Summary
Utilizzando un antropometriche testa e del collo, vestibilità basati su fibra ottica forza trasduttori, una matrice di accelerazione della testa e collo forza/momento trasduttori, e una doppia ad alta velocità sistema di telecamere, vi presentiamo un banco di prova per lo studio di ritenzione del casco ed effetti sulla biomeccanica misure della testa e del collo ferita secondaria all'urto della testa.
Abstract
La saggezza e la lingua negli standard di test e certificazione internazionale casco suggeriscono che casco appropriato in forma e ritenzione durante un impatto sono fattori importanti per proteggere chi lo indossa casco da lesione indotta da impatto. Questo manoscritto ha lo scopo di studiare i meccanismi di lesione indotta da impatto in scenari diversi casco misura attraverso l'analisi degli impatti elmati simulati con un dispositivo di test antropometrici (ATD), matrice di trasduttori di accelerazione della testa e del collo forza / trasduttori del momento, un sistema di telecamere ad alta velocità dual e sensori di forza di calzata del casco sviluppati nel nostro gruppo di ricerca basato su reticoli di Bragg in fibra ottica. Per simulare gli effetti, un simulacro di testa instrumentata e collo flessibile cadere lungo un binario di guida lineare su un incudine. Il banco di prova permette la simulazione di urto della testa a velocità fino a 8,3 m/s, su superfici di impatto che sono sia lineare che angolare. Il simulacro è adatto con un casco e diversi scenari di forma possono essere simulati dal contesto specifico adeguamenti all'indice di posizione del casco e/o la taglia del casco. Per quantificare la ritenzione del casco, il movimento del casco sulla testa è quantificato mediante analisi post-hoc immagine. Per quantificare il collo e la testa ferita potenziale, biomeccaniche misure basate sulla forza/momento accelerazione e collo della testa sono misurate. Queste misure biomeccaniche, attraverso il confronto con le curve di tolleranza umana stabilita, possono stimare il rischio di pericolo di vita severa e/o lieve cerebrale diffusa e osteoligamentose lesioni del collo. A nostra conoscenza, il banco di prova presentato è il primo sviluppato specificamente per valutare effetti biomeccanici sulla lesione testa e del collo rispetto al casco adatta e ritenzione.
Introduction
L'evidenza epidemiologica suggerisce caschi da bicicletta forniscono protezione contro le lesioni alla testa per i ciclisti di tutte le età1. La letteratura biomeccanica presenta il tema costante che sostiene la testa elmata relativamente meno gravi lesioni testa/cervello secondarie ad un impatto, rispetto la testa (ONU-numida) non protetto2. Alcune ricerche suggeriscono che calzata del casco povero è associata con un aumentato rischio di lesione alla testa3, implicando che i caschi sono più efficaci quando si inseriscono correttamente. A seconda dei criteri utilizzati per definire la calzata del casco buono, uso non corretto del casco è stato trovato per essere alto come 64% tra i ciclisti elmata3. Nonostante l'evidenza epidemiologica suggerendo quel casco adatta è rilevante nella gravità o la probabilità di lesione alla testa in caso di urto, c'è un lavoro sperimentale minimo valutare in un ambiente di laboratorio controllato o meno in forma corretta casco o ritenzione del casco ha un effetto significativo sulle misure biomeccaniche della ferita. Uno relativo studio studia l'effetto di ridimensionamento casco moto durante gli impatti di elmata simulato con un modello agli elementi finiti di4. Un altro relativo studio studia l'effetto di ridimensionamento casco durante gli impatti sperimentale5 mentre si utilizza pellicola sensibile alla pressione per quantificare le forze fit in caschi da football. L'effetto dei sistemi di ritenzione in impatti casco moto e biciclette sono state indagate6,7, come pure uno scenario adatto all'indietro per preadolescenti6.
Il nostro lavoro propone metodi per studiare l'effetto del casco da bicicletta adatta sul rischio di lesioni con casco montare sensori di forza, simulate impatti con un antropometrica testa e collo e telecamere stereoscopiche ad alta velocità. Gli obiettivi dei nostri metodi proposti sono a misura di quantificare e valutare il rischio di lesioni in scenari di diverso impatto realistico. Contrariamente ai metodi correlati, il nostro lavoro indaga casco da bicicletta adatta, dove l'uso corretto del casco è vario. Metodi simili al precedente, testa cinematica sono determinati; Tuttavia, carico di collo e testa-casco spostamenti sono anche quantificati. Anche se l'epidemiologia delle lesioni al collo nel ciclismo suggerisce che le lesioni del collo sono rare, essi tendono ad essere associato a più gravi impatti testa e ospedalizzazione8,9. La prova è mista su o meno l'uso del casco riduce i tassi di collo lesioni8 e nessuno degli studi epidemiologici citati quantificare gli aspetti del casco in forma. Considerando il fatto che lesioni al collo nel ciclismo tende ad essere associato con gli incidenti più gravi e quel casco in forma non è stata esaminata in epidemiologia di lesioni del collo, metodi per l'esame di lesioni del collo e della testa sono preziosi nella ricerca biomeccanica. Tali metodi sperimentali potrebbero essere utilizzati in studi biomeccanici che completano gli studi epidemiologici che non in tutti i comandi di casi di gravità di impatto o casco adatta.
Nel nostro lavoro, è stato sviluppato un nuovo metodo di monitoraggio movimenti relativi tra la testa e casco durante l'impatto. La possibilità di monitorare indipendentemente dal fatto che il casco si muove sulla testa può dare informazioni preziose in casco stabilità sia l'esposizione della testa non protetta alla ferita durante l'impatto. In uno studio che studia in forma di casco, casco stabilità e l'esposizione di testa sono particolarmente preziosi nella valutazione delle prestazioni del casco. A differenza di lavoro correlati, diverso impatto e vestibilità scenari sottolineando vario casco posizionamento saranno anche testati.
