cenário de cenário ajuste superdimensionada (d) para a frente se encaixam de cenário de forma normal (c) (b) (e ) cenário de ajuste para trás. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Fiber Bragg grating (FBG) cinco sensores na cabeça com sensor localizado na parte da frente, trás, esquerda, direita e top. Cada sensor (inferior esquerdo) tem uma espessura e diâmetro de 2,6 mm e 14 mm, respectivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: montagem de torre de gota com eixo de coordenadas associado. célula de carga de pescoço e cabeça de (uma) torre de Drop global Assembly com uma cabeça de capacete (b) instrumentado. Pescoço carga celular coordenar eixo também é mostrado. cabeça de correspondente (c) coordena eixo. Acelerações de cabeça e pescoço cargas são medidas tendo como referência o eixo de coordenadas mostrado, com magnitudes positivas nas direções eixo. Momentos baseiam-se a regra da mão direita.
Figura 4: Intercambiáveis (um) planas e superfícies de bigorna (b), inclinado a 45 °, coberto de fita abrasiva. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Cabeça primeiro (um) e configurações de gota de cenário impacto (b) tronco primeiras. Para um cenário de tronco-primeiro impacto, um bloco de madeira é usado para parar o assembly de gota para simular um impacto de tronco. A viseira do capacete também foi removida antes de todas as simulações de impacto. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: sequência de imagens em um tronco-primeiro impacto. Em um primeiro impacto de tronco, o gimbal gota parou, permitindo a cabeça para o impacto da bigorna, seguida de flexão do pescoço. Em contraste, um impacto da cabeça permite movimento completo linear do gimbal gota para a cabeça entrar em contato com a bigorna primeiro.
Figura 7: arranjo Dual câmera de alta velocidade em torno de gota torre. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: cabeça de marcadores de imagem para rastreamento de movimento referência. Três marcadores na cabeça são controlados durante o impacto, enquanto um marcador quarto define o ponto de testa, usado para calcular o deslocamento da cabeça-capacete. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: marcadores de imagem de referência de capacete para rastreamento de movimento. Três marcadores do capacete são controlados durante a impagir enquanto um marcador quarto define o ponto de borda de capacete usado para calcular o deslocamento da cabeça-capacete. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 10: controlados marcadores durante o impacto. Três marcadores são controladas na cabeça e o capacete. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 11: Vetor de deslocamento da cabeça-capacete entre testa e capacete aba que é controlada por todo o impacto.
Figura 12: capacete apto forças exercidas sobre uma cabeça sob diferentes cenários aptos. Barras de erro, que representa o desvio padrão também são mostradas. Diferenças significativas (p < 0,05) entre ajuste cenários de força são indicados (*). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 13: aceleração linear de resultante cabeça centro de gravidade (CG) para um primeiro tronco-impacto sobre uma bigorna plana em 6 m/s. Um ajuste regular (linha contínua) e cenário de ajuste para trás (linha pontilhada) são comparados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 14: resultante aceleração angular de cabeça centro de gravidade (CG) para um primeiro tronco-impacto sobre uma bigorna plana em 6 m/s. Um ajuste regular (linha contínua) e cenário de ajuste para trás (linha pontilhada) são comparados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 15: uma velocidade angular resultante cabeça centro de gravidade (CG) para um primeiro tronco-impacto sobre uma bigorna plana em 6 m/s. Um ajuste regular (linha contínua) e cenário de ajuste para trás (linha pontilhada) são comparados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 16: força de pescoço superior resultante para um primeiro tronco-impacto sobre uma bigorna plana em 6 m/s. Um ajuste regular (linha contínua) e cenário de ajuste para trás (linha pontilhada) são comparados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 17: momento de pescoço superior resultante para um primeiro tronco-impacto sobre uma bigorna plana em 6 m/s. Um ajuste regular (linha contínua) e cenário de ajuste para trás (linha pontilhada) são comparados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 18: Nij para um primeiro tronco-impacto sobre uma bigorna plana em 6 m/s. Um ajuste regular (linha contínua) e cenário de ajuste para trás (linha pontilhada) são comparados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 19: deslocamento de cabeça-capacete transitório para um primeiro tronco-impacto sobre uma bigorna plana em 6 m/s. Um ajuste regular (linha contínua) e cenário de ajuste para trás (linha pontilhada) são comparados. A mudança relativa em deslocamento, em contraste com deslocamento absoluto, também é mostrada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Cenário de ajuste | Tamanho do capacete | Posição de capacete |
| Normal (Figura 1b) | Universal | Normal |
| Grandes dimensões (Figura 1 c) | XL | Normal |
| Para a frente (Figura 1D) | Universal | Para a frente |
| Para trás (Figura 1e) | Universal | Para trás |
Tabela 1: capacete caber cenários para ser estudado. Os cenários de ajuste baseiam-se as definições de uso correto do capacete de estudos epidemiológicos anteriores especificando capacete adequada posição3.
