Summary
Utilizando una cabeza antropométrica y del cuello, ajuste basado en fibra óptica fuerza transductores, una matriz de transductores de fuerza/momento de cuello y cabeza aceleración, y un doble de alta velocidad sistema de cámara, les presentamos un banco de pruebas para el estudio de la retención del casco y efectos sobre la biomecánica medidas de lesiones de cabeza y cuello secundario a la cabeza de impacto.
Abstract
Sabiduría y el lenguaje en las normas de ensayo y certificación internacional casco indican que casco apropiado y retención durante un impacto son factores importantes para proteger al portador del casco de lesión inducida por el impacto. Este manuscrito tiene como objetivo investigar mecanismos de lesión inducida por el impacto en diferentes casco montar escenarios a través del análisis de impactos Paují simulados con un dispositivo de prueba antropométrica (ATD), una matriz de transductores de aceleración de cabeza y cuello fuerza / transductores de momento, un sistema de cámara dual de alta velocidad y sensores de fuerza ajuste de casco desarrollan en nuestro grupo de investigación basado en rejillas de Bragg en fibra óptica. Para simular impactos, una cabeza instrumentada y cuello flexible la caída a lo largo de un carril de guía linear sobre un yunque. El Banco de pruebas permite simulación de cabeza impacto a velocidades de hasta 8.3 m/s, en las superficies de impacto que son planas y angulosas. El impactador simulador de cabeza se cabe con un casco y varios escenarios de ajuste pueden ser simulados haciendo ajustes específicos de contexto el índice de la posición de casco o tamaño del casco. Para cuantificar la retención del casco, el movimiento del casco en la cabeza se cuantifica usando análisis de imagen post-hoc. Para cuantificar la cabeza y cuello lesiones potenciales, se miden biomecánicas medidas basadas en cabeza aceleración y cuello fuerza/momento. Estas medidas biomecánicas, por comparación con curvas de tolerancia humana establecida, pueden estimar el riesgo de severa potencialmente mortal o lesión cerebral difusa leve y osteoligamentous lesiones del cuello. A nuestro conocimiento, el Banco de pruebas presentado es el primero desarrollado específicamente para evaluar los efectos biomecánicos en cabeza y cuello lesiones casco ajuste y retención.
Introduction
Más evidencia epidemiológica sugiere cascos de bicicleta proporcionan protección contra lesiones en la cabeza para los ciclistas de todas las edades1. La literatura biomecánica presenta el tema coherente que el cabeza de Paují sostiene relativamente menos graves lesiones de la cabeza/cerebro secundarios al impacto, en relación con la cabeza (sin Paují) sin protección2. Algunas investigaciones sugieren que pobre casco ajuste es asociado con un mayor riesgo de lesión en la cabeza3, lo que implica que los cascos son más efectivos cuando queden bien. Dependiendo de los criterios utilizados para definir buen casco ajuste, uso incorrecto del casco fue encontrado para ser tan alto como el 64% entre los ciclistas Paují3. A pesar de la evidencia epidemiológica sugiere que el casco ajuste es relevante en la gravedad o la probabilidad de lesión en la cabeza en un impacto, hay trabajo experimental mínima evaluación en un entorno de laboratorio controlado o no casco correcto o retención del casco tiene un efecto significativo sobre las medidas biomecánicas de la lesión. Una relacionadas con el estudio investiga el efecto del tamaño del casco de motocicleta durante el Paují impactos simulados con un modelo de elementos finitos4. Otro relacionado estudio investiga el efecto del tamaño de casco durante impactos experimental5 durante el uso de película sensible presión para cuantificar las fuerzas montar en cascos de fútbol. El efecto de los sistemas de retención en impactos de casco de bicicleta y motocicleta han sido investigado6,7, así como un escenario de ajuste hacia atrás para preadolescentes6.
Nuestro trabajo propone métodos para estudiar el efecto del casco de la bicicleta caben en el riesgo de lesiones con casco montar sensores de fuerza, simular impactos con una cabeza antropométrica y cuello y cámaras estereoscópicas de alta velocidad. Los objetivos de los métodos propuestos son ajuste de cuantificar y evaluar el riesgo de lesiones en situaciones de diferente impacto realista. En contraste con los métodos relacionados, nuestro trabajo investiga casco de bicicleta, ajuste, donde el uso de casco adecuado es variada. Se determinan los métodos similares a la anterior, cabeza cinemática; sin embargo, también se cuantifican carga de cuello y cabeza-casco desplazamientos. Aunque la epidemiología de la lesión en el cuello en bicicleta sugiere que lesiones en el cuello son comunes, tienden a asociarse con los impactos más severos de cabeza y hospitalización8,9. La evidencia es mixta o no uso del casco reduce tasas de lesión de cuello8 y ninguno de los estudios epidemiológicos citados cuantificar aspectos del ajuste del casco. Teniendo en cuenta el hecho de que lesión del cuello en el ciclismo tiende a estar asociado con los accidentes más graves y que ajuste el casco no se ha examinado en epidemiología de lesiones de cuello, métodos para examinar lesiones de cabeza y cuello son útiles en la investigación biomecánica. Tales métodos experimentales podrían utilizarse en estudios biomecánicos que complementan los estudios epidemiológicos que no en todo el control de los casos de severidad de impacto o casco ajuste.
En nuestro trabajo, se ha desarrollado un nuevo método de control de movimientos relativos entre la cabeza y el casco durante el impacto. La capacidad de controlar o no el casco se mueve en la cabeza puede dar información valiosa sobre la estabilidad del casco y la exposición de la cabeza sin protección a lesiones durante el impacto. En un estudio investigando casco ajuste, estabilidad del casco y la cabeza exposición son particularmente valiosos en la evaluación del rendimiento de casco. En contraste con trabajos relacionados, diferente impacto y ajuste también serán probados escenarios destacando casco variada colocación.