Attualmente, casco corretto fit è soggettivo e non specifico definito. In generale, buon casco adatta è caratterizzato da stabilità e posizione. Il casco deve essere resistente al movimento una volta fissato sulla testa e deve essere posizionato in modo tale che non sono coperte le sopracciglia e la fronte non è eccessivamente esposto. Inoltre, circa un dito larghezza dello spazio dovrebbe inserirsi tra il mento e sottogola3. Misure di casco quantificare in forma non sono diffusi; diverso da forza, metodi possono confrontare la calzata del casco basato sul confronto fra geometria testa e casco. Uno di questi metodi è l'indice di misura di casco proposto da Ellena et al. 10. il nostro metodo proposto per quantificare la calzata del casco, sensori di forza forma, crea un mezzo oggettivo per confrontare scenari diversi casco adatta in forma di media e deviazione standard delle forze esercitate sulla testa. Questi misura forza valori rappresentano la tenuta di un casco, così come la variazione di tenuta esperti sulla testa. Questi sensori forniscono un confronto quantificato di forze che può essere fatta tra diversi scenari fit. Un casco sicuro aderente mostrerebbe una maggiore forza mentre un casco sciolto mostrerebbe forze inferiori. Questo metodo di misurazione della forza fit è simile all'indice di misura medio proposto da Jadischke5. Tuttavia, i metodi di Jadischke utilizzano pellicola sensibile alla pressione. I sensori ottici che presentiamo consentono discreto misura della forma forza intorno alla testa o casco.
Per la certificazione di caschi, un casco è fissato su un simulacro di testa strumentato, che viene quindi generato ad una certa altezza che si desidera eliminare. La testa e il casco è quindi soggetto a una goccia di caduta libera su un'incudine durante la registrazione di accelerazioni lineari. Anche se in genere non viene utilizzato in standard di settore del casco, un testa Hybrid III (della testa) e un collo assembly sono stati utilizzati in questo lavoro, con una torre di caduta guidate per simulare impatti. In contrasto con norme che in genere utilizzano cinematica lineare, la matrice di accelerometro della testa consente inoltre la determinazione della cinematica rotazionale, un parametro fondamentale nel predire la probabilità di lesioni di cervello diffusa, tra cui concussione11 . Attraverso misura di accelerazione lineare e rotazionale accelerazione e velocità, le stime della lesione alla testa severa focale e diffusa possono essere fatta confrontando cinematica per i diversi metodi di valutazione proposte basate su cinematica ferita nella letteratura 12 , 13. mentre il simulacro di testa è stato originariamente sviluppato per il automobilistico crash test, il suo uso in casco valutazione e stima del rischio di lesione alla testa elmata impatto è ben documentato2,14. Il setup di simulazione di impatto include anche una cella di carico superiore del collo, permettendo che le forze e momenti legati con lesioni al collo da misurare. Rischio di lesioni del collo quindi può essere stimata confrontando la cinetica di collo dati di valutazione di lesioni da infortunio automobilistico dati12,13.
Inoltre viene proposto un metodo di rilevamento movimento casco riguardante la testa durante l'impatto con video ad alta velocità. Attualmente, nessun metodi quantitativi esistenti per valutare la stabilità del casco durante l'impatto. Il consumatore prodotto Safety Commission (CPSC)15 Biciclette casco standard chiede una prova di stabilità posizionale, ma non è rappresentativo di un impatto. Inoltre, se o non il casco si stacca il simulacro di testa è l'unico risultato misurato dal test. Indipendentemente dall'esposizione della testa alla ferita, un casco può ancora passare finché rimane il simulacro di testa durante le prove. Il metodo proposto di tracciamento del movimento del casco è simile al casco posizione Index (HPI)15 e misura la distanza tra il bordo di un casco e la fronte. Questo spostamento di testa-casco viene rilevato utilizzando riprese video ad alta velocità in tutto un impatto al fine di ottenere una rappresentazione dell'esposizione di stabilità e testa di casco durante l'impatto. Utilizzando la trasformazione lineare diretta (DLT)16 e metodi di decomposizione di valore singolo (SVD)17 , marcatori vengono rilevati da due telecamereper determinare le posizioni dei punti nello spazio tridimensionale e quindi lo spostamento relativo tra casco e testa.
Diversi parametri di severità e vestibilità di impatto sono indagati. Gli scenari di impatto includono due velocità di impatto, due sulle superfici incudine e impatti sia primo tronco e testa prima. Oltre a una superficie di incudine piana tipica, un impatto angolato incudine è anche simulato per indurre una componente di forza tangenziale. Un torso-primo impatto, al contrario di un impatto di testa prima, è incluso per simulare uno scenario in cui spalla di un pilota urta il terreno prima della testa, allo stesso modo eseguita nel precedente lavoro18. Infine, questi scenari di quattro casco misura vengono indagati: una vestibilità regolare, una vestibilità oversize, una vestibilità in avanti e una vestibilità con le versioni precedenti. A differenza dei precedenti lavori, casco posizionamento sulla testa è un parametro indagato, così come calzata del casco e dimensionamento del casco.
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Protocol
1. casco Fit scenari accordo
in forma- definire scenari da studiare su un test antropometrici dispositivo testa e del collo (uomo, Hybrid III 50 ° percentile) con una circonferenza cranica di 575 mm.
Nota: Nella tabella 1 è riportato un esempio di quattro scenari fit con posizioni casco corrispondente alla Figura 1. Gli scenari di forma avanti e indietro sono stati basati sulle definizioni corrette di uso del casco da precedenti studi epidemiologici, che casco corretta posizione specificata come non coprire le sopracciglia o esponendo il fronte 3. - Per ogni scenario, contrassegnare ogni posizione del casco il simulacro di testa affinché lo scenario casco adatta viene costantemente ripetuto.
- Utilizzare un casco certificato CPSC, disponibile nelle taglie extra-large e universale, per tutti in forma scenari.
Nota: Secondo la guida alla scelta del produttore fornito, una dimensione universale adatta nel modo più appropriato la circonferenza della testa.- Per ciascuna forma di scenario, altri in forma parametri coerenti. In particolare, stringere il sottogola per lasciare la larghezza di circa un dito di spazio sotto il mento e serrare a mano la manopola regolabile per mantenere una vestibilità sicura.
