Ett Test-säng att undersöka hjälm passform och Retention och biomekaniska åtgärder av huvud- och nackskador i simulerade inverkan

Summary

Använder en antropometriska huvud och hals, optisk fiber-baserade passform tvinga givare, en matris med huvudet acceleration och hals kraft/moment givare och en dubbel hög fart kamerasystem, presenterar vi ett test-säng att studera hjälm retention och effekter på biomekaniska åtgärder för huvud och hals skador sekundärt till huvudattrapp.

Abstract

Konventionell visdom och språket i internationella hjälm provning och certifiering standarder föreslår att lämpliga hjälm passar och lagring under genomslag är viktiga faktorer för att skydda hjälm bäraren från slag uppkommen skada. Detta manuskript syftar till att undersöka inverkan-inducerad skada mekanismer i olika hjälm passar scenarier genom analys av simulerade Hjälmförsedd effekterna med ett antropometriska testobjekt (ATD), en matris med huvudattrapp acceleration givare och hals kraft / ögonblick givare, en dubbel hög hastighet kamerasystem och hjälm-fit kraftgivare utvecklats i vår forskargrupp baserat på Bragg galler i optisk fiber. För att simulera effekter, falla en instrumenterade huvudformen och flexibel hals längs en linjär styrskena på ett städ. Ett försöksområde tillåter simulering av huvudattrapp i hastigheter upp till 8,3 m/s, på inverkan ytor som är både platt och vinklade. Huvudet är passform med en hjälm och flera fit scenarier kan simuleras genom att göra sammanhang särskilda anpassningar av hjälm position index eller hjälm storlek. För att kvantifiera hjälm retention, kvantifieras förflyttning av hjälmen på huvudet med hjälp av post-hoc-bildanalys. För att kvantifiera huvud och hals skada potentiella, mäts biomekaniska åtgärder baserat på förskjutningen av huvudformens acceleration och hals kraft/moment. Dessa biomekaniska åtgärder, genom jämförelse med etablerade människors tolerans kurvor, kan uppskatta risken för svåra livshotande eller mild diffus hjärnskada och osteoligamentous hals skada. Till vår kunskap är de presenterade test-sängen den första som utvecklats särskilt för att bedöma biomekaniska effekter på huvud och hals skada i förhållande till hjälm passar och lagring.

Introduction

De flesta epidemiologiska bevis tyder på cykelhjälmar ge skydd mot huvudskador för cyklister av alla åldrar¹. Biomekaniska litteraturen presenterar den genomgående tema som hjälmförsedda huvud upprätthåller relativt mindre allvarliga huvud/hjärna skador sekundärt till påverkan, i förhållande till de oskyddade (UN-hjälmförsedda) huvudet². Viss forskning tyder på att dålig hjälm passform är associerade med en ökad risk för skada mot huvudet³, vilket innebär att hjälmar är mest effektiva när passar ordentligt. Beroende på vilka kriterier som används för att definiera bra hjälm passform, befanns Felaktiga hjälmanvändning vara så hög som 64% bland Hjälmförsedd cyklister³. Trots epidemiologiska bevis tyder på att hjälmen passar är relevant i svårighetsgrad eller sannolikheten för skada mot huvudet vid en sammanstötning, finns det minimal experimentellt arbete att bedöma i kontrollerad laboratoriemiljö huruvida rätt hjälm passar eller hjälm kvarhållande har en betydande effekt på biomekaniska åtgärder för skador. En liknande studie undersöker effekten av motorcykel hjälm dimensionering under Hjälmförsedd effekter simuleras med finita element modell⁴. Ett annat relaterat studien undersöker effekten av hjälm dimensionering under experimentella effekter⁵ medan du använder tryck känslig film för att kvantifiera fit styrkor i fotboll hjälmar. Effekten av lagring system i cykel och motorcykel hjälm effekter har varit undersökta^6,7, liksom ett bakåt fit scenario för preadolescents⁶.