En la actualidad, casco correcto ajuste es subjetivo y un definido. En general, buen casco ajuste se caracteriza por estabilidad y posición. El casco debe ser resistente al movimiento una vez fijado a la cabeza y debe colocarse de tal que no se cubren las cejas y la frente no esté demasiado expuesta. Además, debe caber aproximadamente un dedo ancho de espacio entre la barbilla y la correa de barbilla3. Medidas de cuantificación casco ajuste no son generalizadas; que no sea de fuerza, métodos pueden comparar casco ajuste basado en comparar la geometría de la cabeza y casco. Un tal método es el índice de ajuste del casco propuesto por Ellena et al. 10. el método propuesto de cuantificar el ajuste del casco, sensores de ajuste de fuerza, crea un medio objetivo de comparar diferentes casco montar escenarios en forma de media y desviación estándar de las fuerzas ejercidas en la cabeza. Estos ajuste fuerza valores representan la tirantez de un casco, así como la variación de la tensión experimentada en la cabeza. Estos sensores proporcionan una comparación cuantificada de las fuerzas que se pueden hacer entre distintos escenarios de ajuste. Un casco de seguridad ajustada mostraría mayor fuerza mientras que un casco flojo demostrar fuerzas más bajas. Este método de medición de la fuerza de ajuste es similar al índice de forma promedio propuesto por Jadischke5. Sin embargo, los métodos de Jadischke utilizan película sensible de la presión. Los sensores ópticos que presentamos permiten medición discreta de ajuste fuerza alrededor de la cabeza o casco.
Para la certificación de los cascos, se asegura un casco en una cabeza instrumentada, que entonces es levantado a una cierta altura caída. La cabeza y el casco sufre entonces una gota caída libre sobre un yunque mientras graba aceleraciones lineales. Aunque no típicamente utilizado en estándares de la industria de casco, un híbrido III (cabeza) y una Asamblea de cuello fueron utilizados en este trabajo, con una torre de caída guiada para simular impactos. En contraste con los estándares que normalmente se utilizan la cinemática lineal, la matriz de acelerómetro simulador también permite la determinación de la cinemática rotacional, un parámetro clave en la predicción de la probabilidad de lesiones de cerebro difusa, incluyendo conmoción cerebral11 . A través de la medición de aceleración lineal y aceleración rotacional y la velocidad, las estimaciones de la severa lesión en la cabeza focal y difusa pueden hacerse mediante la comparación de la cinemática a los varios métodos de evaluación de lesiones basado en la cinemática propuesta en la literatura 12 , 13. mientras que la cabeza fue desarrollado originalmente para la prueba de accidente de automóvil, su uso en casco evaluación y estimación del riesgo de lesión en la cabeza en el Paují impacto es bien documentado2,14. La configuración de simulación de impacto también incluye una célula de carga de la parte superior del cuello, permitiendo que las fuerzas y momentos asociados a lesión en el cuello para medir. Riesgo de lesión de cuello puede estimarse entonces cinética de cuello en comparación con datos de la evaluación de lesiones de lesiones automotriz datos12,13.
También se propone un método de seguimiento de movimiento de casco concerniente a la cabeza durante el impacto con video de alta velocidad. Actualmente, no hay métodos cuantitativos existen para evaluar la estabilidad del casco durante el impacto. La Comisión de seguridad de productos de consumo (CPSC)15 bicicleta casco norma pide una prueba de estabilidad posicional, pero no es representativo de un impacto. Además, si o no el casco sale de la cabeza es el único resultado medido por la prueba. Independientemente de la exposición de la cabeza a la lesión, un casco puede pasar aún mientras permanece en la cabeza durante las pruebas. El método propuesto de rastrear el movimiento del casco es similar a la posición de casco Index (HPI)15 y mide la distancia entre el borde del casco y la frente. Este desplazamiento de la cabeza-casco se realiza un seguimiento con imágenes de vídeo de alta velocidad a través de un impacto con el fin de obtener una representación de la exposición de la estabilidad y la cabeza de casco durante el impacto. Mediante la transformación lineal directa (DLT)16 y17 métodos de descomposición de valor único (SVD), los marcadores se realiza un seguimiento de dos cámaraspara determinar la ubicación del punto en el espacio tridimensional y entonces el desplazamiento relativo entre el casco y la cabeza.
Se investigan varios parámetros de ajuste y severidad de impacto. Los escenarios de impacto incluyen dos velocidades de impacto, dos que afectan a las superficies del yunque y primer torso y cabeza-primer impacto. Además de una superficie de yunque plano típico, un impacto del yunque ángulo también es simulado para inducir a un componente de la fuerza tangencial. Un torso-primer impacto, frente a un impacto cefálico, se incluye para simular un escenario en el cual hombro del jinete impacta el suelo antes de la cabeza, igualmente realizado en obra anterior18. Finalmente, se investigan estos escenarios cuatro casco ajuste: un ajuste regular, un ajuste de gran tamaño, un ajuste hacia delante y un ajuste hacia atrás. A diferencia de trabajos anteriores, colocación de casco en la cabeza es un parámetro investigado, así como ajuste de casco y tamaño de casco.
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Protocol
1. arreglo de escenarios de ajuste casco
- definir montar escenarios para ser estudiado en un examen antropométrico dispositivo cabeza y cuello (hombre del percentil del híbrido III 50) con un perímetro cefálico de 575 mm.
Nota: Se muestra un ejemplo de cuatro escenarios de ajuste en la tabla 1 con las posiciones del casco correspondiente a la figura 1. Los escenarios de ajuste hacia delanteros y hacia atrás se basaron en las definiciones de uso correcto del casco de anteriores estudios epidemiológicos, que especifica la posición de casco adecuado como cubrir las cejas ni exponer el frente 3. - Para cada escenario, cada posición del casco en la cabeza para asegurar el casco montar escenario se repite constantemente la marca.
- Usa un certificado casco, disponible en tallas extra grandes y universales, todo ajuste escenarios.