2. Misura della forza in forma
- fit disponi cinque sensori sulla pelle della testa, posizionato sulla parte anteriore, indietro, sinistra, destra e superiore ( Figura 2).
Nota: I sensori sono una versione modificata del Bragg stridente trasduttori di forza sviluppati nell'ambito della ricerca gruppo 19 , 20 , 21 , 22, ottimizzato per misurare forze di forma in un intervallo da 0 a 50 N. I sensori modificati hanno uno spessore e diametro di 2,6 mm e 14 mm rispettivamente. - Prendere una misura di riferimento con i trasduttori il simulacro di testa ONU-elmata senza carico. Prendere questa misura di riferimento prima di ogni misurazione di forza fit.
- Posto del casco sui dati di forza della testa e misura per 3 s a una velocità di 2,5 kHz. Ripetere lo stesso scenario forma sei volte per misurazioni ripetute.
- Ripetere la stessa procedura di misurazione per tutti in forma scenari.
- Trasduttore di forza di convertire dati di spostamento lunghezza d'onda per misure di forza moltiplicando le lunghezze d'onda misurate dal trasduttore per la costante di taratura pre-determinata per una vestibilità.
3. Torre di caduta per la simulazione di impatto
- simulare l'impatto alla testa elmata linearmente guidando il simulacro di testa per colpire un impatto superficie 19 , 23. Le attrezzature necessarie per fare questo sono il contesto specifico, come descritto di seguito.
- Montare una torre di caduta per consistere di un giunto cardanico regolabile goccia, un dispositivo di test antropometrici testa e collo e una superficie di impatto variabile.
Nota: Il numero di drop assembly massa è circa 11 kg. La massa aggiunta dei conti gimbal per l'esclusione del corpo umano completo come massa efficace torso per meglio simulare un impatto realistico 24. - 9 organizzare accelerometri uni-assiale in un 3-2-2-2 configurazione all'interno del simulacro di testa per consentire lineare e accelerazioni angolari del simulacro di testa può essere determinato quando il centro di gravità 25.
- Organizzare un cancello di velocità appositamente costruito sulla Torre per misurare la velocità di impatto immediatamente prima dell'impatto impatto.
- Montare una torre di caduta per consistere di un giunto cardanico regolabile goccia, un dispositivo di test antropometrici testa e collo e una superficie di impatto variabile.
- Raccogliere dati testa di forza/momento di accelerazione e del collo utilizzando il sistema di acquisizione dati. Filtro analogici tensioni, campionate a 100 kHz per tutti i canali. Prima che il sistema di acquisizione dati, includere un filtro passa-basso anti-aliasing hardware con una frequenza di 4 kHz 26.
- Organizzare lo scenario impatto.
- Per tutti gli impatti, rimuovere la visiera del casco per consentire per una migliore visibilità durante il tracciamento del movimento. Si presuppone che l'effetto della visiera durante l'impatto sia trascurabile a causa del suo attaccamento sciolto.
- Organizzare tutte le gocce per l'impatto sulla fronte. Questo è un percorso comune di impatto nel ciclismo 27, anche se potrebbero essere simulati anche altri scenari.
- Simula sei scenari di diverso impatto variando impatto velocità, superficie d'urto e urti a capofitto o tronco-primo secondo la tabella 2.
- Sollevare il simulacro di testa all'altezza adatta, corrispondente al specificato velocità di impatto. Rilasciare il simulacro di testa da un'altezza appropriata, in genere 0,82 m e 1,83 m, per raggiungere le velocità di 4 m/s e 6 m/s, rispettivamente.
Nota: Aggiungere altezza necessari per superare le perdite per attrito. Due velocità di impatto di 4 m/s e 6 m/s possono essere scelti in base al largo precedente letteratura e standard 28. - Organizzare la superficie di impatto.
- Disponi un piatto o 45° inclinato incudine ( Figura 4). L'incudine piana simula cadute su una superficie piana, mentre l'incudine angolato simula gli effetti con un componente di velocità tangenziale.
- Coprire entrambe le superfici delle incudini a nastro abrasivo per simulare una superficie di asfalto. Regolare la posizione dell'incudine come necessario tra gli impatti per assicurare il casco a risentirne contatti solo la superficie piana dell'incudine.
- Organizzare la Torre di caduta per la testa prima o tronco-primo impatto. Simulare impatti sia a capofitto e torso-primo, con torso impatti simili a combinata caricamento configurazione impatto presentati in Smith et al. 18
- per simulare un impatto di testa prima, non regolare la Torre a caduta.
- Per simulare il torso di colpire la terra prima della testa, posizionare un blocco di legno nel percorso del gimbal goccia. Posizionare questo blocco di legno ad un'altezza tale che la testa è di circa 25 mm dall'impatto l'incudine al torso-impatto. La testa si proseguirà poi colpire l'incudine per mezzo di flessione del collo solo.
- Includono uno strato di schiuma per minimizzare le vibrazioni dalla Torre di caduta ( Figura 5).
- In contrasto con gli impatti a capofitto, regolare l'angolazione del collo in tronco-primo impatti.
Nota: Questa regolazione dell'angolo del collo permette alla testa avere un impatto sull'incudine sulla fronte dopo flessione, modo che la posizione di impatto è paragonabile al caso testa-primo impatto ( Figura 6). Oltre a fronte degli impatti, questo scenario di torso-primo certamente sarebbero pertinente anche gli impatti laterali. In caso di urto sia a capofitto e torso-primo, questo sistema di giunto cardanico permette per il movimento della testa e del collo lungo la pista dopo l'impatto.
- Innescare il sistema di acquisizione dati, telecamere ad alta velocità (Vedi sezione 4) e drop del simulacro di testa contemporaneamente. Ripetere l'impatto stesso e la configurazione di forma scenario 3 volte con nuovi caschi ogni volta.