| Cenário de impacto | Velocidade de impacto | Superfície de impacto | Cabeça/Torso primeiro |
| 1 | Baixo (de 4 m/s) | Apartamento | Cabeça |
| 2 | Alta (6 m/s) | Apartamento | Cabeça |
| 3 | Baixa | Em ângulo | Cabeça |
| 4 | Alta | Em ângulo | Cabeça |
| 5 | Baixa | Apartamento | Tronco |
| 6 | Alta | Apartamento | Tronco |
Tabela 2: Cenários de impacto a ser simulada.
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Discussion
Aqui, métodos para investigar capacete cabem na cabeça de galinha simulada impactos são apresentados. Capacete caber foi quantificada com sensores de força de ajuste, os impactos foram simulados com um ATD de cabeça e pescoço em uma torre de queda guiada e movimento do capacete foi rastreado com vídeo de alta velocidade. Cenários de impacto diferentes foram simulados sob diferentes cenários aptos para investigar os efeitos sobre medidas biomecânicas do capacete que se encaixam.
Os capacete se encaixam os sensores são capazes de distinguir as diferenças nas forças de ajuste entre cenários diferentes capacete caber (Figura 12). Tendências no ajuste das forças entre os diferentes cenários de ajuste não se correlacionam fortemente com o desempenho do capacete. Um capacete apto com pobre estabilidade (por exemplo, com versões anteriores se encaixam, como mostrado na Figura 1) espera-se que exibem forças ajuste significativamente menores. Apesar de maiores quantidades de movimento do capacete (ajuste para trás, Figura 19), um para trás cabem capacete forças de exposições significativamente menor se encaixa no local apenas um sensor quando comparado a um ajuste regular. Este resultado sugere que a tensão de capacete na cabeça pode não ser o único determinante do fit que garante a estabilidade dinâmica do capacete na cabeça. Neste estudo, as forças de ajuste foram medidas com a cabeça invertida. As forças poderiam também foram medidas com a cabeça em um lado direito posição, o que resultaria em mais altas forças medidas no vértice cabeça de relatado no presente estudo. No entanto, o protocolo de comparar forças ajuste entre diferentes cenários ajuste visa quantificar relativas mudanças na força de ajuste. Independentemente de se a cabeça na posição vertical ou invertida, as alterações relativas nas forças são as mesmas.
