Модифицированные тесты падения башни Impact для американского футбола касок

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Rush, G. A., Prabhu, R., Rush III, G. A., Williams, L. N., Horstemeyer, M. F. Modified Drop Tower Impact Tests for American Football Helmets. J. Vis. Exp. (120), e53929, doi:10.3791/53929 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

мотивация
Основная цель этого модифицированного капельного метода испытаний башни более тесно представлять на поле воздействия американской системы футбольный шлем и способствовать расширению стандартов безопасности. Повлекло за собой метод испытаний может обеспечить знание шлемов систематического реагирования, необходимые для эффективного развития усиленную головной убор для предотвращения сотрясения. Возникновение сотрясений упорно страдает контактных видов спорта, таких как американский футбол. Только в Соединенных Штатах, сотрясения спортивные связанных, по оценкам, происходит от 1,6 до 3,8 миллиона раз каждый год. 1 Футболист может иметь более 1500 головы воздействий каждый сезон. 2, 3 В то время как величина большинства воздействий может быть суб-Шокирующий, накопление этих воздействий может привести к долгосрочному повреждению головного мозга из - за воздействия вызванной нейродегенеративного заболевания , известного как хронической травматической энцефалопатии (КТР). 4КТР связано с накоплением тау-белка в головном мозге, что приводит к потере памяти, поведения и изменения личности, синдром Паркинсона, а также речи и походки аномалий, которые иногда приводит к самоубийству. 5 Футбольные шлемы сделали несколько технологических достижений за последние 15 лет, но даже сегодня самые современные шлемы полностью не смягчать все падающих сил на шлеме и , следовательно, спортсмены до сих пор несут сотрясения. Исследование , проведенное Барч и соавт. 6 показал , что во многих случаях руководитель дозы воздействия и черепно - мозговой травмой риски , в то время как в темных старинных Leatherhead шлемы были сопоставимы с теми носить широко используются 21 - го века шлемы, иллюстрирующие необходимость улучшения разработки и тестирования стандартов футбольных шлемов. В частности, сертификация NOCSAE 7 не требует большой шлем , чтобы быть включенным в испытании на падение шлема. Добавленная жесткость от тон большой шлем подключен к шлему бы кардинально изменить общую механическую реакцию. Настоящее исследование предполагает метод для обеспечения более надежных стандартов безопасности шлем, который будет служить в качестве движущей силы для содействия более безопасной конструкции шлема.

Задний план
Травмы головы Метрики
Точные биологические механизмы, связанные с сотрясениями остаются неопознанными. Хотя многое было сделано в попытке дать количественную оценку допусков травмы головы различными показателями травматизма, разногласие возникло в биомедицинской сообщества в отношении этих критериев. Эти механизмы травмы должны относиться к нескольким лицам: линейное ускорение, ускорение вращения, длительности воздействия и импульса. 8, 9, 10, 11 несколько критериев Травмы были использованы для определения контузию в качестве меры линейного ускорения. Wayne State Толерантность Кривая (WSTC) 12, 13, 14 был разработан , чтобы предсказать перелом черепа для автомобильных аварий при лобовом ударе, определив границу порога кривой для линейного ускорения по сравнению с продолжительностью воздействия. WSTC служил в качестве основы для других критериев травм , таких как индекс тяжести (SI) 11 и Травмы головы Критерий (HIC), 15 , которые являются двумя наиболее часто используемых критериев. SI и HIC как мера воздействия степени тяжести на основе взвешенных интегралов линейных профилей ускорения времени. В то время как эти критерии определяют пороговые значения для линейного ускорения, другие критерии были предложены для учета ускорения вращения, такие как индекс удар головы мощности. 8, 10, 16 Сегодняшние стандарты тестирования шлема часто используют критерий травмы , основанный на Wayne State Чтобыlerance кривая (а именно МКХ или SI), или критерий пиковое ускорение или, в некоторых случаях обоих. В то время как некоторые изменения необходимы, чтобы добавить угловое ускорение к стандартным критериям эффективности, линейные критерии ускорения на основе остаются доминирующими.

В этом исследовании, метрики, используемые для оценки относительной безопасности, что каждый шлем при условии, были вершиной результирующие значения ускорений, SI и СВД. Из этих показателей только SI используется для оценки в текущем Национального рабочего комитета по стандартам для стандартов Спортивное оборудование (NOCSAE) Футбольный шлем. СИ основан на следующем уравнении,

Уравнение 1 (1)

где А поступательное ускорение центра тяжести (CG) головки, а Т длительность разгона. 11, 17 SI рассчитывали по то стандартах NOCSAE 18, где расчет ограничен 4 G порога по результирующей кривой ускорения. Значения СВД рассчитывали по следующему уравнению,

Уравнение 1 (2)

где а поступательное ускорение CG головы и т 1 и т 2 представляют собой начальное и конечное время, соответственно, интервала , при котором HIC достигает максимального значения. Все значения КТГ рассчитаны в данном исследовании , были МКХ 36, где продолжительность интервала времени ограничена 36 мс.