Vårt arbete föreslår metoder för att studera effekten av cykelhjälm ryms på skaderisken med hjälm passar kraftgivare, simulerade effekter med en antropometriska huvud och hals och stereoskopisk höghastighets kameror. Målen för våra föreslagna metoderna är att kvantifiera passform och utvärdera risken för skador i olika realistiska effekter scenarier. Till skillnad från relaterade metoder undersöker vårt arbete cykelhjälm som passar, där korrekt hjälmanvändning är varierad. Liknar föregående metoder, huvudets kinematik bestäms; dock är hals lastning och huvud-hjälm förskjutningar också kvantifierade. Även om epidemiologi av nackskador i cykling antyder att nackskador är ovanliga, tenderar de att vara associerad med mer allvarliga huvud effekter och sjukhusvistelse^8,9. Bevisen är blandad på huruvida hjälm minskar andelen hals skada⁸ och ingen av de citerade epidemiologiska studierna kvantifierar aspekter av hjälmen som passar. Med tanke på det faktum att nackskador i cykling tenderar att vara associerad med mer allvarliga olyckor och att hjälmen passar har inte undersökts i halsen skadeepidemiologi, är metoder för att undersöka både huvud och hals skada värdefulla i biomekanisk forskning. Sådana experimentella metoder kan användas i biomekaniska studier som kompletterar epidemiologiska studier som i alla fall kontroll som påverkar svårighetsgraden eller hjälm passar inte.

I vårt arbete, har det utvecklats en ny metod för övervakning relativa rörelser mellan huvud och hjälm under inverkan. Möjlighet att övervaka huruvida hjälmen går på huvudet kan ge värdefulla insikter om både hjälm stabilitet och exponering av oskyddade huvudet till skada under påverkan. I en studie som undersökte hjälm passar, är hjälm stabilitet och huvudet exponering särskilt värdefulla i hjälm prestationsutvärdering. I motsats till relaterat arbete, olika påverkan och passform kommer scenarier betonar varierad hjälm positionering också att testas.

För närvarande är rätt hjälm passar subjektiva och nonspecifically definierade. Generellt kännetecknas bra hjälm passar av stabilitet och position. Hjälmen ska vara resistenta mot rörelse en gång säkrade på huvudet, och bör placeras så att ögonbrynen inte omfattas och pannan inte är alltför utsatt. Dessutom ska cirka ett finger bredd utrymme passa mellan hakan och hakband³. Åtgärder av kvantifiera hjälmen passar är inte utbredd; än kraft, metoder kan jämföra hjälm passform baserad på en jämförelse huvud och hjälm geometri. En sådan metod är hjälmen passar Index Ellena et al. har föreslagit ¹⁰. vår föreslagna metoden att kvantifiera hjälm passform, passar kraftgivare, skapar ett objektivt sätt att jämföra olika hjälm passar scenarier i form av medelvärde och standardavvikelse av krafter som utövas på huvudet. Dessa passar tvinga värden representerar tightnessen av hjälm, liksom variationen av täthet erfarna på huvudet. Dessa sensorer ger en kvantifierad jämförelse av krafter som kan göras mellan olika fit scenarier. En säkert åtsittande hjälm skulle visa högre krafter medan en lös hjälm skulle visa lägre krafter. Denna metod passar kraft mätmetoder är liknar den genomsnittliga passar Index föreslagit Jadischke⁵. Dock utnyttja Jadischkes metoder tryck känslig film. De optiska sensorerna presenterar vi tillåta diskret mätning av fit kraft runt huvudet eller hjälmen.

För certifiering av hjälmar säkras en hjälm på en instrumenterade huvudformen, som sedan tas upp till en viss höjd skall tas bort. Huvud och hjälm är sedan föremål för ett fritt fall fall mot ett städ medan du spelar in linjär accelerationer. Även om inte används i hjälm branschstandarder, användes en Hybrid III huvud (huvudformen) och hals montering i detta arbete, med en guidad drop torn att simulera effekter. I motsats till normer som vanligtvis använder linjär kinematik, kan huvudformen accelerometer matrisen även bestämning av roterande kinematik, en viktig parameter att förutsäga sannolikheten för diffusa hjärnskador, inklusive hjärnskakning¹¹ . Genom mätning av både linjär acceleration och roterande acceleration och hastighet, kan uppskattningar av svår fokal och diffus huvudskada göras genom att jämföra kinematik till flera föreslagna kinematik-baserade skada bedömningsmetoderna i litteraturen ^{12 , 13}. medan huvudet utvecklades ursprungligen för automotive krocktester, dess användning i hjälm bedömning och uppskattning av huvudskada risk i Hjälmförsedd effekt är väl dokumenterad^2,14. Påverkan simulering inställningen omfattar också en övre hals lastcell, så att de krafter och moment som är associerad med nackskador som skall mätas. Halsen skaderisken kan sedan beräknas genom att jämföra hals kinetik bedömning skadedata från fordonsindustrin skada data^12,13.