Nota: Según la guía de ajuste fabricante proporcionado, un tamaño universal encaja más apropiadamente la circunferencia de la cabeza.- Para cada ajuste escenario, otros mantenerse en forma constante los parámetros. Específicamente, apriete la correa de la barbilla para dejar ancho de aproximadamente un dedo de espacio debajo de la barbilla y apriete el dial ajustable para mantener un ajuste seguro.
2. Ajuste la medida de fuerza
- ajuste de organizar cinco sensores en la piel de la cabeza, colocado en el frente, atrás, izquierda, derecha y superior ( figura 2).
Nota: Los sensores son una versión modificada de transductores de fuerza desarrollados dentro de la investigación grupo 19 , 20 , 21 , de rejilla de Bragg 22, optimizado para medir las fuerzas de ajuste en un rango de 0 a 50 N. Los sensores modificados tienen un espesor y diámetro de 2,6 mm y 14 mm respectivamente. - Tomar una medida de referencia con los transductores en la cabeza sin Paují sin carga. Tomar esta medida de referencia antes de cada medición de la fuerza forma.
- Lugar del casco en los datos de fuerza cabeza y medida de 3 s a un ritmo de 2.5 kHz. Repita el mismo escenario cabe seis veces para mediciones repetidas.
- Repetir el mismo procedimiento de medición para escenarios de caben todos.
- Transductor convierte datos de cambio de longitud de onda para mediciones de la fuerza multiplicando las longitudes de onda medidos desde el transductor por la constante de calibración predeterminados para el ajuste de la fuerza.
3. Torre de caída para la simulación de impacto
- simular impacto a la cabeza del Paují linealmente guiando la cabeza para golpear un impacto superficial 19 , 23. El equipo necesario para hacer esto es contexto específico, tal como se detalla a continuación.
- Montar una torre de caída de un cardán de la gota ajustable, un jefe de dispositivo de prueba antropométrica y cuello y una superficie de impacto variable.
Nota: La gota total Asamblea masa es aproximadamente 11 kg. La masa agregada de las cuentas de cardán para la exclusión del cuerpo humano completo como una masa efectiva torso para mejor simular impacto realista 24. - 9 colocar acelerómetros uni-axial en un 3-2-2-2 configuración dentro de la cabeza para permitir lineales y aceleraciones angulares de la cabeza a ser determinado en el centro de gravedad 25.
- Arreglar una puerta de velocidad construido en la torre de impacto para medir la velocidad de impacto inmediatamente antes del impacto.
- Montar una torre de caída de un cardán de la gota ajustable, un jefe de dispositivo de prueba antropométrica y cuello y una superficie de impacto variable.
- Recoger cabeza aceleración cuello fuerza/momento datos y mediante el sistema de adquisición de datos. Filtro de tensiones analógicas, muestreadas en 100 kHz para todos los canales. Antes del sistema de adquisición de datos, incluyen un filtro de paso bajo de anti-aliasing de hardware con una frecuencia de 4 kHz 26.
- Organizar el escenario de impacto.
- Para todos los impactos, quitar la visera del casco para permitir una mejor visibilidad durante el seguimiento del movimiento. El efecto de la pantalla durante el impacto se asume que es insignificante debido a su accesorio suelto.
- Arreglar todas las gotas para impactar la frente. Esta es una ubicación de impacto comunes en el ciclo 27, aunque otras hipótesis también podrían ser simulados.
- Impactan de simula seis escenarios de impacto diferentes mediante la variación de velocidad, superficie de impacto y primera cabeza o torso primero impactos según la tabla 2.
- Levante la cabeza a la altura adecuada, correspondiente a especifica velocidades de impacto. Deje caer la cabeza de una altura adecuada, normalmente de 0,82 m y 1.83 m, para lograr velocidades de 4 m/s y 6 m/s, respectivamente.
Nota: Agregar la altura necesaria para vencer las pérdidas por fricción. Dos velocidades de impacto de 4 m/s y 6 m/s pueden ser elegidos en base de normas y literatura anterior 28. - Organizar la superficie de impacto.
Yunque de ángulo
- organizar un plano o a 45° ( figura 4). El yunque plano simula caídas sobre una superficie plana, mientras que el yunque ángulo simula impactos con un componente de velocidad tangencial.
- Cubierta ambos de las superficies de los yunques en cinta abrasiva para simular una superficie de asfalto. Ajustar la posición del yunque como necesario entre impactos para asegurar el casco a ser impactadas contacto sólo la superficie plana del yunque.
- Arreglar la torre de caída primera cabeza o torso-primer impacto. Simular impactos primero de cabeza y torso-primero, con torso de impactos similar a la carga la configuración de impacto presentado en Smith et al. 18
- para simular un impacto cefálico, no ajuste la torre caída.
- Para simular el torso golpeando el suelo antes de la cabeza, coloque un bloque de madera en el camino del caída de cardán. Coloque este bloque de madera a una altura tal que la cabeza es aproximadamente 25 mm con respecto a que el yunque en el torso-impacto. La cabeza continuará golpear el yunque por medio de la flexión del cuello solo.
- Incluyen una capa de espuma para minimizar vibraciones de la torre de caída ( figura 5).
- En contraste con los impactos de la cabeza primero, ajuste el ángulo del cuello en impactos de torso primero.
Nota: Este ajuste del ángulo del cuello permite la cabeza al impacto del yunque en la frente después de la flexión, para que el impacto es comparable al caso impacto cefálico ( figura 6). Además de impactos de frente, este escenario de torso primero sería relevante en impactos laterales, así. En el primero de cabeza y torso-primer impacto, este sistema cardán permite movimiento de cabeza y cuello a lo largo de la pista después del impacto.
- Activar el sistema de adquisición de datos, cámaras de alta velocidad (véase sección 4) y caída de la cabeza simultáneamente. Repita el mismo impacto y configuración de ajuste escenario 3 veces con cascos de nuevo cada vez.