NOCSAE Футбол Стандарты испытаний шлем
NOCSAE Обзор
В 1969 NOCSAE была сформирована для разработки стандартов производительности для американского футбола шлемов / faceguards и другое спортивное оборудование с целью снижения спортивных травм. 17 Стандарты футбол шлем NOCSAE были разработаны доктором Фойгта Ходжсон 9 Wayne State University , чтобы уменьшить травмы головы путем установления требований к ослаблению воздействия и структурной целостности для футбольных шлемов / faceguards. Эти стандарты включают в себя футбольный шлем тест сертификации и ежегодные процедуры ресертификации для шлемов. В 2015 году NOCSAE реализована программа обеспечения качества, требующую использования конкретного Американского национального института стандартов (ANSI) аккредитованного органа по сертификации шлема.

Метод испытания NOCSAE
NOCSAE Футбольный шлем Стандарт не включает в себя тестирование шлемов с faceguards, поскольку это требует их удаления перед проводятся шлем капель. Стандарты 17 испытаний NOCSAE шлем используют двухпроводной падение дробилку , которая опирается на силу тяжести , чтобы ускорить муляжа комбинацию шлем требуемых скоростей удара. NOCSAE модель головы инструментальными шIth трехосные акселерометры в центре тяжести. Сочетание муляж головы и шлем затем упал на определенных скоростях на стальную наковальню, покрытый толстым эбонитовое Модульный Эластомер Программист (MEP) площадку 12,7 мм. При ударе, мгновенное ускорение записывается и значения SI вычисляются. Эти значения СИ сравнивают с годен / не годен критерий по множеству необходимых местах воздействия и скоростей и температур, в том числе окружающей среды и высоких температур воздействия. Если полученное значение SI для любого удара нарушает порог, то шлем не будет проходить тест.

Отдельный стандартный метод испытаний используется для сертификации футбол большой шлем. Стандарт NOCSAE футбол Большой шлем включает в себя анализ структурной целостности, а также оценку влияния характеристик затухания, большой шлем и подбородочный ремень их системы крепления. Каждое измерение воздействия должно быть ниже 1200 SI, чтобы пройти тест, без контакта лица и без меняническое отказ любого компонента, как это определено стандартом NOCSAE. 19

Существует предлагаемый дополнительный тест NOCSAE (линейный Ударный (LI)) 20 , который включает в себя шлем с Большой шлем, но он не подходит для сертификации футбольный шлем , потому что он не может признать влияние короны. LI использует пневматическую барана, чтобы воздействовать на шлем, расположенный на NOCSAE муляжа оснащен гибридной III фиктивной шеи, установленной на линейном столе подшипника для того, чтобы вызвать угловое ускорение. По этой причине тест LI является дополнительным испытанием на текущий двухпроводной NOCSAE процедуры испытания падение и не является заменой. 20, 21 Вместо испытаний LI, мы предлагаем просто добавить еще два сценария к текущей процедуре испытаний падение двухпроводной.

Стандартный метод испытаний NOCSAE для сертификации футбольных шлемов в настоящее время включает в себя шесть предписанного удара Locaных и одно случайное расположение воздействия. Места, предписанные воздействия включают в себя следующее: Front (F), Front Boss (FB), Side (S), задний (R), сзади Boss (RB) и Top (T). Испытание расположение случайное воздействие может выбрать регион из любой точки в пределах определенной приемлемой зоне воздействия шлема. Места воздействия для наших модифицированных испытаний башни NOCSAE падение включать в себя замену ранее определенные места воздействия Передняя и Front Boss с тем, что был назван в качестве Front Top (FT) и местах воздействия Front Top Boss (ПТБ). Наши места удара спереди сверху и спереди Top Boss идентичны местах воздействия и правого фронтальных Boss стандарта NOCSAE для Лакросс касок, которые также включают большой шлем для испытаний на падение. 22 Места удара шлем оболочки, в том числе замененных местах передние и передний Boss, изображены на рисунке 1. Кроме того, модифицированный шлем метод испытания нашего настоящего исследования включает в себя два Impac Большой шлемт мест, которые были названы FG фронт и FG донизу. Два места влияет на большой шлем идентичны требуемых местах воздействия для текущих процедур сертификации NOCSAE Большой шлем. Места восемь последствий для модифицированных ударных испытаний NOCSAE настоящего исследования показаны на рисунке 2.

Рисунок 1
Рисунок 1: Приблизительное место удара для футбольных шлемов. Шесть в настоящее время требуется места NOCSAE падение тест шлема воздействия, передние (F), Front Boss (FB), боковые (S), верхняя (T), задний (R), и задний Boss (РБ), а также два места воздействия намечаемой , Front Top (FT) и Front Top Boss (ПТБ). Примечание: стандартный метод испытаний NOCSAE для защитных касок не включает в себя переднюю верхнюю и места удара спереди Top Boss (показано красным цветом) и для этого исследования, они заменяют места удара Передние и Front Boss. (Изображение изменен из NOCSAE DOC. 001-13m15b)