Nota: Le telecamere ad alta velocità dovrà essere istituito in concomitanza con la Torre di caduta, dettagliata nella sezione 4. - Ciascuno dei quattro scenari fit sottoporre a ciascuno dei 6 scenari di impatto diverso. Eseguire un totale di 72 gocce dopo 3 prove di ogni configurazione.
- Post-elaborare i dati cinematici e cinetici di simulacro.
- Segnali analogici filtro per accelerazione e forza/momento successivamente utilizzando un filtro di Butterworth di ordine th 4 in post-elaborazione per soddisfare indusprova pratica suggerita 26. Filtro accelerazioni testa e collo forze secondo canale frequenza classe (CFC) 1000. Filtrare i momenti collo secondo CFC di 600.
4. Motion Capture utilizzando un sistema ad alta velocità Dual Camera
Nota: posizioni di indicatore di registrazione da due telecamere ad alta velocità consentono posizioni tridimensionale marcatore deve essere determinato con il metodo DLT 16 a post-elaborazione. Per determinare gli spostamenti testa-casco, traccia marcatori sul simulacro di testa e il casco durante l'impatto.
- Organizzare telecamere ad alta velocità intorno alla Torre di goccia.
- Disponi due telecamere ad alta velocità intorno la goccia Torre a immagini di acquisizione sincronizzata del casco e della testa di movimento durante l'impatto.
- Posto una videocamera principale al lato della Torre goccia e posto una fotocamera schiavo a circa 45° dal master ( Figura 7). Installazione di una lampada 250 W tra le telecamere per consentire l'esposizione sufficiente.
- Disponi due telecamere ad alta velocità intorno la goccia Torre a immagini di acquisizione sincronizzata del casco e della testa di movimento durante l'impatto.
- Configurare telecamere ad alta velocità.
- Equip ogni fotocamera con obiettivo macro 100mm f/2.0, a seconda del campo di vista necessaria o f/1.4 di 50 mm. Impostare le aperture sulle lenti a f/8.0.
Nota: Questa apertura consente sufficientemente nitida messa a fuoco in profondità di campo desiderata. Il campo visivo richiesto variava da 30-60 cm, a seconda dello scenario di impatto. - Configurare entrambe le fotocamere per registrare a 1280 x 800 pixel a un frame rate di 1000 fotogrammi al secondo o più veloce. Così, il tempo di esposizione massimo per ogni frame sarà 600 µs.
- Sincronizzare le due telecamere in cornici e orologio interno. Impostare un trigger in modo che entrambe le fotocamere attivano simultaneamente.
- Equip ogni fotocamera con obiettivo macro 100mm f/2.0, a seconda del campo di vista necessaria o f/1.4 di 50 mm. Impostare le aperture sulle lenti a f/8.0.
- Calibrare lo spazio prendendo un fermo immagine di un frame di calibrazione da ciascuna telecamera.
Nota: Per il metodo di trasformazione lineare diretta (DLT), lo spazio deve essere tarato inizialmente.- Spostare un cage di calibrazione con 17 punti di calibrazione noto nel campo di vista di entrambe le fotocamere e prendere una singola immagine da ciascuna telecamera. Un minimo di 11 punti comuni deve essere visibile da entrambe le fotocamere.
- Trovare le coordinate bidimensionali di ogni segno con software di monitoraggio.
Nota: Una macchina (CMM) di misura a coordinate determina le posizioni dei punti della cage di calibrazione prima taratura DLT. - Utilizzando una serie di calcoli effettuati con i marcatori di calibrazione ' coordinate (noto come DLT) 16, trasformare qualsiasi due posizioni indicatore dimensionale in tridimensionale coordinate rispetto alla gabbia di calibrazione sistema di coordinate in post-elaborazione.
- Per quantificare la cilindrata di casco, rilevare la distanza tra un punto sulla fronte della testa e la visiera del casco utilizzando il software di monitoraggio.
Nota: Perché questi punti non sono visibili da entrambe le fotocamere, traccia una serie di tre marcatori visibili su ogni forma della testa e casco invece. I punti sulla fronte e casco quindi possono essere rintracciati indirettamente. - Posto il simulacro di testa marcatori di tracciamento del movimento e prendere un fermo immagine di riferimento del simulacro di testa da ciascuna telecamera.
- Per questo metodo di rilevamento indiretto marcatore, prendere un'immagine di riferimento della testa con ogni telecamera. Garantire che questa immagine di riferimento è costituito da tre indicatori e un marcatore di riferimento definito sulla testa.
- Massimizzare la distanza tra i due segni utilizzando tre punti di riferimento pur rimanendo in entrambe le fotocamere ' campo di vista.
Nota: Massimizzare la distanza consente per una migliore precisione diminuendo indicatore indiretto inseguimento della sensibilità di rilevamento errori. I tre indicatori consentono per la ricostruzione tridimensionale del movimento in post-elaborazione, così come la stima della posizione fronte. - Tenere il marcatore di riferimento tra gli occhi sulla fronte inferiore e gli altri indicatori si sono diffuse attraverso il simulacro di testa. Assicurare che questi altri tre indicatori sono visibili da entrambe le telecamere in tutto un impatto ( Figura 8).
- Posizionare marcatori di tracciamento sul casco del movimento e scattare immagini di riferimento del casco da ogni telecamera come descritto per il riferimento della testa (vedere paragrafo 4.5).
- Accertarsi che il riferimento è costituito da utenti che almeno quattro indicatori di rilevamento di movimento. Tenere un marcatore sul fondo dall'orlo del casco come riferimento e diffondere gli altri tre indicatori sul casco. Assicurare che questi tre indicatori sono visibili da entrambe le telecamere durante un impatto. Prendere una singola immagine da ogni telecamera per il riferimento di casco ( Figura 9).
- Innescare il sistema di acquisizione dati, telecamere ad alta velocità e drop del simulacro di testa simultaneamente, come descritto nella sezione 3.
Nota: La Torre di caduta sarà necessario istituire in concomitanza con le telecamere ad alta velocità. Dopo aver preso le immagini di riferimento, devono essere eseguita una goccia.- Disponi il casco adattarlo allo scenario. Registrare la goccia. Segnale un trigger per le telecamere manualmente al momento dell'impatto. Organizzare la registrazione affinché 3 s è registrata prima il grilletto e 8 s viene registrato dopo il grilletto. Rivedere e staffa le immagini della telecamera sincronizzato per contenere l'impatto solo manualmente.