Nota: Las cámaras de alta velocidad debe ajustarse simultáneamente con la torre de caída, detallada en la sección 4. - Cada uno de los cuatro escenarios de ajuste sujeto a cada uno de los 6 escenarios de impacto diferentes. Realizar un total de 72 gotas después de 3 ensayos de cada configuración.
- Post-procesar los datos cinemáticos y cinéticos de cabeza.
- Señales analógicas de filtro para la aceleración y fuerza/momento posteriormente utilizando un filtro de Butterworth de orden th 4 en post proceso a indusprueba práctica sugeridas 26. Filtro de aceleraciones de cabeza y cuello las fuerzas según el canal de frecuencia de clase (CFC) 1000. Filtrar momentos cuello según CFC 600.
4. Utilizando un sistema de Cámara Dual de alta velocidad de captura de movimiento
Nota: posiciones de marcador de grabación de dos cámaras de alta velocidad permiten posiciones de marcador tridimensional debe ser determinada con el método DLT 16 en procesamiento posterior. Para determinar los desplazamientos de cabeza-casco, pista de marcadores en la cabeza y el casco durante el impacto.
- Organizar cámaras de alta velocidad alrededor de la torre de la gota.
- Organizar dos cámaras de alta velocidad alrededor de la caída de la torre captura sincronizada imágenes del movimiento casco y cabeza durante el impacto.
- Colocar una cámara principal al lado de la torre de caída y una cámara de esclavo a aproximadamente 45° del maestro ( figura 7). Configurar un 250 W de luz entre las cámaras para permitir la suficiente exposición.
- Organizar dos cámaras de alta velocidad alrededor de la caída de la torre captura sincronizada imágenes del movimiento casco y cabeza durante el impacto.
- Configurar las cámaras de alta velocidad.
- Equip cada cámara con un f/1.4 de 50 mm o 100 mm f/2.0 macro lente, dependiendo del campo de visión necesario. Establecer las aberturas en las lentes en f/8.0.
Nota: Esta abertura permite suficientemente nítida en la profundidad de campo deseada. El campo necesario de visión entre 30-60 cm, dependiendo del escenario de impacto. - Configurar las dos cámaras para grabar a 1280 x 800 píxeles a una velocidad de 1000 cuadros por segundo o más rápido. Así, el tiempo de exposición máximo cada fotograma será 600 μs.
- Sincronizar las dos cámaras en marcos y reloj interno. Configurar un desencadenador para que ambas cámaras se activan al mismo tiempo.
- Equip cada cámara con un f/1.4 de 50 mm o 100 mm f/2.0 macro lente, dependiendo del campo de visión necesario. Establecer las aberturas en las lentes en f/8.0.
- Calibrar el espacio al tomar una imagen fija de un marco de calibración de cada cámara.
Nota: El método de transformación lineal directa (DLT), el espacio debe ser inicialmente calibrado.- Una jaula de calibración con 17 ubicaciones de punto de calibración conocidos en el campo de visión de ambas cámaras y tomar una sola imagen de cada cámara. Un mínimo de 11 puntos comunes debe ser visible desde ambas cámaras.
- Encontrar las coordenadas bidimensionales de cada marcador con tracking software.
Nota: Una máquina (CMM) de medición de coordenadas determina la ubicación del punto de la caja de calibración antes de calibración DLT. - Utilizando una serie de cálculos realizados con los marcadores de calibración ' coordenadas (conocido como DLT) 16, transformar dos localidades marcador tridimensional en coordenadas tridimensionales con respecto a la jaula de calibración sistema de coordenadas en postprocesamiento.
- Para cuantificar el desplazamiento del casco, pista para la distancia entre un punto en la frente de la cabeza y el borde del casco utilizando el software de seguimiento de.
Nota: Debido a que estos puntos no son visibles desde ambas cámaras, seguimiento de un conjunto de tres marcadores visibles en cada uno la cabeza y casco en su lugar. Los puntos en la frente y el casco luego se pueden rastrear indirectamente. - Coloque marcadores de seguimiento sobre la cabeza del movimiento y tomar una imagen fija de referencia de la cabeza de cada cámara.
- Para este método de seguimiento de marcadores indirectos, tomar una imagen de referencia de cabeza con cada cámara. Asegúrese de que esta imagen de referencia consiste de tres marcadores y un marcador de referencia definido en la cabeza.
- Maximizar la distancia entre los marcadores usando tres ubicaciones de punto de referencia al mismo tiempo en ambas cámaras ' campo de puntos de vista.
Nota: Maximiza la distancia permite mayor precisión disminuyendo marcador indirecto sensibilidad de seguimiento para rastrear errores. Los tres marcadores permiten la reconstrucción tridimensional de movimiento en el post procesamiento, así como la valoración de la situación de frente. - Mantenga el marcador de referencia entre los ojos en la frente baja y los otros marcadores distribuidos en la cabeza. Asegurarse de que estos tres marcadores son visibles desde ambas cámaras a través de un impacto ( figura 8).
- Coloque marcadores de seguimiento en el casco del movimiento y tomar aún imágenes de referencia del casco de cada cámara como se describe para la cabeza referencia (sección 4.5).
- Asegúrese de que la referencia consiste en ver al menos cuatro marcadores de seguimiento de movimiento. Mantener un marcador en la parte inferior de la visera del casco como una referencia y propagar los otros tres marcadores en el casco. Que sean estos tres marcadores visibles desde ambas cámaras a través de un impacto. Tomar una sola imagen de cada cámara para la referencia de casco ( figura 9).
- Activar el sistema de adquisición de datos, cámaras de alta velocidad y caída de la cabeza al mismo tiempo como se describe en la sección 3.
Nota: La torre de caída tendrá que configurarse simultáneamente con las cámaras de alta velocidad. Después de tomar imágenes de referencia, puede realizarse una gota.- Organizar el casco montar escenario. Registro de la caída. Señal de un disparo a las cámaras manualmente tras el impacto. Organizar el registro para que 3 s se registra antes del gatillo y 8 s se registra después el gatillo. Revisión y soporte de las imágenes de las cámaras sincronizadas para contener el impacto sólo manualmente.