фигура 2
Рисунок 2: Modified NOCSAE испытательной установки падение , показывая восемь мест воздействия. Front Top, Front Top Boss, Сиде, Большой шлем (FG) спереди, сзади, сзади Boss, верхнее и нижнее Большой шлем (FB). Примечание: стандарт NOCSAE не включает вложения и большой шлем здесь спереди сверху и спереди Top Boss заменить стандартные места удара Передние и Front Boss. (Изображение изменен из NOCSAE DOC. 002-11m12) Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Шлем конструкции прогрессивно изменились за последнее десятилетие, в то время как стандарты футбол шлем NOCSAE никогда не включали в себя большой шлем с чELMET в оценке технических характеристик производительности футбол шлем. Хотя, в последнее время поправка была сделана включать годен / не годен значение 300 SI для низких скоростей воздействий (3,46 м / с), общий зачет / незачет лимит 1200 SI не изменился с 1997 года 17 До 1997 года , NOCSAE использовал 1500 SI Pass / Fail критерия. Ходжсон и др. (1970) показал, что значения СИ из более чем 1000 представляет опасность для жизни, в то время как значения SI 540 произвели линейные переломы черепа в не шлемах трупной испытаний на удар. 23 Большинство современных футбольных шлемов показали пройти значительно ниже предела 1200 SI , но не все ниже 540 SI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Примечание: Протокол для представленного метода испытаний относится к следующим документам NOCSAE (доступно по адресу http://nocsae.org/): NOCSAE DOC.002-13m13: "Стандартные спецификации ИСПОЛНЕНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВНОВЬ ШЛЕМОВ ФУТБОЛЬНЫХ" 18. NOCSAE DOC.011-13m14d: "ПРОИЗВОДИТЕЛИ ПРОЦЕДУРНАЯ РУКОВОДСТВО ДЛЯ ОБРАЗЦА Продуктовые ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА NOCSAE СТАНДАРТОВ" 24. NOCSAE DOC.087-12m14: "Нормативный метод IMPACT испытаниям и эксплуатационным характеристикам ТРЕБОВАНИЕ ДЛЯ ФУТБОЛА FACEGUARDS" 25. NOCSAE DOC.100-96m14: "Поиск и устранение неисправностей РУКОВОДСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ОБОРУДОВАНИЯ И IMPACT ИСПЫТАНИЙ" 26. NOCSAE DOC.101-00m14a: «Оборудование процедуры калибровки" 27

Установка 1. Тест

  1. Построить двухсеточных узел падения каретки NOCSAE, как это определено в разделе 15.1 NOCSAE DOC. 001, 18 , как показано на рисунке 5. Подтвердите этовсе компоненты сборки надежно закреплены.
  2. Присоединить размер "большой" NOCSAE муляж головы на сборку каретки, совместив падение муляжа головы воротник с желаемой позиции на муляж головы вращающей регулятора и путем затягивания муляжа головы с резьбой стопорное кольцо.
    Примечание: Если модель головы новыми или отремонтированными, обратитесь к разделу 5 NOCSAE DOC. 100. 26
  3. Надежно закрепите трехосный акселерометр акселерометром пластины, расположенной в центре тяжести муляжа. Поместите акселерометра в центре акселерометра футеровки из толстолистовой вверх оба отверстия в акселерометра с отверстиями в акселерометра пластине. Используя головку для отвертки Аллен вставить оба винта и затяните их в направлении по часовой стрелке до тех пор, пока акселерометр надежно закреплен на акселерометра пластине.
  4. Настройка системы сбора данных в соответствии со спецификациями изготовителя. 28
    1. Конект кабели для сборки сбора данных.
      1. Подключите кабель к акселерометр трехканального коаксиального разветвителя, а затем подключите коаксиальный кабель к каждому выходу коаксиального разветвителя.
      2. Подсоедините свободный конец каждого коаксиального кабеля от трехходового коаксиального разветвителя к входному порту датчика для каналов 1, 2 и 3, расположенный на задней стороне модуля усилителя.
      3. Подключите коаксиальный кабель от выходных портов модуля усилителя (каналы 1, 2 и 3) к входным соединениям на передней панели системы сбора данных (каналы 1, 2, и 3, соответственно).
      4. Подключите разделенный конец кабеля RS-232 к заднему разъему системы сбора данных.
      5. Подключите кабель Оставшийся RS-232 COM Порт 1 персонального компьютера (ПК).
    2. Включите персональный компьютер (ПК) и входа в систему.
    3. Загрузите и установите программное обеспечение системы сбора данных на компьютер.
    4. Мощность на узле сбора данных:Вставьте в каждой торговой точке компоненты 120 вольт в источник питания, затем переведите переключатель усилителя переключатель в положении "включено".
    5. Дважды щелкните по значку программы сбора данных, расположенной на рабочем столе, чтобы открыть программное обеспечение.
    6. Обратите внимание приглашение с просьбой проверить состояние модуля, нажмите кнопку "да".
    7. Загрузите установочный файл Test. Перейдите на вкладку "Установка", прокрутите вниз до "Открыть", а затем выберите "Test Setup".
      1. Просмотрите каталог компьютера, найдите и выберите установочный файл теста с надписью "NOCSAE1.TSF". Нажмите кнопку "Загрузить".
    8. Введите информацию датчика для акселерометров.
      1. Нажмите на желтый значок датчика вход для канала 3 в активном модуле.
      2. Вставьте значение калибровки (мВ / G) для Z-оси акселерометра в текстовое поле "CAL Value".
      3. Нажмите на кнопку "Prev".
      4. Повторите шаги 1.4.8.1 - 1.4.8.3 для Y-осевой акселерометр (канал 2) и йе х-осевой акселерометр (канал 1).
      5. Нажмите на зеленый значок "Return" для выхода из датчика.
    9. Нажмите на зеленый значок "Сохранить", а затем назвать испытательную установку, как "NOCSAE-Jove".
    10. Нажмите кнопку "Сохранить".