5. Testa-casco marcatore Tracking e post-elaborazione
- monitorare indicatori testa e casco durante l'impatto, utilizzando software specifici per fotocamera.
- Pista sei punti per goccia: tre sul casco e l'urto della testa ( Figura 10). Con il software, determinare le coordinate in pixel bidimensionale transitoria di ogni segno.
- Utilizzare il metodo DLT per calcolare le coordinate tridimensionali degli indicatori rilevati durante una goccia.
Nota: Con i dati di taratura da cage di calibrazione e i dati di goccia da due telecamere, il metodo DLT possibile determinare le coordinate tridimensionali degli indicatori rilevati durante una goccia. - Utilizzare il metodo SVD (decomposizione a valori singolari) 17 per calcolare le coordinate tridimensionali 3D dall'orlo della testa di fronte e casco. La differenza tra questi due punti è testa-casco cilindrata.
- Utilizzare il metodo SVD per stimare la posizione di un riferimento punto su ciascuna all'orlo della testa di fronte e casco dal marcatori cingolati.
- Utilizzare il metodo SVD per trovare la matrice di trasformazione dei tre marcatori tra il fotogramma di riferimento e ogni singolo fotogramma di una goccia. Questa trasformazione può essere applicata per trovare il fronte o il casco visiera posizioni.
- Eseguire questo rilevamento indiretto della testa sia sul casco. Lo spostamento tra la fronte e casco tesa può quindi essere monitorati ( Figura 11).
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Representative Results
Misura della forza fit
Per ciascuno scenario, misura forza misura è stata realizzata in ogni posizione del sensore (Figura 12) e un t-test, assumendo varianze, è stato effettuato per determinare il significato (p < 0.05). La deviazione standard media attraverso tutte le misurazioni era ± 0,14 forze fit N. superiore indicano una misura più stretta.
Cinematica di testa e collo dati cinetici
L'accelerazione risultante della testa lineare, accelerazione angolare della testa, testa velocità angolare, forza superiore del collo e momento superiore del collo da una goccia tipica sono mostrati (Figura 13 e Figura 17). Valori risultanti sono stati calcolati prendendo la norma assoluta dei vettori direzione x, ye z, (Figura 3). Un criterio di ferita sul collo computato dal collo forza assiale e momento13, Nij, inoltre è stato computato in tutto l'impatto (Figura 18). Dai risultati della cinematici, i vari eventi dell'impatto possono anche essere identificati. Per esempio, contatto con l'incudine gli impatti di torso-primo può essere osservato come il grande picco di accelerazione lineare risultante (Figura 13). In accelerazione angolare, due serie di picchi potrebbero essere osservati (Figura 14). Il primo picco si verifica a causa dell'impatto di busto, mentre il secondo picco si verifica come risultato il collo raggiungendo il massimo di flessione. In sequenza, gli eventi dell'impatto sono impatto torso, seguito dal contatto con l'incudine e poi il collo, raggiungendo il massimo di flessione. Questi eventi possono essere osservati anche in video ad alta velocità (Figura 6).
Testa-Casco moto relativo
Per due scenari in forma, la grandezza del vettore tra la fronte e casco tesa, che indica la relativa testa-Casco moto, è mostrata in Figura 19 . Variazione relativa di spostamento può essere un indicatore di movimento casco riguardante la sua posizione di pre-impatto.
Figura 1: casco misura scenari. (B) scenario di forma normale (c) scenario forma oversize (d) in avanti in forma scenario (e è applicabile alla casco Fit Scenario confronti il simulacro di testa mostrando (un) confronto tra vestibilità normale e posizionato in modo non corretto ) scenario fit con le versioni precedenti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Fiber Bragg stridente (FBG) cinque array di sensori il simulacro di testa con sensore situato sulla parte anteriore, indietro, sinistra, destra e superiore. Ogni sensore (in basso a sinistra) ha uno spessore e diametro di 2,6 mm e 14 mm, rispettivamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: montaggio Torre goccia con asse delle coordinate associato. collo e della testa di (un) complessiva Drop Tower Assembly con simulacro di Testa elmata (b) Instrumented cella di carico. Asse delle coordinate di collo carico cella è anche mostrato. (c) corrispondente testa coordina asse. Accelerazioni testa e collo carichi sono misurati rispetto all'asse delle coordinate mostrato, con magnitudo positivo nelle direzioni asse. Momenti sono basati sulla regola della mano destra.
Figura 4: Intercambiabili (un) piatto e (b) inclinata 45 ° incudine superfici coperte a nastro abrasivo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Capo primo (un) e configurazioni di goccia primo scenario di impatto dei (b) del tronco. Per uno scenario di torso-primo impatto, un blocco di legno viene utilizzato per interrompere l'Assemblea di goccia per simulare un impatto del torso. La visiera del casco è stato anche rimosso prima tutte le simulazioni di impatto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: sequenza di immagini in un impatto di torso-primo. In un primo impatto del torso, viene arrestato il gimbal goccia, permettendo alla testa avere un impatto sull'incudine, seguita dalla flessione del collo. Al contrario, un impatto di testa prima permette un movimento pieno lineare della goccia sospensione cardanica per la testa a contatto in primo luogo l'incudine.
Figura 7: accordo di doppia fotocamera ad alta velocità intorno a Torre in caduta. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: testa di riferimento indicatori di immagine per il motion tracking. Tre indicatori sulla testa vengono rilevati durante l'impatto, mentre un quarto marcatore definisce il punto di fronte utilizzato per calcolare spostamento testa-casco. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: indicatori di immagine di riferimento casco per il motion tracking. Tre indicatori sul casco vengono rilevati durante impagire, mentre un quarto marcatore definisce il punto di visiera casco utilizzato per calcolare spostamento testa-casco. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 10: monitorati gli indicatori durante l'impatto. Tre indicatori sono rilevati della testa sia il casco. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 11: Il vettore di spostamento di testa-casco tra fronte e casco visiera che viene rilevata durante l'impatto.