5. Cabeza-casco marcador de seguimiento y post-processing
- seguimiento de marcadores de cabeza y casco en el impacto, utilizando software específico para cámara.
- Pista seis puntos por caída: tres en el casco y la cabeza ( figura 10). Con el software, determinar las coordenadas del pixel bidimensionales transitoria de cada marcador.
- Utilizar el método DLT para calcular coordenadas tridimensionales de los marcadores de seguimiento durante una caída.
Nota: Con los datos de calibración de la caja de calibración y los datos de caída de las dos cámaras, el método DLT puede determinar las coordenadas tridimensionales de los marcadores de seguimiento durante una caída. - Utiliza el método SVD (descomposición de valor singular) del 17 para el cálculo de las coordenadas tridimensionales 3D del borde de la frente y casco de cabeza. La diferencia entre estos dos puntos es el desplazamiento del casco de la cabeza.
- Uso el método SVD para estimar la localización de una referencia del punto en cada uno el impactador simulador de cabeza frente y casco de ala de los marcadores de seguimiento.
- Utilizar el método SVD para encontrar la matriz de transformación de los tres marcadores entre el marco de referencia y cada marco individual de una gota. Esta transformación puede aplicarse para encontrar el casco o frente ala lugares.
- Realizar este seguimiento indirecto sobre el casco y la cabeza. El desplazamiento entre el borde de la frente y el casco puede ser monitoreado ( figura 11).
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Representative Results
Ajuste de la fuerza de medición
Cada ajuste escenario, ajustar fuerza de medición fue realizada en cada ubicación del sensor (figura 12) y se realizó una prueba t asumiendo varianzas desiguales, para determinar la significación (p < 0.05). La desviación estándar promedio en todas las mediciones fue de ± 0,14 N. superior ajuste fuerzas indican un ajuste más apretado.
Cinemática de cabeza y cuello datos cinéticos
La aceleración lineal cabeza resultante, cabeza aceleración angular, cabeza velocidad angular, fuerza de la parte superior del cuello y momento de la parte superior del cuello de una gota típica se muestran (figura 13 a través de la figura 17). Valores resultantes se calcularon tomando la norma absoluta de los vectores de dirección de x, yy z, (figura 3). Un criterio de lesiones de cuello computado de cuello fuerza axial y momento13, Nij, se calculó también en el impacto (figura 18). De los resultados de la cinemáticos, también pueden identificarse los diferentes acontecimientos del impacto. Por ejemplo, el contacto cabeza con el yunque en el torso-primer impacto puede observarse como el gran pico de aceleración lineal resultante (figura 13). En aceleración angular, se pudieran observar dos conjuntos de picos (figura 14). El primer pico se produce como consecuencia del impacto torso mientras que el segundo pico se produce como resultado el cuello llegando a flexión máxima. En secuencia, los acontecimientos del impacto son impacto torso, seguido por el principal contacto con el yunque y luego el cuello llegando a flexión máxima. Estos eventos se observan también en video de alta velocidad (figura 6).
Movimiento relativo de la cabeza-casco
La magnitud del vector entre el borde de la frente y casco, indicando movimiento de cabeza-casco relativo, se muestra en la figura 19 para dos montar escenarios. Cambio relativo en el desplazamiento puede ser un indicador de movimiento de casco en relación con su impacto la ubicación.
Figura 1: casco montar escenarios. Casco montar escenario las comparaciones en la cabeza mostrando (a) comparación entre ajuste normal y colocada de forma incorrecta se ajusta (b) escenario normal de ajuste (c) gran tamaño escenario ajuste (d) ajuste adelante escenario (e ) escenario de ajuste hacia atrás. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: fibra Bragg (FBG) de rejilla cinco sensor de matriz en cabeza con el sensor ubicado en el frente, detrás, izquierda, derecha y superior. Cada sensor (abajo izquierda) tiene un espesor y diámetro de 2,6 mm y 14 mm, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: montaje de la torre de la gota con el eje de coordenadas asociado. cuello y (un) total montaje de la torre de la gota con cabeza Paují (b) instrumentados cabeza de célula de carga. También se muestra el eje de coordenadas de celda de carga de cuello. (c) correspondiente jefe coordinación de eje. Aceleraciones de cabeza y cuello las cargas se miden con referencia al eje de coordenadas que se muestra, con magnitudes positivas en las direcciones del eje. Momentos se basan en la regla de la mano derecha.
Figura 4: Intercambiables (un) plano y superficies de yunque (b) 45 ° ángulo cubren en cinta abrasiva. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: La cabeza primero (a) y torso primera (b) impacto escenario gota las configuraciones. Para un escenario de torso-primer impacto, un bloque de madera se utiliza para detener el conjunto de gota para simular un impacto de torso. También se quitó la visera del casco antes de todas las simulaciones de impacto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: secuencia de imágenes en un torso-primer impacto. En un primer impacto de torso, el cardán en la gota se detiene, permitiendo que la cabeza al yunque, seguido de flexión del cuello. En contraste, un impacto cefálico permite el movimiento lineal total del cardán en la caída de la cabeza en contacto con el yunque primero.
Figura 7: arreglo de doble cámara de alta velocidad alrededor de torre de caída. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: cabeza referencia marcadores de imagen para el seguimiento del movimiento. Tres marcadores en la cabeza son rastreados durante el impacto, mientras que un cuarto marcador define el punto de la frente permite calcular el desplazamiento de la cabeza-casco. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: marcadores de imagen de referencia de casco para el seguimiento del movimiento. Tres marcadores en el casco son rastreados durante impactúan mientras que un cuarto marcador define el punto de borde de casco permite calcular el desplazamiento de la cabeza-casco. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10: seguimiento marcadores durante impacto. Tres marcadores de seguimiento en la cabeza y el casco. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 11: Vector de desplazamientos de cabeza-casco entre frente y casco de ala que se hace un seguimiento a lo largo de impacto.