2. Шлем Подготовка

  1. Выберите модель шлема для ударных испытаний. Для сертификации шлем, выберите образцы для испытаний в соответствии с NOCSAE DOC.011. 24 Испытание образца в соответствии с таблицей 1 и , как показано на рисунках 1 и 2.
  2. Выберите соответствующие faceguards для каждой выбранной модели шлема. В отличие от стандарта NOCSAE, проводить базовые испытания на ударную вязкость шлем с базовым для такой Большой шлем шлем.
  3. С помощью отвертки Philips, надежно прикрепить правильный и большой шлем все большой шлем специальное оборудование для каждого шлема выбранного для тестирования. В отличие от стандартного испытания мето NOCSAEd, проверить все шлемы с faceguards прилагается.
  4. Условия шлемов в температурах в соответствии с таблицей 1, NOCSAE DOC. 002 7, и NOCSAE DOC.087 25, подвергая их в лабораторных условиях или климатическую камеру. Провести начальные испытания на падение шлема при температуре окружающей среды.
    1. Переместить выбранные шлемы в лабораторных условиях, при 72 ° F ± 5 ° F (22 ° C, ± 2 ° С), по меньшей мере, 4 ч перед испытанием.
    2. Если были проведены все воздействия температуры окружающей среды, не подвергать шлем до температуры , обусловленное, в соответствии с таблицей 1, в течение 4 , но не более чем на 24 часов. 7
      Примечание: По крайней мере два, но не более четырех местах воздействия, которые приводят к самым высоким записанном SI не значения для будут испытаны при высокой температуре при понижении температуры окружающей среды.

3. Калибровка

  1. Выполнение калибровки муляжа головы: Каждый муляж головы должен быть откалиброван до тестирования с использованием трехосный акселерометр, 3 "Калибровка MEP пусковой площадки и падения местоположения / скорости, определенные с помощью ежегодной NOCSAE калибровки Pad Квалификационной отчет для этой конкретной калибровки MEP площадки.
    1. Надежно прикрепите 3 "Калибровка MEP накладку к наковальне, используя шестигранный ключ.
    2. Использование ежегодного NOCSAE калибровки Pad квалификационный отчет, выберите местоположение удара и соответствующую скорость удара.
    3. Использование сборки модели головы ротатора и наковальня направляющую, отрегулируйте муляж головы и наковальню к желаемой ориентации удара (спереди, сбоку или сверху). Обратитесь к Таблице 1 Приложения 2 NOCSAE DOC. 001, 18 и NOCSAE DOC. 100. 26
      1. Удалите Конус-Loc болт из сборки модели головы ротатора и ориентировать муляжа головы регулятор для выравнивания болтах отверстия в нужное положение. Вставьте и надежно Ф.А.Sten болт Конус-Loc.
      2. Ослабить муляжа головы с резьбой стопорное кольцо и повернуть положение модели головы нос к требуемой ориентации. Атяните муляжа головы с резьбой стопорное кольцо.
      3. Ослабьте две базовые пластины наковальни болты и сдвиньте наковальню до желаемое место удара не будет достигнута. Затянуть болты базовых пластинчатой ​​наковальня и убедитесь, что все соединения надежно закреплены.
    4. Присоединить систему выпуска отказаться от узла каретки. Поднимите узел падения каретки на высоту системы выпуска. Сосредоточьте систему выпуска до точки крепления на узле падения каретки, затем поверните тумблер для системы электромагнитного высвобождения в положении "включено".
    5. Поднимите падение блока каретки на определенной высоте, определенной для достижения желаемой скорости удара. Примечание: Конкретные высоты могут отличаться для каждой системы за счет фрикционных вариаций. Дополнительное воздействие может потребоваться проводиться различной высоты, чтобы обеспечить правильную въездной скорость являетсяchieved.
    6. Готовая система сбора данных для записи события ( в соответствии с Изготовляет спецификации 28).
      1. Загрузите установочный файл Test. Перейдите на вкладку "Тест", а затем нажмите кнопку "Сбор данных".
      2. Просмотрите каталог компьютера, найдите и выберите установочный файл теста с надписью "NOCSAE-JoVE.TSF". Нажмите кнопку "Загрузить".
      3. Нажмите кнопку "OK".
      4. Введите "Описание" диалогового окна Описание теста, а затем нажмите клавишу "Tab".
      5. Представить 5 символов тестовый идентификатор, введите "JoVE1" и нажмите кнопку "Продолжить".
      6. Нажмите кнопку "Продолжить".
      7. Обратите внимание на приборного разогревается. После того, как счетчик достиг 15 сек, нажмите кнопку "Продолжить".
      8. Обратите внимание на систему автоматического выполнения калибровки акселерометра. После того, как все коробки окрашены в зеленый цвет, нажмите кнопку "Продолжить".
    7. Используя систему выпуска, падение assembl кареткиу и запуска системы сбора данных для записи события, одновременно переворачивая оба тумблеры, расположенные на блоке управления питанием системы высвобождения.
    8. Вычислить и записать полученное значение SI. Убедитесь, что результат 1200 SI ± 2%.
    9. Повторите шаги 3.4.2-3.4.8 до тех пор, пока результаты получаются для каждого из трех требуемых местах воздействия.
      Примечание: Калибровка колодки должны быть ежегодно переквалифицированы в лаборатории, указанной NOCSAE.
  2. Выполните проверку системы и сохранения результатов. (см раздел 18, NOCSAE DOC.001 18)