Figura 12: casco misura forze esercitate il simulacro di testa sotto diversi scenari fit. Sono indicate anche le barre di errore che rappresenta la deviazione standard. Differenze significative (p < 0.05) tra vestibilità forza scenari sono indicati (*). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 13: accelerazione lineare di testa centro di gravità (COG) risultante per un primo tronco-impatto su un incudine piatta a 6 m/s. Uno scenario di fit con le versioni precedenti (linea tratteggiata) e vestibilità regolare (linea continua) vengono confrontati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 14: risultante testa centro di gravità (COG) accelerazione angolare per un primo tronco-impatto su un incudine piatta a 6 m/s. Uno scenario di fit con le versioni precedenti (linea tratteggiata) e vestibilità regolare (linea continua) vengono confrontati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 15: la velocità angolare di testa centro di gravità (COG) risultante per un primo tronco-impatto su un incudine piatta a 6 m/s. Uno scenario di fit con le versioni precedenti (linea tratteggiata) e vestibilità regolare (linea continua) vengono confrontati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 16: forza superiore del collo risultante per un primo tronco-impatto su un incudine piatta a 6 m/s. Uno scenario di fit con le versioni precedenti (linea tratteggiata) e vestibilità regolare (linea continua) vengono confrontati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 17: momento superiore del collo risultante per un primo tronco-impatto su un incudine piatta a 6 m/s. Uno scenario di fit con le versioni precedenti (linea tratteggiata) e vestibilità regolare (linea continua) vengono confrontati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 18: Nij per un primo tronco-impatto su un incudine piatta a 6 m/s. Uno scenario di fit con le versioni precedenti (linea tratteggiata) e vestibilità regolare (linea continua) vengono confrontati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 19: transitoria testa-casco cilindrata per un primo tronco-impatto su un incudine piatta a 6 m/s. Uno scenario di fit con le versioni precedenti (linea tratteggiata) e vestibilità regolare (linea continua) vengono confrontati. La variazione relativa di cilindrata, in contrasto con spostamento assoluto, inoltre è indicata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Scenario di forma | Taglia del casco | Posizione del casco |
| Normale (Figura 1b) | Universal | Normale |
| Oversize (Figura 1C) | XL | Normale |
| Avanti (Figura 1D) | Universal | Avanti |
| Con le versioni precedenti (Figura 1e) | Universal | Con le versioni precedenti |
Tabella 1: casco Fit scenari trobadoriche. Gli scenari fit si basano sulle definizioni corrette di uso del casco da precedenti studi epidemiologici specificando casco corretta posizione3.
| Scenario di impatto | Velocità di impatto | Superficie d'urto | Testa/tronco prima |
| 1 | Bassa (4 m/s) | Piatto | Testa |
| 2 | Alto (6 m/s) | Piatto | Testa |
| 3 | Basso | Angolato | Testa |
| 4 | Alta | Angolato | Testa |
| 5 | Basso | Piatto | Torso |
| 6 | Alta | Piatto | Torso |
Tabella 2: Gli scenari di impatto deve essere simulato.
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Discussion
Qui, metodi per inquirente casco forma in testa elmata simulato gli impatti sono presentati. Casco adatta è stata quantificata con sensori di misura di forza, gli impatti sono stati simulati con un ATD della testa e del collo su una torre di caduta guidate e movimento del casco è stato registrato con video ad alta velocità. Scenari di impatto differenti sono stati simulati sotto forma diversi scenari per studiare gli effetti sulle misure biomeccaniche del casco in forma.
Il casco in forma i sensori è in grado di distinguere differenze nelle forze fit tra scenari diversi casco misura (Figura 12). Tendenze nelle forze fit tra diversi scenari fit non fortemente correlato con le prestazioni del casco. Un casco in forma con scarsa stabilità (per esempio con le versioni precedenti in forma, come mostrato nella Figura 1) è previsto per esibire significativamente minori forze di forma. Nonostante gli importi aumentati del movimento del casco (fit con le versioni precedenti, Figura 19), dietro un fit casco Mostre significativamente più bassi corrispondono forze in luogo di un solo sensore rispetto a una vestibilità regolare. Questo risultato suggerisce che la strettezza del casco sulla testa potrebbe non essere il solo determinante di fit che garantisce stabilità dinamica del casco sulla testa. In questo studio, le forze di forma sono state misurate con la testa rovesciata. Le forze potrebbero sono state misurate con la testa in una posizione, che si tradurrebbe in una maggiore forza misurata al vertice testa rispetto a quanto indicato in questo studio nel verso giusto. Tuttavia, il protocollo del confronto tra forze fit tra diversi scenari fit cerca di quantificare variazioni relative vigenti fit. Indipendentemente dal fatto che la testa sia in posizione verticale o invertito, le variazioni relative nelle forze sono le stesse.