Figura 12: casco montar fuerzas ejercidas en cabeza bajo diferentes escenarios de forma. También se muestran barras de error que representa la desviación estándar. Diferencias significativas (p < 0.05) entre ajuste son escenarios de fuerza indicados (*). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 13: aceleración linear de la cabeza centro de gravedad (COG) resultante de un torso primero-impacto sobre un yunque plano en 6 m/s. Un ajuste regular (línea sólida) y escenario de ajuste hacia atrás (línea punteada) se comparan. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 14: aceleración de angular de cabeza centro de gravedad (COG) resultante de un torso primero-impacto sobre un yunque plano en 6 m/s. Un ajuste regular (línea sólida) y escenario de ajuste hacia atrás (línea punteada) se comparan. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 15: velocidad de angular de cabeza centro de gravedad (COG) resultante de un torso primero-impacto sobre un yunque plano en 6 m/s. Un ajuste regular (línea sólida) y escenario de ajuste hacia atrás (línea punteada) se comparan. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 16: fuerza de cuello superior resultante para un torso primero-impacto sobre un yunque plano en 6 m/s. Un ajuste regular (línea sólida) y escenario de ajuste hacia atrás (línea punteada) se comparan. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 17: momento de cuello superior resultante para un torso primero-impacto sobre un yunque plano en 6 m/s. Un ajuste regular (línea sólida) y escenario de ajuste hacia atrás (línea punteada) se comparan. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 18: Nij para un torso primero-impacto sobre un yunque plano en 6 m/s. Un ajuste regular (línea sólida) y escenario de ajuste hacia atrás (línea punteada) se comparan. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 19: desplazamiento de cabeza-casco transitoria para un torso primero-impacto sobre un yunque plano en 6 m/s. Un ajuste regular (línea sólida) y escenario de ajuste hacia atrás (línea punteada) se comparan. También se muestra el cambio relativo en desplazamiento, en contraste con desplazamiento absoluto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Escenario de ajuste | Tamaño del casco | Posición del casco |
| Normal (Figura 1b) | Universal | Normal |
| Gran tamaño (figura 1 c) | XL | Normal |
| Hacia adelante (figura 1 d) | Universal | Hacia adelante |
| Hacia atrás (Figura 1e) | Universal | Hacia atrás |
Tabla 1: casco montar escenarios a estudiar. Los escenarios de ajuste se basan en las definiciones de uso correcto del casco de anteriores estudios epidemiológicos especifica casco correcta posición3.
| Escenario de impacto | Velocidad de impacto | Superficie de impacto | Cabeza/tronco primera |
| 1 | Baja (4 m/s) | Plano | Cabeza |
| 2 | Alta (6 m/s) | Plano | Cabeza |
| 3 | Bajo | En ángulo | Cabeza |
| 4 | Alta | En ángulo | Cabeza |
| 5 | Bajo | Plano | Torso |
| 6 | Alta | Plano | Torso |
Tabla 2: Impacto escenarios a simular.
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Discussion
Aquí, métodos de investigación casco caben en cabeza Paují simulada se presentan impactos. Casco ajuste se cuantificó con sensores de fuerza forma impactos se simularon con un movimiento de cabeza y cuello en una torre de caída guiada y movimiento del casco fue registrado con video de alta velocidad. Escenarios de impacto diferentes fueron simuladas bajo diferentes escenarios aptos para investigar los efectos sobre las medidas biomecánicas de casco de montar.
El casco montar los sensores son capaces de distinguir diferencias en las fuerzas de ajuste diferentes casco montar escenarios (figura 12). Tendencias en forma fuerzas entre diferentes escenarios de ajuste no se correlacionan fuertemente con el rendimiento del casco. Un casco de ajuste con pobre estabilidad (por ejemplo, al revés el ajuste, como se muestra en la figura 1) se espera que exhiben fuerzas de ajuste menores. A pesar de mayores cantidades de movimiento de casco (fit al revés, figura 19), un posterior ajuste casco exhibe menor ajuste fuerzas en lugar de un único sensor en comparación con un ajuste regular. Este resultado sugiere que la tirantez del casco en la cabeza no puede ser el determinante único de ajuste que garantiza la estabilidad del casco en la cabeza. En este estudio, se midieron las fuerzas de ajuste con la cabeza invertida. Las fuerzas podrían también se han medido a la cabeza en el lado derecho hacia arriba, que daría lugar a mayor fuerza de medida en la cima de la cabeza de reportados en este estudio. Sin embargo, el protocolo de comparación fuerzas ajuste entre escenarios de ajuste pretende cuantificar cambios relativos en fuerza de ajuste. Independientemente de si la cabeza es vertical o invertido, los cambios relativos en las fuerzas son las mismas.