4. Процедура тестирования

  1. Выполните проверку системы и сохранения результатов.
  2. Заменить MEP площадку, используемую для калибровки для тестового MEP площадку.
  3. Выбор места воздействия и скорость для тестирования в соответствии с таблицей 1.
    Примечание: Воздействие должно проводиться с самой низкой скорости падения до самого высокого. Температура окружающей среды воздействие зачиститьd проводиться до условных воздействий.
  4. Правильно настроить ориентацию модели головы и наковальня позицию для достижения желаемого места удара, как показано на рисунках 1 и 2 , и в соответствии с этапами в разделе 3.
  5. Выберите шлем для тестирования.
  6. Правильно подогнать выбранный шлем муляжа в соответствии с производителями шлем инструкции по установке и процедуры NOCSAE. Отрегулируйте и надежно прикрепить шлемы Чинстрап к муляжа.
    Примечание: Из-за дополнительных ограничений Большой шлем, легкое нанесение талька может помочь в подгонки шлема к муляжа.
  7. Присоединить механическую систему выпуска к падению узла каретки.
  8. Поднимите падение блока каретки на определенной высоте, определенной для достижения желаемой скорости удара.
  9. Готовая система сбора данных для записи события. Повторите шаги 3.4.1 через 3.4.8.
  10. С помощью системы механической разблокировки падение CARRIвозраст сборки и одновременно запускать систему сбора данных для записи события.
  11. Сразу же после удара, запись SI, КТГ, и пиковые результаты разгона.
  12. Сравните записанные результаты годен / не годен критериям. Отличаясь от NOCSAE стандарта, установите годен / не годен значение 700 SI для всех 5,46, 4,88 и 4,23 м / сек воздействия. Поддерживать годен / не годен критерий 300 SI для всех 3,46 м / сек воздействий.
  13. Повторите шаги 4.3-4.11 до тех пор, пока результаты получены для всех требуемых воздействий.
    Примечание: Это приемлемо для того чтобы испытать все шлемы для данного места воздействия перед изменением ориентации муляжа головы и наковальня положение.
  14. Выполните проверку системы после завершения тестирования и сохранить результаты.
  15. Проверка данных: Сравните предварительное тестирование и проверку системы после испытаний и гарантировать, что любое изменение составляет 7% или менее.

Рисунок 1
Таблица 1:Футбольный шлем тест на падение матрица, показывающая необходимые удары падения скорости (м / сек) и место удара. (Таблица редактировался NOCSAE DOC. 002-13m13) Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Детальный количественный анализ результатов для данной методики была представлена Rush и др. (представленный) краткий обзор полученных результатов и связанный с ним эффективность в сочетании методологии тестирования шлем Большой шлем-оболочки отображается в результатах испытаний падение с использованием Ролингса Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D и Ксенит X2 шлемы в качестве примеров. Каждый из этих шлемов (по размеру "большой") с faceguards отображаются разные результаты по сравнению с шлемами без faceguards. На рисунке 3 относительно участков значения SI каждого примера шлем с и без Большой шлем для передней верхней, передней верхней Boss, сверху, сбоку, сзади и места удара сзади Boss при скорости удара 5,46 м / с. В то время как среднее значение SI для каждого из этих трех последовательных ударов (90 ± 15 с) была значительно ниже порога NOCSAE 1200 SI, каждый шлем отображается уникальное расположение зависящих от ответа, когда еaceguard был прикреплен. Таблица 2 иллюстрирует значимость этих же испытаний на удар, показывая разность средних (MD) с корнем Squared ошибки (RSE) для черепно - мозговой травмой Критерий (HIC), индекс тяжести (SI), и пик результирующее ускорение (G'S) значения с и без конфигураций Большой шлем. При этом, наименее регрессии квадратов с помощью дисперсионного анализа был использован для расчетов P-значение, показывающие существенные различия (р <0,05) для шлемов с и без faceguards приложенные во время тестирования. В дополнение к изменениям в HIC, SI, и пик G, наблюдались различия в импульсивных реакций, когда faceguards были добавлены к этим примерам шлем. На рисунке 4 показаны падение результаты тестирования шлема Ксенит X2 с Большой шлем и без Большой шлем на 4,88 м / с, показывающий разницу в ускорение времени истории профиля для каждой измеренной оси (X, Y и Z). Было также отмечено, что результаты были сильно зависит от типа шлема, воздействие нахоиона, и скорость удара.

Рисунок 3
Рисунок 3: Испытание на сбрасывание. Типичные результаты испытаний каплю Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D и Ксенит X2 шлемов 5,46 метров в секунду; показывая Показатель степени тяжести (SI) в месте воздействия на без (Большой шлем NOCSAE Standard) и с Большой шлем (ж / FG) шлем конфигурации со стандартной ошибкой. Примечание: FG Передние и FG Донные воздействия прямых Большой шлем не показаны. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4: тест на падение NOCSAE. Результаты Ксенит X2 шлема (верхняя часть) с Большой шлем и без Большой шлем на 4,88 м / с, показатьИНГ разницу в ускорение времени истории профиля для каждой измеренной оси (X, Y и Z). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5
Таблица 2: Представитель тест на падение. Результаты Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D и Ксенит X2 шлемов на 5,46 м / с. Отображение разницы средних (MD) в черепно-мозговой травмой Критерий (HIC), Показатель степени тяжести (SI), и пик результирующее ускорение значения (G в) для с и без большой шлем конфигураций через Front Top (FT), Front Top Boss (ПТБ), Top ( T), боковые (S), задний (R), а также места удара сзади Boss (RB). Примечание: Указанные значения представляют собой разность средних и корневых Squared ошибки (RSE) в отношении к конфигурации без трех Большой шлем последовательных ударов с интервалом 90 ±15 сек. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5: Схема двухпроводной тест на падение буровой установки. Схема показывает каждый компонент механической сборки с инстилляции ограничениями. Каждый компонент обозначается число , соответствующее с описанием части , как это определено в списке материалов. Обратитесь к списку материалов. (Изображение из NOCSAE DOC. 001-13m15b) Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Сообщил, что методология пары NOCSAE испытания воздействия футбол шлем и падение предлагает большой шлем уникальную методику для оценки лучших технических характеристик современных футбольных шлемов. Наиболее важные шаги для оценки этого более высокую производительность, характерные для современных футбольных шлемов являются следующие: 1) правильно настройки механического испытательного устройства; 2) точно проведения процедуры калибровки; и 3) правильно есть шлем / большой шлем к муляжа.