A cama de teste e métodos apresentados são capazes de determinar a cinemática linear e angular, incluindo a aceleração e velocidade, bem como pescoço forças e momentos ao longo da duração do impacto. Medidas de lesões biomecânicas contemporânea baseiam-se em impacto cinemática e tempo de duração. Por exemplo, o critério de traumatismo craniano (HIC) integra aceleração linear ao longo do tempo,12, enquanto o critério de lesão cerebral (BrIC) baseia-se na máxima velocidade angular11. Outras medidas baseadas em cinemática lesão incluem o modelo de aceleração generalizada para cérebro lesão limiar (GAMBITO)29, baseado na aceleração linear máxima e aceleração angular de pico e o poder de impacto de cabeça (HIP), que inclui linear e aceleração angular, tempo de duração e considerações direcional30. Alternativamente, pescoço forças e momentos são usados para calcular o pescoço lesão critério Nij12. Como este protocolo experimental é capaz de medir todas as relevante cinemática e cinética, é possível calcular as medidas de lesões biomecânicas que são de interesse. Potencial risco de lesão então pode ser determinado com base na literatura associada com cada medida de lesão. Como resultado, a configuração provou ser capaz de detectar alterações nas medidas biomecânicas de lesões de cabeça e pescoço baseado no capacete que se encaixam. Portanto, a cama de teste pode ser usada para estudar o ajuste e a retenção e a sua relação com a lesão na cabeça focal e difusa e lesão no pescoço de osteoligamentous. Por exemplo, em um tronco-primeiro impacto sobre uma bigorna plana a 6 m/s, um ajuste regular e cenário de ajuste para trás foram comparados. Para o ajuste regular mudança de velocidades angulares, acelerações lineares resultante de pico, pico angular acelerações e cenário foram 158,2 g, 4647.5 rad/s2e 22.39 rad/s respectivamente. Em comparação com o ajuste regular, um cenário de ajuste para trás exibiu valores mais elevados de 177,9 g, 6246.4 rad/s2 e 45.91 rad/s, sugerindo um maior risco de lesão na cabeça (Figura 13 a Figura 17), com valores de p t-teste de 0,012, 0,070, e 0,005, respectivamente. Porque a integração de ruído em aceleração angular criou um deslocamento em velocidade angular, a mudança na velocidade angular é relatada em vez da conta para esse deslocamento. Para o mesmo cenário de impacto, determinou-se o critério de lesão do pescoço (Nij) de momento e força do pescoço. Para um capacete regular caber foi determinado cenário, um pico Nij de 1,23, enquanto um capacete para trás caber medido 1,28 (Figura 18), com um p-valor do teste-t de 0,099. Novamente, um valor mais alto de Nij gostaria de sugerir um maior risco de lesão no pescoço.
As técnicas de análise de vídeo de alta velocidade provou ser capazes de detectar alterações na retenção e estabilidade dinâmica. Para o mesmo tronco-primeiro impacto sobre uma bigorna plana a 6 m/s, um ajuste regular e cenário de ajuste para trás foram comparados em termos de deslocamentos de capacete. O cenário de forma regular experimentou uma mudança máxima no deslocamento da cabeça-capacete de 6,52 cm enquanto o cenário adequado para trás experimentou 12,18 cm (Figura 19) com um teste-t p-valor de 0,006. Com quase duas vezes mais movimento de capacete, estas tendências sugerem que um com versões anteriores se encaixam resultados cenário na maior exposição de cabeça e, talvez, maior exposição ao ferimento da testa em um impacto posterior, após a primeira.
Deslocamento absoluto e relativo deslocamento (Figura 19) transmitem a quantidade de tratamento facial e exposição de testa e cabeça-capacete movimento relativo, respectivamente, ambos os quais são importantes na análise de retenção e estabilidade dinâmica. O método proposto de deslocamentos de capacete em relação a cabeça de rastreamento permite estabilidade cabeça de exposição e capacete durante o impacto de ser representado e pode avaliar a retenção de capacete para impactos subsequentes. O método pode mostrar o movimento do capacete durante um impacto, que pode ser caracterizado como absolutos deslocamentos e alterações no deslocamento (Figura 19). Um capacete mal conservado que exibem maiores deslocamentos, enquanto um capacete bem conservado que exibem menor deslocamentos. Neste estudo, deslocamento absoluto indica a quantidade de exposição facial e mudança relativa em deslocamento indica o máximo movimento relativo entre a sobrancelha e capacete de borda (Figura 19). Este relatou que o valor de deslocamento é determinado a partir da distância entre os dois marcadores, ligados por um único eixo. Usando os mesmos métodos experimentais, também seria possível medir deslocamento relativo em três direções de componente para caracterizar mais completamente ajuste e retenção. Um único componente foi escolhido para manter a simplicidade, além de proporcionar uma boa comparação para HPI. Em outras condições de impacto, tais como impactos de lado, mais direções do componente ou rotação da cabeça-capacete pode ser particularmente valiosa.