En metod att spåra hjälm rörelse i förhållande till huvudet under påverkan med hög hastighet video föreslås också. För närvarande finns inga kvantitativa metoder för att utvärdera hjälm stabilitet under påverkan. Consumer Product Safety Commission (CPSC)¹⁵ cykel hjälm standarden efterlyser en positionella stabilitetstest, men är inte representant för en effekt. Om hjälmen lossnar huvudet är dessutom det enda resultatet mätt med testet. Oavsett exponering av huvudet till skada, kan en hjälm fortfarande passera så länge det stannar på huvudet under tester. Den föreslagna metoden för spårning hjälm rörelse liknar hjälm Position Index (HPI)¹⁵ och mäter avståndet mellan brädden av en hjälm och pannan. Denna huvud-hjälm förskjutning spåras med höghastighetståg videofilmer hela en inverkan för att få en representation av hjälm stabilitet och huvudet exponering under påverkan. Använda direkt linjär Transform (DLT)¹⁶ och enda värde nedbrytning (SVD)¹⁷ metoder, spåras markörer från två kameroratt bestämma platser i tredimensionell rymd och sedan relativa förskjutningen mellan hjälm och huvud.

Flera effekter svårighetsgrad och passform parametrar undersöks. De inverkan scenarierna omfattar två inverkan hastigheter, två påverkar både torso-första och huvudet först inverkan och anvil ytor. Förutom en typisk platta anvil yta simuleras vinklade anvil påverkar också för att framkalla en tangentiell kraft komponent. En torso-första inverkan, i motsats till en huvudet först inverkan, ingår att simulera ett scenario där en ryttarens axel påverkar marken innan huvudet, likaså utförs i tidigare arbete¹⁸. Slutligen, dessa fyra hjälm passar scenarier undersöks: en normal passform, en oversized passform, trumfstöd framåt och en bakåt passform. Till skillnad från tidigare arbete är hjälm positionering på huvudet en undersökta parameter, och hjälm passform samt hjälm dimensionering.

Protocol

1. hjälm passar scenarier arrangemang definiera passar scenarier studeras på en antropometriska test enhet huvud och hals (Hybrid III 50: e percentilen hane) med en omkrets av 575 mm. Obs: Ett exempel på fyra fit scenarier visas i tabell 1 med hjälm positioner motsvarande figur 1. Framåt och bakåt fit scenarierna baserades på definitioner av rätt hjälmanvändning från tidigare epidemiologiska studier, som anges korrekt hjälm position som inte t?…

Representative Results

Fit kraft mätningI varje passar scenariot, passform kraft mätning utfördes på varje sensor plats (figur 12) och ett t-test, antar olika varians, utfördes för att fastställa betydelsen (p < 0,05). Den genomsnittliga standardavvikelsen över alla mätningar var ± 0,14 N. högre fit krafterna indikerar en snävare passform. Kinematisk huvud och hals kinetiska Da…

Discussion

Här, passar metoder för utredande hjälm i simulerade hjälmförsedda huvud effekterna presenteras. Hjälmen passar kvantifierades med fit kraftgivare, effekter var simuleras med en ATD huvudformen och halsen på en guidad drop torn och hjälm rörelse spårades med hög hastighet video. Olika påverkan scenarier var simuleras under olika fit scenarier för att undersöka effekterna på biomekaniska åtgärder av hjälmen som passar.

Hjälmen passar sensorerna kan särskilja skillnader i fit…

Materials

Hybrid III Headform	Humanetics/Jasti-Utama	N/A	50th Percentile ATD, for impact simulation
Hybrid III Neck	Humanetics/Jasti-Utama	N/A	50th Percentile ATD, for impact simulation
Linear Accelerometers	Measurement Specialties	64C-2000-360	for head acceleration measurement
Upper Neck Load Cell	mg Sensor	N6ALB11A	for neck load measurement
High Speed Camera	Vision Research	v611	for motion capture
Camera Lens	Carl Zeiss	N/A	50 mm f1/.4, for motion capture
Camera Lens	Carl Zeiss	N/A	100 mm f/2.0, for motion capture
Bicycle Helmet	Bell	N/A	Traverse
Data Acquisition System	National Instruments	PXI 6251	for Hybrid III signal acquisition
Head Impact Drop Tower	University of Alberta	N/A	Custom-designed, for impact simulation
Optical Interrogator	Smart Fibres Ltd.	N/A	SmartScan, for optical sensor force measurement
Fit Force Sensor	University of Alberta	N/A	Custom-designed, for measuring helmet fit forces