La cama de prueba y los métodos presentados son capaces de determinar la cinemática lineal y angular como la aceleración y velocidad, así como cuello de fuerzas y momentos sobre la duración del impacto. Medidas de lesiones biomecánicas contemporáneas se basan en cinemática y tiempo de la duración del impacto. Por ejemplo, el criterio de lesión en la cabeza (HIC) integra aceleración lineal en tiempo12, mientras que el criterio de lesión del cerebro (BrIC) se basa en pico velocidad angular11. Otras medidas de daños basados en cinemática incluyen el modelo de aceleración generalizada de cerebro lesión umbral (gambito)29, basado en la aceleración lineal máxima y aceleración angular de pico y la potencia de impacto principal (cadera), que incluye lineal y aceleración angular, duración y consideraciones direccional30. Por otra parte, cuello fuerzas y momentos se utilizan para calcular el cuello lesiones criterio Nij12. Como este protocolo experimental es capaz de medir todos los pertinente cinemática y cinética, es posible calcular las medidas de lesiones biomecánicas que son de interés. Riesgo potencial de lesión puede determinarse entonces basado en la literatura asociada a cada medida de la lesión. Como resultado, la configuración demostró ser capaz de detectar alteraciones en las medidas biomecánicas de cabeza y cuello lesiones basado en casco ajuste. Por lo tanto, el Banco de pruebas puede utilizarse para estudiar el ajuste y retención y su relación con la lesión focal y difusa en la cabeza y lesiones de cuello de osteoligamentous. Por ejemplo, en un torso-primer impacto sobre un yunque plano a 6 m/s, se compararon un ajuste regular y escenario de ajuste hacia atrás. Para el ajuste regular escenario, aceleraciones lineal resultante de pico, pico angular aceleraciones y cambio de velocidades angulares eran 158,2 g, 4647.5 rad/s2y 22.39 rad/s respectivamente. Comparado con el ajuste regular, un escenario de ajuste hacia atrás exhibieron los valores más altos de 177,9 g, 6246.4 rad/s2 y 45.91 rad/s, lo que sugiere un mayor riesgo de lesión en la cabeza (figura 13 a través de la figura 17) con t-test p-valores de 0.012, 0.070, y 0.005, respectivamente. Porque la integración del ruido en aceleración angular crea un desplazamiento en velocidad angular, el cambio en la velocidad angular se divulga en su lugar para tener en cuenta este desplazamiento. El mismo escenario de impacto, el criterio de lesión de cuello (Nij) se determinó de momento y fuerza de cuello. Un casco regular fit fue determinado escenario, un pico Nij de 1.23, mientras que un casco posterior ajuste mide 1.28 (figura 18) con t-test p-valor de 0,099. Una vez más, un mayor valor de Nij sugieren un mayor riesgo de lesión en el cuello.
Las técnicas de análisis de vídeo de alta velocidad demostró ser capaces de detectar alteraciones en la retención y estabilidad dinámica. Para el mismo impacto torso primero sobre un yunque plano a 6 m/s, un ajuste regular y escenario de ajuste hacia atrás se compararon en términos de desplazamientos de casco. El escenario de forma regular experimentó un cambio máximo en el desplazamiento de la cabeza-casco de 6,52 cm mientras que el escenario de ajuste hacia atrás experimentó 12,18 cm (figura 19) con un t-test p-valor de 0.006. Con casi dos veces ḿas movimiento casco, estas tendencias sugieren que un posterior ajuste resultados escenario mayor exposición principal y, quizás, una mayor exposición a lesiones de frente en un choque posterior tras la primera.
Desplazamiento absoluto y el desplazamiento relativo (figura 19) transmiten la cantidad de facial y exposición de frente y movimiento relativo de la cabeza-casco, respectivamente, los cuales son importantes al examinar la retención y estabilidad dinámica. El método propuesto de desplazamientos del casco con respecto a la cabeza de seguimiento permite estabilidad exposición y casco de cabeza durante el impacto para ser representado y puede evaluar retención de casco por impactos posteriores. El método puede mostrar movimiento de casco durante un impacto, que puede ser caracterizado como absolutas desplazamientos y cambios en el desplazamiento (figura 19). Un casco mal conservado exhibiría más desplazamientos, mientras que un casco bien conservado exhibe desplazamientos menores. En este estudio, dislocación absoluta indica la cantidad de exposición facial y cambio relativo desplazamiento indica el máximo movimiento relativo entre el borde de las cejas y el casco (figura 19). Esto informó valor de desplazamiento depende de la distancia entre dos marcadores, conectados por un solo eje. Utilizando los mismos métodos experimentales, también sería posible medir el desplazamiento relativo en tres direcciones de componente más bien caracterizar ajuste y retención. Un solo componente fue elegido por razones de simplicidad, además de proporcionar una buena comparación a HPI. En otras condiciones de impacto, como efectos secundarios, más componente direcciones o rotación de la cabeza-casco podría ser particularmente valioso.
Un inconveniente con los sensores actualmente propuestos y medición de la fuerza de ajuste es la limitada resolución espacial con la cual se miden las fuerzas. Con un 5-sensor de matriz, la distribución de la fuerza en todo el casco entero puede no ser totalmente representada. Porque el diseño de cascos de bicicleta a menudo incluye ventilación abierta, un sensor puede no siempre en contacto con el casco y medir cero fuerza como resultado. Una posible solución es colocar los sensores de fuerza en el casco en vez de la cabeza. En el protocolo presentado, los sensores se colocaron en la cabeza para mantener la consistencia y repetibilidad del experimento. Tener sensores colocados en el casco podría requerir un protocolo diferente para diferentes tipos de casco. Sin embargo, el pequeño tamaño de los sensores y capacidad de multiplexación de sensores de fibra de rejilla de Bragg (FBG) permiten un mayor número de sensores para ser viable distribuida aroy la cabeza. Sensores adicionales podrían discernir las localidades de alta y baja forma las fluctuaciones de la fuerza y proporcionan la penetración adicional en la estabilidad del casco. Además de la magnitud de la fuerza en la representación de tirantez, también puede ser valiosa para considerar el área de contacto entre el casco y la cabeza. Especialmente en el caso de cascos con orificios de ventilación abiertas, el área de contacto total o su distribución puede ser importante para la caracterización de ajuste. Aunque cambios en promedio tirantez no eran tan evidentes en diferentes escenarios de posicionamiento de casco, cambios significativos en la distribución de fuerzas podrían identificarse, como se ve en la figura 12.
Como con todo trabajo biomecánico basado en MAT, hay limitaciones en los métodos presentados. A diferencia de los impactos del mundo real, se controlan parámetros como la velocidad de impacto, ubicación de impacto en el casco y las superficies de impacto. Por lo tanto, el trabajo presentado no capturará la variabilidad de estos parámetros de ciclista a ciclista y de incidentes para incidente hacia la cabeza de impacto.