Um inconveniente com os sensores atualmente propostos e medição de força de ajuste é a resolução espacial limitada com o qual as forças são medidas. Com uma matriz de 5-sensor, a distribuição da força através do capacete inteiro pode não ser plenamente representada. Porque o design de capacetes de bicicleta frequentemente inclui aberturas abertas, um sensor nem sempre pode entrar em contato com o capacete e medir a força zero como resultado. Uma potencial solução é colocar os sensores de força no capacete em vez de cabeça. O protocolo apresentado, os sensores de força foram colocados na cabeça para manter a consistência e repetibilidade do experimento. Ter os sensores colocados no capacete poderia exigir um protocolo diferente para tipos diferentes de capacete. No entanto, o pequeno tamanho dos sensores e capacidade de multiplexação de sensores Fiber Bragg Grating (FBG) permitem que um número maior de sensores para ser viável distribuído around a cabeça. Sensores adicionais poderiam discernir os locais de alta e baixa forma forçar flutuações e fornecem mais uma visão sobre a estabilidade do capacete. Além da magnitude da força que representa a tensão, também pode ser valiosa para considerar a área de contato entre o capacete e a cabeça. Especialmente no caso de capacetes com aberturas abertas, área total de contato ou sua distribuição pode ser importante para caracterizar o ajuste. Embora as alterações na tensão global média não foram tão apreciadas em diferentes cenários de posicionamento de capacete, mudanças significativas na distribuição das forças podem ser identificadas, como visto na Figura 12.
Como com todo o trabalho biomecânico baseado ATDs, existem limitações nos métodos apresentados. Ao contrário dos impactos do mundo real, parâmetros tais como a velocidade de impacto, local de impacto no capacete e superfícies de impacto são controlados. Portanto, o trabalho apresentado não irá capturar a variabilidade desses parâmetros de ciclista para ciclista e do incidente de incidente levando a cabeça de impacto.
Hybrid III foi desenvolvido para acidente automotivo testando, em oposição à pesquisa de capacete. Ao contrário de um Comité Nacional do operando em padrões para equipamento atlético (NOCSAE) uma cabeça31, ele não foi projetado para uso com um capacete. Em contraste, a falsa cabeça NOCSAE foi projetada com especificações de tamanho e forma baseadas em cabeças de cadáver para um jogador de futebol adulto médio e alguns a consideram a mais antropometria com precisão aproximada de cabeça. Porque uma cabeça geometria tem um papel significativo no capacete estudando caber, a cabeça pode ter certas deficiências para tipos diferentes de capacete. Em particular, a cabeça tem notáveis diferenças geométricas na cabeça NOCSAE na base do crânio, bochechas, mandíbula e queixo32,33. Porque não há contato mínimo entre estas características e capacetes da bicicleta, forma as diferenças entre a cabeça e uma cabeça real podem ter influência mínima na interação cabeça-capacete. Portanto, defendemos que a cabeça é um modelo adequado para usar em estudos comparativos entre cenários de ajuste, como isso aqui apresentados. Qualquer influência devido às diferenças de forma seria mais aparente na interface entre o sistema de catraca de retenção e a borda inferior da PAC crânio, particularmente no cenário de ajuste para trás. Relacionadas com a cabeça contra cabeça, o pescoço tem sido criticado por sua maior rigidez em comparação com um pescoço humano, e alguns a hipótese que a falta de rigidez realista pode contribuir para movimentos de cabeça que diferem de um sofrimento humano real cabeça impacto34 . Estes efeitos seriam consideravelmente mais significativos os impactos de tronco-primeiro porque a trajetória e a cinemática da cabeça são dependentes do pescoço. Para um tronco-primeiro impacto, um pescoço excessivamente rígido poderia atenuar o movimento da cabeça após o contato do tronco e irrealisticamente lenta velocidade de impacto da cabeça no contacto da cabeça. Com a literatura existente limitada investigando os impactos do primeiro tronco, o biofidelity dos traços cinemáticos são difíceis de validar com impactos de ciclistas do mundo real. No entanto, cabeça aceleração angular de vestígios do tronco são cenários de carga combinada comparável ao semelhante realizados por Smith et al. 18. como tal, as tendências em aceleração angular e carga do pescoço em diferentes cenários de ajuste devem ser enfatizadas, ao invés de magnitudes de absoluto relatados. Sentimos que o pescoço é um modelo adequado para o estudo apresentado porque podemos comparar propostas de cinética e cabeça pescoço entre os casos de ajuste e, em vez de comentar absoluto magnitudes de cabeça cinemática e cinética de pescoço, notamos mudanças nestas medidas.