Эта методика требует надлежащих процедур настройки тестирования и калибровки. Существует значение вариативности между каждым муляжа NOCSAE из-за ограничений в производственном процессе, которые включают пористость в полимерных материалах. NOCSAE борется эту уникальную изменчивость посредством процесса нормализации с помощью процедур калибровки с использованием модели головы и ежегодно переаттестацию калибровки MEP площадку. Таким образом, все более и более важным, что дополнительное изменение не введено епзрительными, что механическое Контрольное устройство правильно и надежно поддерживается. Перед тестированием, важно резьбовом муляжа головы воротник и муляжа головы ротатора и падение болты каретки проверены и надежно закреплены. позиционирование Шлем-муляж головы и антарктический нужным должны быть проверены перед каждым испытанием падения. При ударе, шлем может смещаться, что является приемлемым, но, возможно, должны быть скорректированы.

В дополнение к тестированию процедуры настройки и калибровки, ударных испытаний требует надлежащей подготовки шлем. Большой шлем выбор и правильное крепление шлема / к большой шлем муляжа является важной частью процедуры тестирования. Для общего тестирования шлем, базовая модель Большой шлем должен быть выбран и надежно закреплен со всеми аппаратными средствами конкретной большой шлем. Как правило, базовый Большой шлем определяется как тот, который предлагает минимальное количество защиты лица, не включая faceguards кикер стиле. Из-за изменчивости современного дизайна шлема и добавленного constraiNTS компонента Большой шлем, дополнительные процедуры, которые могут потребоваться для надлежащего крепления шлема модели головы. Как правило, faceguards должны быть надежно прикреплены к шлему до вставки на муляжа. Некоторые шлемы могут потребоваться частичное присоединение к Большой шлем шлем, который затем прикрепляют при вставке шлем-модели головы. Легкое применение талька для муляжа может помочь в прикреплении шлем. Для других устранения неполадок, обратитесь к руководству по устранению неисправностей NOCSAE испытательного оборудования и ударных испытаний (ND.087-12m14).

Процедура испытания требуется модификация местах стандарт воздействия NOCSAE, для того, чтобы учесть добавления Большой шлем во время тестирования. Места воздействия для настоящих испытаний башни падение включают в себя замену стандарта NOCSAE Front и Front Boss с места удара спереди сверху и спереди Top Boss и включение Большой шлем Передняя и большой шлем Bottom местах. На рисунке 3 показана лева SIELS в различных местах, в том числе ударных двух новых предлагаемых из них. Например, данные Riddell, показанные на рисунке 3, иллюстрирует тот факт , что две новые локации берут на себя наибольшие уровни СИ, которые в противном случае не были бы известны , так как эти два новых теста не требуется для сертификации NOCSAE. Начальное тестирование установлено, что передняя Верхняя и передняя Boss были лучше подходящие места воздействия, так как они будут влиять на оболочку шлема, а не Большой шлем. Эти сайты были бы более реалистичным, позволяя прямое воздействие оболочки вкладыш в то же время в том числе ограничений компонента Большой шлем. Прямое воздействие большой шлем были достигнуты путем включения и большой шлем Передние Большой шлем Bottom воздействия, которые были идентичны в заданных местах воздействия для NOCSAE футбольных сертификационных испытаний Большой шлем. Включение этих двух воздействий, разрешенных к единой процедуры испытания футбол шлем и падение Большой шлем. Эти воздействия требуется большой шлем обменаиспытательного MEP с МООС и большой шлем дополнительных процедур экологической кондиционирования, как изображается в таблице 1.