El III híbrido fue desarrollado por accidente automotriz prueba, en contraposición a la investigación de casco. A diferencia de un funcionamiento Comité Nacional normas para equipo deportivo (NOCSAE) cabeza31, no fue diseñado para uso con casco. En cambio, la cabeza NOCSAE fue diseñado con especificaciones de tamaño y forma basadas sobre cabezas de cadáver para un jugador de fútbol adulto promedio y algunos consideran a la antropometría de cabeza con precisión aproximada más. Porque la geometría de la cabeza tiene un papel importante en estudio casco de montar, la cabeza puede tener ciertas limitaciones para diferentes tipos de casco. En particular, la cabeza tiene notables diferencias geométricas a la cabeza NOCSAE en la base del cráneo, las mejillas, la mandíbula y el mentón de32,33. Porque hay mínimo contacto entre estas características y cascos de bicicleta, diferencias de forma entre la cabeza y una cabeza real pueden tener mínima influencia en la interacción del casco de la cabeza. Por lo tanto, sostenemos que la cabeza es un modelo apropiado para utilizar en estudios comparativos entre escenarios de ajuste, como el que presentamos. Ninguna influencia debido a las diferencias de forma sería más evidente en la interfaz entre el sistema de trinquete de retención y el reborde inferior de la tapa del cráneo, particularmente en el escenario de ajuste hacia atrás. Relacionadas con la cabeza de la cabeza, el cuello ha sido criticado por su mayor rigidez en comparación con un cuello humano, y algunos la hipótesis de que la falta de rigidez realista puede contribuir a cabeza movimientos diferentes a los de un sufrimiento humano verdadero impacto principal34 . Estos efectos serían considerablemente más significativos en los impactos de primer torso debido a la trayectoria y la cinemática de la cabeza son dependientes en el cuello. Para un torso-primer impacto, un cuello excesivamente rígido podría atenuar el movimiento de la cabeza después del contacto de torso y poco realista lenta velocidad de impacto de la cabeza en contacto cabeza. Con la limitada literatura existente investigando impactos torso-primero, la biofidelity de los rastros de la cinemáticos son difíciles de validar con impactos reales ciclistas. Sin embargo, cabeza aceleración angular de los rastros del torso son escenarios de carga combinado comparable a similares realizados por Smith et al. 18. como tal, las tendencias en aceleración angular y cuello carga en diferentes escenarios de ajuste hay que subrayar, en lugar de magnitudes divulgados de absoluto. Creemos que el cuello es un modelo apropiado para el estudio presentado porque comparamos movimientos cinética y cabeza cuello entre casos de ajuste y, en vez de comentar en absoluto magnitudes de cabeza cinemática y cinética de cuello, observamos cambios en estas medidas.
Otra limitación del uso de la cabeza en estudio casco ajuste es la desemejanza de la piel de vinilo de cabeza con la de un cuero cabelludo humano. Con variaciones prácticas tales como pelo, aceite y humedad, una simulación exacta de todas estas variables sería difícil. Aunque los esfuerzos en la creación de un cuero cabelludo artificial para la investigación del casco han sido perseguidos35, validaciones de cabeza casco interacción entre humanos y artificial cuero cabelludo ha sido mínima. Puesto que está generalmente aceptado que la piel de la cabeza exhibe un coeficiente de fricción más alto que un cuero cabelludo humano, retención del casco podría mejorarse engañosamente. Con dependencia de variable en la fricción del casco de cabeza en diferentes escenarios de ajuste, el efecto de la piel de vinilo de cabeza también se podría pronunciado más o menos. Por ejemplo, un escenario de ajuste normal puede retener un casco debido a la forma de la cabeza, mientras que un ajuste hacia adelante puede retener un casco debido a la creciente fricción de cabeza-casco de la piel de vinilo. Sin embargo, los desplazamientos del casco son dependientes en el cuero cabelludo de la cabeza en este estudio. Como tal, los resultados deben basarse en cambios y tendencias entre diferentes escenarios de ajuste.
Aunque se investigaron cuatro escenarios de ajuste, más variables existen en la caracterización de casco de montar. Podrían permitir que estos métodos propuestos para el estudio de otros escenarios de ajuste del casco, como más tallas de casco o diferentes niveles de tensión de retención de trinquete. En este estudio, el sistema de retención de trinquete se intensificó a un nivel constante de tirantez, subjetivo al investigador. Una tirantez más realista podría lograrse mediante la medición de las fuerzas de ajuste en voluntarios, similares al casco mobiliario de estudio5 de Jadischke. El sistema de retención podría dispuesto en la cabeza y ajustado a un nivel exhibiendo las mismas fuerzas de ajuste. Se considerará en el futuro trabajos, montar escenarios con casco diferentes tamaños o trinquete retención tirantez.
Presentamos una cama nueva prueba para la evaluación de casco ajuste, retención dinámica y los efectos de ambos sobre las medidas biomecánicas de lesiones de cabeza y cuello. Los métodos presentados son capaces de detectar alteraciones significativas en las fuerzas de ajuste, movimiento relativo casco cabeza y todas las medidas biomecánicas contemporáneas de lesiones de cabeza y cuello. Se utilizaron los métodos propuestos para investigar a un habitual y el ajuste hacia atrás, encontrando cambios significativos en la cabeza de velocidad angular y la cantidad de exposición principal. Con estos métodos propuestos, distintas diferencias en rendimiento de casco por casco de montar pueden ser reveladas.
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Disclosures
Los autores no tienen de revelar los conflictos y no están parados ganar financieramente de la publicación de este trabajo.
Acknowledgments
Agradecemos la financiación de las ciencias naturales y Consejo de investigación Ingeniería (NSERC) de Canadá (descubrimiento subvenciones 435921), el fondo de seguridad Pashby deporte (2016: RES0028760), la Fundación de investigación de Banting (Premio descubrimiento 31214), () examinadores Inc. Canadá) y la Facultad de ingeniería y Departamento de ingeniería mecánica de la Universidad 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 |
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