Outra limitação do uso a cabeça no capacete estudando caber é a dissimilaridade de pele falsa cabeça vinil com a de um couro cabeludo humano. Com variações práticas como cabelo, óleo e umidade, uma simulação precisa de todas essas variáveis, seria difícil. Embora os esforços na criação de um couro cabeludo artificial para pesquisa de capacete foram perseguidos35, validações de cabeça capacete interação entre humanos e artificiais escalpos foram mínimos. Desde que é geralmente aceite que a pele da cabeça apresenta um coeficiente de atrito maior do que um couro cabeludo humano, retenção do capacete poderia ser melhorada forma enganadora. Com dependência variando na cabeça-capacete de fricção em diferentes cenários de ajuste, o efeito da pele falsa cabeça vinil pode também ser mais ou menos pronunciado. Por exemplo, um cenário de ajuste normal pode reter um capacete devido à forma da cabeça, enquanto um ajuste para a frente pode reter um capacete devido o aumento do atrito da pele vinil cabeça-capacete. No entanto, os deslocamentos de capacete são dependentes do couro cabeludo uma cabeça neste estudo. Como tal, devem basear-se conclusões sobre as mudanças e tendências entre diferentes cenários de ajuste.
Embora quatro cenários de ajuste foram investigados, mais variáveis existem no caracterizando o capacete se encaixam. Podem permitir a estes métodos propostos para o estudo de outros cenários de capacete se encaixam, como mais tamanhos de capacete ou diferentes níveis de tensão de retenção de catraca. Neste estudo, o sistema de retenção de catraca foi apertado a um nível consistente de aperto, subjetivo ao pesquisador. Um aperto mais realista poderia ser conseguido medindo forças ajuste na voluntários, similares ao capacete do fitment estudo5 do Jadischke. O sistema de retenção poderia então ser disposto sobre a cabeça e apertado para um nível exibindo as mesmas forças de ajuste. Cenários de futuro trabalhos, aptos com tamanhos diferentes de capacete ou catraca de retenção tensão serão considerados.
Apresentamos uma cama romance teste para avaliar o capacete se encaixam, retenção dinâmica e os efeitos das duas medidas biomecânicas de lesões de cabeça e pescoço. Os métodos apresentados são capazes de detectar alterações significativas no ajuste de forças, movimento relativo capacete cabeça e todas as medidas de biomecânicas contemporâneas de lesões de cabeça e pescoço. Os métodos propostos foram usados para investigar um regular e ajuste para trás, encontrando alterações significativas na cabeça velocidade angular e a quantidade de exposição de cabeça. Com estes métodos propostos, diferenças distintas no desempenho do capacete devido capacete caber podem ser reveladas.
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Disclosures
Os autores tenham sem conflitos para divulgar e não estar a ganhar financeiramente com a publicação deste trabalho.
Acknowledgments
Reconhecemos, com gratidão, financiamento das ciências naturais e Conselho de pesquisa engenharia (NSERC) do Canadá (descoberta subsídios 435921), o fundo de segurança Pashby Sport (2016: RES0028760), a Fundação de pesquisa de Banting (Discovery Award 31214), NBEC Inc. ( O Canadá) e a faculdade de engenharia e departamento de engenharia mecânica da Universidade de Alberta.
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 |
References
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