Типичные результаты испытаний показывают, что падение футбольные шлемы должны быть faceguards прикреплены во время тестирования. Сравнительные результаты испытаний падение показали, что большой шлем добавляет жесткости кинематической ограничение к корпусу, что уменьшает общее поглощение энергии. Рисунок 3 и в таблице 2 показаны различия в уровнях СИ по всей местах воздействия для шлемов в стандарте NOCSAE (без) и Большой шлем модифицированный с конфигурациями Большой шлем. По сравнению с текущим методом испытаний NOCSAE, футбольные шлемы протестированы с прикрепленным показывает Большой шлем уникальные ответы, которые зависят от типа шлема, который может варьироваться в зависимости от места удара. Различия в этих ответах могут быть аккредитованы на оболочечной Большой шлем муфты, которые зависят от уникальных конструктивных особенностей шлема испытывается. RawlinГ.С. Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D и Ксенит X2 шлемы были использованы для представительных результатов, так как эти шлемы характеризуют некоторые из новейших инноваций в технологии шлем. Каждый из этих шлемов существенно различаются в зависимости от их уникальными конструктивными особенностями, включая faceguards, системы крепления, системы Большой шлем крепления антарктического и систем лайнера. Как показано в таблице 2, эти представительные результаты показывают существенные различия <0,05) в КМС, SI и пиковые значения ускорения, которые зависят от типа шлема, место удара и конфигурации Большой шлем. Кроме того, также наблюдались различия в ускорение времени истории профиля. Примером такого ответа можно увидеть на рисунке 4, где трехосный приемистость (для X, Y и Z оси) шлема Ксенит X2 на а / сек Top удара 4,88 м отображается 40 G купанием в оси X ускорение когда большой шлем не был установлен. В связи с дополнительным ограничением, чтоБольшой шлем приносит оболочки шлема, ускорение погружения не существовало для того же самого удара, когда был большой шлем прикрепить к корпусу. Более конкретно, когда большой шлем не был включен, то поликарбонатный корпус вблизи точки удара может изгибаться больше и, таким образом, поглощают больше энергии. Когда большой шлем был включен, то корпус из поликарбоната не будет изгибаться, как много. Включение во время тестирования Большой шлем воздействия предназначен для более точного имитации на поле условий нагружения.

Предлагаемый нами метод испытаний использует более жесткие ограничения по сертификации по сравнению с текущим стандартом NOCSAE. В предлагаемой нами методе испытаний для всех 5,46, 4,88 и 4,23 м / с последствиями, мы рекомендуем, чтобы комитет NOCSAE создать новый безопасный низкий уровень СИ на основе Ходжсон и др. (1970) работа.

Если какое-либо итоговое значение SI для любого одного удара больше, чем этих соответствующих пороговых значений, то тест определяется как провал. Представитель РезULTS (Рисунок 3) показывают , что SI значения для 5,46 м / с всех протестированных шлемов в данном исследовании намного ниже текущего 1200 SI NOCSAE Pass / Fail критерий для таких воздействий. Дополнительные показатели травматизма на КТГ и пик результирующего ускорения включены в таблицу 2, но никаких ограничений по сертификации не было дано на эти показатели. Будущие пределы сертификации шлем должен исследовать занятость политравмой метрическую годен / негоден критерии.

Последним фактором для улучшенного тестового стандарта шлема будет публиковать стандартные результаты тестирования таким образом, что позволит игроку принять обоснованное решение о выборе шлема. Для многих игроков, внешний вид часто является наиболее важным фактором при выборе комбинации футбол шлем / Большой шлем. Тяжелее гриль типа Большой шлем также становятся все более доминирующими на футбольном поле сегодня, вероятно, по этой причине. Эти тяжелые faceguards сместить центр тяжести головы спортсменов и добавить дополнительный мoment рука вызывая более пагубное крутящий момент во время косого шлем к шлему воздействиям. Таким образом, все более важно понять систематический ответ шлемов и для игрока, чтобы знать, как эти тяжелые faceguards влияют на производительность шлема. Будущее сертификации Шлем должен потребовать от производителей, чтобы отобразить размер и результаты испытаний шлем Большой шлем конкретного.

Эти сообщенные процедуры испытаний служат эффективным решением, которое позволяет возможность оценить лучшие эксплуатационные характеристики существующих и будущих систем футбол шлем. Метод испытания определяется здесь, предназначен, чтобы быть модификация текущего двухпроводной процедуры испытания падение NOCSAE, который по своей сути ограничивает тестирование производительности головных уборов для линейного ускорения на основе критериев травмирования. В то время как в настоящее время в использовании и легко доступны, это двухпроводная испытательное устройство не может измерять угловое ускорение. По сравнению с существующими методами, это сообщил футбольный метод испытаний шлем дает более ACCURAт.е представление производительности шлем и его способность смягчать на поле воздействия.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PCB Triaxial Accelerometers PCB Model 353B17
TDAS2 Data Acqusition System Diversified Technical Systems, Inc.  TDAS2 Or an equivalent Data Acquisition System
Current Source (Amplifier)  Dytran Instruments, Inc. 4114B1 Or equivalent
Velocity gate and flag CADEX SB203 Or an equivalent velocimeter
Selected Football Helmet(s)/faceguard assem. including chinstrap and faceguard hardware
Height Gauge
Torque wrench Snap-on QD21000 range to 200 in/lb minimum, 5% accuracy
Twin-wire Guide Assembly
Drop Carriage  SIRC 1001
1/2" MEP Testing Pad SIRC 1006
1/8" Faceguard Testing Pad SIRC 1007
3" MEP Calibration Pad SIRC 1005 Including Annual NOCSAE Calibration Pad Qualification Report
3/8" Hook-eye Turnbuckle SIRC 1043 Forged Steel with a 6" take-up
1/8" Wire Rope Thimble  SIRC 1044
1/8" Spring Music Wire  SIRC 1045
1/8" Wire Rope, Tiller Rope Clamp, Bronze  SIRC 1046
3/8" 16 x 3“ Eye Bolt  SIRC 1041
3/8" Forged Eye Bolt SIRC 1040
Right Angle DC Hoist Motor  SIRC 2000
Single Groove Sheave (Pulley), 3 ¾"  SIRC 2002
Top Mount Plate SIRC 2003
18" Top Channel Bracket  SIRC 2004
Wall Mount Channel Bracket, 4' x 1 5/8"  SIRC 2005
Mechanical Release System  SIRC 2006
Lift Cable, Wire Rope, 20' Coil  SIRC 2007
Anvil Base Plate  SIRC 2010
Anvil  SIRC 2011
Headform Adjuster  SIRC 2012
Headform Rotator Stem SIRC 2013
Headform Threaded Lock ring SIRC 2016
 Headform Collar  SIRC 2014
Nylon Bushing  SIRC 1803
Small Headform  SIRC 1100
Medium Headform  SIRC 1101
Large Headform SIRC 1102
Taper-Loc Bolt
DC Motor Speed Controller (Reversible)  SIRC 2001