Il banco di prova e i metodi presentati sono in grado di determinare la cinematica lineare e angolare tra cui accelerazione e velocità come pure collo forze e momenti nel corso della durata di impatto. Lesioni biomeccaniche contemporanea misure si basano sulla cinematica e tempo di percussione. Ad esempio, il criterio di lesione alla testa (HIC) integra accelerazione lineare nel tempo12, mentre il criterio di ferita di cervello (BrIC) si basa su picco velocità angolare11. Altre misure di cinematica basata lesioni comprendono il modello di accelerazione generalizzata per cervello lesioni soglia (GAMBIT)29, basato sul picco di accelerazione lineare accelerazione angolare di picco e la potenza dell'urto della testa (anca), che comprende lineare e accelerazione angolare, durata e considerazioni direzionale30. In alternativa, collo forze e momenti sono utilizzati per calcolare collo lesioni criterio Nij12. Come questo protocollo sperimentale è in grado di misurare tutti i pertinente cinematica e cinetica, è possibile calcolare le misure di lesioni biomeccaniche che sono di interesse. Potenziale rischio di lesione quindi può essere determinato sulla base della letteratura associata a ciascuna misura di lesioni. Di conseguenza, l'installazione si è rivelata in grado di rilevare alterazioni nelle misure biomeccaniche della testa e del collo ferita basato su casco adatta. Di conseguenza, il banco di prova consente di studiare la vestibilità e la ritenzione e la loro relazione a focale e diffusa lesione alla testa e lesioni al collo osteoligamentose. Ad esempio, in un torso-primo impatto su un incudine piatta a 6 m/s, una vestibilità regolare e scenario fit con le versioni precedenti sono stati confrontati. Per la vestibilità regolare scenario, accelerazioni lineari risultante di picco, picco accelerazioni angolari e cambiamento nella velocità angolari erano 158,2 g, 4647.5 rad/s2e 22.39 rad/s rispettivamente. Rispetto alla regular fit, uno scenario fit con le versioni precedenti hanno esibito valori più elevati di 177,9 g, 6246.4 rad/s2 e 45.91 rad/s, suggerendo un elevato rischio di lesione alla testa (Figura 13 e Figura 17) con valori di p t-test di 0,012, 0.070, e 0,005, rispettivamente. Perché l'integrazione di rumore in accelerazione angolare creato un offset in velocità angolare, il cambiamento nella velocità angolare è segnalato invece per questo scostamento. Per lo stesso scenario di impatto, il criterio di lesioni del collo (Nij) è stato determinato dal momento e forza del collo. Per un casco regular fit scenario, un picco Nij di 1.23 è stata determinata, mentre un casco con le versioni precedenti in forma misurata 1,28 (Figura 18) con un valore di p t-test di 0,099. Ancora una volta, un valore più alto di Nij vorrei suggerire un maggior rischio di lesioni al collo.
Le tecniche di analisi dei video ad alta velocità si è rivelata in grado di rilevare alterazioni nella conservazione e stabilità dinamica. Per lo stesso tronco-primo impatto su un incudine piatta a 6 m/s, una vestibilità regolare e scenario fit con le versioni precedenti sono stati confrontati in termini di spostamenti di casco. Lo scenario di forma regolare ha avvertito un cambiamento massimo in testa-casco cilindrata di 6,52 cm mentre lo scenario fit con le versioni precedenti hanno avvertito 12,18 cm (Figura 19) con un valore di p t-test di 0,006. Con quasi il doppio movimento di casco, queste tendenze suggeriscono che dietro un fit risultati scenario in una aumentata esposizione a testa e, forse, una maggiore esposizione alla ferita sulla fronte in un conseguente impatto dopo la prima.
Spostamento assoluto e relativo spostamento (Figura 19) trasmettere la quantità di viso e l'esposizione di fronte e testa-Casco moto relativo, rispettivamente, entrambi i quali sono importanti quando si esaminano ritenzione e stabilità dinamica. Il metodo proposto di tracciare gli spostamenti del casco rispetto la testa permette testa esposizione e casco stabilità durante l'impatto deve essere rappresentato e possa valutare la ritenzione del casco per impatti successivi. Il metodo può mostrare il movimento del casco durante un impatto, che può essere caratterizzato come spostamenti assoluti e cambiamenti nella cilindrata (Figura 19). Un casco scarsamente mantenuto esibirebbe maggiore spostamenti, mentre un casco ben mantenuto esibirebbe cilindrate minori. In questo studio, spostamento assoluto indica la quantità di esposizione del viso e variazione relativa di spostamento indica il massimo movimento relativo tra la fronte e casco tesa (Figura 19). Questo segnalato valore di spostamento è determinata dalla distanza tra due marcatori, collegati da un singolo asse. Utilizzando gli stessi metodi sperimentali, sarebbe anche possibile misurare spostamento relativo in tre direzioni di componente per caratterizzare più accuratamente fit e ritenzione. Un singolo componente è stato scelto per la semplicità, oltre a fornire un buon confronto di HPI. In altre condizioni di impatto, come gli impatti laterali, altre indicazioni di componente o rotazione di testa-casco potrebbe essere particolarmente preziosa.
Un inconveniente con i sensori attualmente proposti e la misura della forma forza è la limitata risoluzione spaziale con cui sono misurate le forze. Con una serie di 5-sensori, la distribuzione della forza attraverso l'intero casco completamente non può essere rappresentata. Perché il design di caschi per bici include spesso prese d'aria aperta, un sensore non sempre può contattare il casco e misurare forza zero come risultato. Una potenziale soluzione consiste nel posizionare i sensori di forza sul casco invece della testa. Nel protocollo presentato, i sensori di forza sono stati collocati sulla testa per mantenere la coerenza e la ripetibilità dell'esperimento. Avendo i sensori posizionati sul casco potrebbe richiedere un protocollo diverso per tipi diversi di casco. Tuttavia, le piccole dimensioni dei sensori e multiplexing capacità dei sensori Fiber Bragg stridente (FBG) permettono un maggior numero di sensori per essere plausibilmente distribuita around la testa. Sensori aggiuntivi potrebbero discernere le posizioni di alta e bassa forma forza fluttuazioni e forniscono ulteriore comprensione sulla stabilità del casco. Oltre la grandezza della forza nel rappresentare la strettezza, esso può essere prezioso per considerare l'area di contatto tra il casco e la testa. Soprattutto nel caso di caschi con prese d'aria aperta, l'area di contatto totale o la sua distribuzione può essere importante per la caratterizzazione di vestibilità. Anche se i cambiamenti nella strettezza media complessiva non erano così evidente in diversi scenari di posizionamento del casco, modifiche significative nella distribuzione delle forze potrebbero essere identificate, come si vede nella Figura 12.
Come con tutto il lavoro biomeccanico basato su ATDs, esistono limitazioni dei metodi presentati. A differenza del mondo reale impatto, parametri come la velocità di impatto, posizione di impatto sul casco e superfici di impatto sono controllati. Di conseguenza, il lavoro presentato non catturerà la variabilità di questi parametri da ciclista a ciclista e da un incidente per un incidente portando ad urto della testa.
L'Hybrid III è stato sviluppato per automotive crash test, in contrapposizione alla ricerca del casco. A differenza di un comitato operativo nazionale sulle norme per attrezzature sportive (NOCSAE) della testa31, esso non è stato progettato per l'utilizzo con un casco. Al contrario, il simulacro di testa NOCSAE è stato progettato con forma e dimensioni specifiche fondate su teste del cadavere per un giocatore di calcio adulto medio e alcuni lo considerano di più con precisione approssimativa testa antropometria. Perché la geometria della testa ha un ruolo significativo nel casco studia in forma, il simulacro di testa può avere alcune carenze per tipi diversi di casco. In particolare, il simulacro di testa ha notevoli differenze geometriche alla testa NOCSAE della base del cranio, le guance, mandibola e del mento32,33. Perché c'è il minimo contatto tra queste caratteristiche e caschi da bicicletta, differenze di forma tra il simulacro di testa e una testa reale possono avere influenza minima sull'interazione di testa-casco. Di conseguenza, sosteniamo che il simulacro di testa è un modello adeguato per l'uso in studi di confronto tra scenari di forma, come che qui presentato. Qualsiasi influenza a causa delle differenze di forma sarebbe più evidente nell'interfaccia tra il sistema a cricchetto di ritenzione e la sporgenza inferiore di protezione del cranio, particolarmente nello scenario fit con le versioni precedenti. Legate alla testa della testa, il collo è stato criticato per la sua maggiore rigidità rispetto ad un collo umano, e alcuni ipotizzano che la mancanza di rigidità realistico possa contribuire alla testa movimenti diversi da quelli di un urto della testa umana reale sofferenza34 . Questi effetti sarebbe considerevolmente più significativi gli impatti di torso-primo perché la traiettoria e la cinematica della testa sono dipendente sul collo. Per un torso-primo impatto, un collo eccessivamente rigido potrebbe attenuare il movimento della testa dopo il contatto del torso e irrealisticamente lenta velocità d'impatto di testa a testa contatto. Con limitata letteratura esistente indagando torso-primo impatto, la biofedeli delle tracce cinematiche sono difficili da convalidare con impatti reali ciclisti. Tuttavia, accelerazione angolare della testa dalle tracce torso sono scenari di carico combinato paragonabile a simili eseguiti da Smith et al. 18. come tale, va sottolineati le tendenze in accelerazione angolare e carico di collo in diversi scenari di forma, piuttosto che segnalati assoluto magnitudini. Riteniamo che il collo è un modello appropriato per lo studio presentato perché confrontiamo movimenti di cinetica e testa collo tra casi di adattarsi e, invece di commentando assoluto magnitudo testa cinematica e cinetica di collo, notiamo cambiamenti in queste misure.
Un'altra limitazione di utilizzo il simulacro di testa a studia casco adatta è la diversità della pelle vinile della testa con quella di un cuoio capelluto umano. Con pratici variazioni come capelli, olio ed umidità, una simulazione accurata di tutte queste variabili sarebbe difficile. Anche se gli sforzi nella creazione di un cuoio capelluto artificiale per ricerca del casco sono stati perseguiti35, convalide di testa casco interazione tra umano e artificiale scalpi sono stati minimi. Poiché è generalmente accettato che la pelle della testa presenta un più alto coefficente di attrito che un cuoio capelluto umano, ritenzione del casco potrebbe essere migliorata misleadingly. Con dipendenza variabile testa-casco attrito in diversi scenari di forma, potrebbe essere più o meno pronunciato anche l'effetto della pelle della testa del vinile. Per esempio, uno scenario di forma normale può mantenere un casco a causa della forma della testa, mentre una vestibilità avanti può mantenere un casco a causa del maggiore attrito di testa-casco della pelle vinile. Tuttavia, gli spostamenti di casco sono dipendenti sul cuoio capelluto della testa in questo studio. Come tali, i risultati dovrebbero essere basati sui cambiamenti e tendenze tra diversi scenari fit.
Anche se quattro scenari di forma sono stati studiati, più variabili presenti nella caratterizzazione casco adatta. Questi metodi proposti potrebbero consentire lo studio di altri scenari di casco adatta, quali ulteriori misure di casco o diversi livelli di strettezza di ritenzione di ratchet. In questo studio, il sistema di ritenzione di ratchet è stato stretto ad un livello coerenza di strettezza, soggettivo del ricercatore. Una tenuta più realistica potrebbe essere raggiunto misurando le forze fit su volontari, simili a casco montaggio Studio5 di Jadischke. Il sistema di ritenzione potrebbe quindi essere organizzato il simulacro di testa e serrato ad un livello che esibisce le stesse forze fit. Saranno considerati scenari in futuro lavori, forma con diverse taglie o ratchet ritenzione strettezza.
Vi presentiamo un letto nuovo test per la valutazione casco adatta, la conservazione dinamica e gli effetti di entrambi sulle misure biomeccaniche di lesioni del collo e della testa. I metodi presentati sono in grado di rilevare alterazioni significative nella misura forze, movimento relativo testa casco e tutte le misure biomeccaniche contemporanee di lesioni del collo e della testa. I metodi proposti sono stati utilizzati per indagare un regolare e adatta all'indietro, ricerca di cambiamenti significativi in testa velocità angolare e la quantità di esposizione testa. Con questi metodi proposti, possono essere rivelate differenze distinte prestazioni di casco a causa del casco in forma.
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Disclosures
Gli autori non hanno nessun conflitto di divulgare e non sostare guadagnare finanziariamente dalla pubblicazione di questo lavoro.
Acknowledgments
Noi riconosciamo con gratitudine finanziamenti dalle scienze naturali e ingegneria ricerca Consiglio (NSERC) del Canada (Discovery Grants 435921), il fondo di sicurezza Sport Pashby (2016: RES0028760), la Banting Research Foundation (Discovery Award 31214), (NBEC Inc. Canada) e la facoltà di ingegneria e il dipartimento di ingegneria meccanica presso l'Università di 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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