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Langlois, J. A., Rutland-Brown, W., Wald, M. M. The epidemiology and impact of traumatic brain injury: a brief overview. J Head Trauma Rehabil. (5), 375-378 (2006).
  2. Broglio, S. P., et al. Head impacts during high school football: a biomechanical assessment. J Athl Train. 44, 342-349 (2009).
  3. Broglio, S. P., Martini, D., Kasper, L., Eckner, J. T., Kutcher, J. S. Estimation of head impact exposure in high school football: Implications for regulating contact practices. Am. J. Sports Med. 41, 2877-2884 (2013).
  4. Costanza, A., et al. Review: Contact sport-related chronic traumatic encephalopathy in the elderly: clinical expression and structural substrates. Neuropathol Appl Neurobiol. 37, 570-584 (2011).
  5. McKee, A. C., Cantu, R. C., Nowinski , C. J., Hedley-Whyte, E. T., Gavett, B. E., Budson, A. E., Santini, V. E., Lee, H. S., Kubilus , C. A., Stern, R. A. Chronic traumatic encephalopathy in athletes: progressive tauopathy after repetitive head injury. J. Neuropathol Exp Neurol. 709-735 (2003).
  6. Bartsch, A., Benzel, E., Miele, V., Prakash, V. Impact test comparisons of 20th and 21st century American football helmets: Laboratory investigation. J Neurosurg. 116, 222-233 (2012).
  7. NOCSAE. Standard Performance Specification for Newly Manufactured Football Helmets. Paper No. 002-13m13 (2013).
  8. Greenwald, R. M., Gwin, J. T., Chu, J. J. Head Impact Severity Measures for Evaluating Mild Traumatic Brain Injury Risk Exposure. Neurosurg. 62, 789-798 (2008).
  9. Newman, J. A. Accidental Injury: Biomechanics and Prevention. Yoganandan, N. Springer. (2015).
  10. Newman, J. A., Shewchenko, N., Welbourne, E. A proposed new biomechanical head injury assessment function - the maximum power index. Stapp Car Crash J. 44, 215-247 (2000).
  11. Gadd, C. W. Use of a weighted-impulse criterion for estimating injury hazard. SAE Technical Papers. (1966).
  12. Lissner, H. R. Experimental Studies on the Relation Between Acceleration and Intracranial Pressure Changes in Man. Surgery, Gynecology and Obsterics. III, 329-338 (1960).
  13. Gurdjian, E. S., et al. Concussion - Mechanism and Pathology. Proceedings of the Seventh Strapp Car Crash Conference, (1963).
  14. Patrick, L. M., et al. Survival by Design - Head Protection. The Seventh Strapp Car Crash Conference, (1963).
  15. Versace, J. A review of the Severity Index. SAE Technical Papers. (1971).
  16. Newman, J., et al. A new biomechanical assessment of mild traumatic brain injury. Part 2. Results and conclusions. Proceedings of International Research Conference on the Biomechanics of Impacts. 223-233 (2000).
  17. NOCSAE. Standard Performance Specification for Newly Manufactured Football Helmets. Paper No. 002-11m11a (2011).
  18. NOCSAE. Standard Test Method and Equipment used in Evaluating the Performance Characteristics of Protective Headgear/Equipment. Paper No. 001-11m15 (2015).
  19. NOCSAE. Standard Method of Impact Test and Performance Requirements for Football Faceguards. Paper No. ND087-11M11 (2011).
  20. NOCSAE. Standards and Process. (2013).
  21. Gwin, J. T., et al. An investigation of the NOCSAE linear impactor test method based on in vivo measures of head impact acceleration in American football. J Biomech Eng. 132, (2010).
  22. NOCSAE. Standard Performance Specification for Newly Manufactured Lacrosse Helmets with Faceguards. NOCSAE DOC (ND) 041-11m12 (2013).
  23. Hodgson, V. R., Thomas, L. M., Prasad, P. Testing the validity and limitations of the severity index. SAE Technical Papers. (1970).
  24. NOCSAE. Manufactureers Procedural Guide for Product Sample Selection for Testing to NOCSAE Standards. Paper No. 011-13m14d (2014).
  25. NOCSAE. Standard Method of Impact Test and Performance Requirements for Football Faceguards. Paper No. 087-12M14 (2014).
  26. NOCSAE. Troubleshooting Guide for Test Equipment and Impact Testing. Paper No. ND100-96M14 (2014).
  27. NOCSAE. Equipment Calibration Procedures. Paper No. 101-00m14a (2014).
  28. Diversified Technical Systems. Source: http://www.dtsweb.com (2014).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics