アメリカンフットボールのヘルメットのための修正されたドロップタワー衝撃試験

Bioengineering

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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).

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Abstract

Introduction

動機
この修正された落下塔試験法の主な目的は、より密接にアメリカンフットボールのヘルメットシステムのオン・フィールドの影響を表し、強化安全基準を促進することです。伴う試験方法は、効果的に脳震盪の防止のための強化されたヘッドギアを開発するために必要なヘルメット体系的応答についての知識を提供することができます。脳震盪の発生が持続的にそのようなアメリカンフットボールのように、コンタクトスポーツを悩ませてきました。米国だけでも、スポーツ関連脳震盪は毎年160万〜3.8回発生すると推定されています。 1のサッカー選手は、1,500以上のヘッド影響各シーズンを持つことができます。 2、3、最も影響の大きさはサブ震とうかもしれないが、慢性外傷性脳症(CTE)として知られている衝撃誘発される神経変性疾患への長期的な脳損傷につながる可能性があり、これらの影響の蓄積。 4CTEは、記憶喪失、行動や人格変化、パーキンソン症候群、音声、時には自殺につながっている歩行異常につながる、脳内のタウ蛋白の蓄積にリンクされています。 5サッカーのヘルメットは、過去15年間にいくつかの技術の進歩をしたが、それでも今日の最も先進的なヘルメットは完全にヘルメットに入射力のすべてを緩和しない、したがって、選手はまだ脳震盪を負います。 BARTSCH によって行われた研究ヴィンテージレザーヘルメットを身に着けている間6は、多くの場合、頭部衝撃の用量および頭部外傷のリスクことが示されたフットボールヘルメットの設計および試験基準の改善の必要性を説明する、広く使用されている21世紀のヘルメットを身に着けているものと同等でした。特に、NOCSAE認定7は、ヘルメットのための落下試験に含まれるべきfaceguardを必要としません。トンから追加された剛性彼は劇的に全体的な機械的応答を変更し、ヘルメットに接続faceguard。本研究は、安全ヘルメットの設計を促進するための駆動力として役立つ、より堅固なヘルメットの安全基準を提供するための方法を伴います。

バックグラウンド
頭部外傷メトリック
脳震盪に関連する正確な生物学的メカニズムは、正体不明のまま。多くの仕事は、様々な傷害の指標によって頭部損傷公差を定量化しようとする中で行われてきたが、意見の相違は、これらの基準に関する生物医学界で生じています。直線加速度、回転加速度、衝撃の持続時間、およびインパルス:これらの傷害メカニズムは、いくつかのエンティティに関連することになっています。 8、9、10、11、いくつかの傷害基準は、線形加速度の尺度として脳震盪を定義するために使用されてきました。ウェイン州立トレランスカーブ(WSTC) 12、13、14は、衝撃持続時間に対して線形加速閾値曲線境界を定義することにより、正面からの衝撃の間、自動車のクラッシュのために頭蓋骨骨折を予測するために開発されました。 WSTCは、重症度指数(SI)11のような他の傷害基準の拠点を務めています 2最も一般的に使用される基準であり、頭部損傷基準(HIC)、15。 SIおよびHIC直線加速 - 時間プロファイルの重み付き積分に基づいて、両方の測定値への影響の重大度。これらの基準は、直線加速度のしきい値を定義しているが、他の基準は、このようなヘッドインパクトパワー指標として、回転加速度を説明するために提案されてきました。 8、10、16今日のヘルメットの検査基準は、多くの場合にウェイン州立基づい傷害基準を使用しますlerance曲線(すなわちHICまたはSI)やピーク加速度基準または両方のいくつかの例インチいくつかの変更は、標準的な性能基準に角加速度を追加するために必要とされる一方で、直線加速度ベースの基準が優勢のまま。

この研究では、それぞれのヘルメットを提供相対的な安全性を評価するために使用されるメトリックは、ピーク得られた加速度、SI、及びHIC値でした。これらの指標のうち唯一のSIは、アスレチック機器(NOCSAE)フットボールヘルメット規格の基準に関する現在の国家運営委員会での評価のために使用されています。 SIは、以下の式に基づいて、

式(1) (1)

Aはヘッドの重心(CG)の並進加速度であり、Tは 、加速期間です。 11は 、17 SIは、Tを算出しました。計算は、得られた加速度曲線に沿って4 Gのしきい値によって制限されNOCSAE規格18、O。 HIC値は、次式により算出しました

式(1) (2)

ヘッドのCGの並進加速度であり、t 1およびt 2は、HICが最大値となる間隔で、それぞれ、最初と最後の時間である場合。本研究で算出すべてのHIC値は、時間間隔の持続時間は36ミリ秒に制限されHIC 36でした。

NOCSAEフットボールヘルメットのテスト基準
NOCSAE概要
1969年NOCSAEは、スポーツ関連傷害を減少させることを目標に、アメリカンフットボールヘルメット/ faceguardsおよび他のスポーツ用品の性能基準を開発するために設立されました。 17 NOCSAEフットボールヘルメット規格はフットボールヘルメット/ faceguardsため、衝撃減衰と構造的完全性の要件を確立することにより、頭部外傷を減らすためにウェイン州立大学の博士フォークトホジソン9によって開発されました。これらのフットボールヘルメット規格が認証試験やヘルメットの年間再認証手順を含みます。 2015年には、NOCSAEは、特定の米国規格協会(ANSI)ヘルメット認定の認定を受けて体の使用を必要とする品質保証プログラムを実施しました。

NOCSAE試験方法
ヘルメット滴が行われる前に、それは彼らの除去のために呼び出すようNOCSAEフットボールヘルメット規格はfaceguardsとヘルメットのテストが含まれていません。 NOCSAEヘルメット検査基準17は、必要な衝撃速度にヘッドフォームとヘルメットの組み合わせを加速するために、重力に依存しているツインワイヤードロップインパクターを利用します。 NOCSAEのヘッドフォームは、wが計測され重心におけるi番目の三軸加速度計。ヘッドフォームとヘルメットの組み合わせは、その後12.7ミリメートル厚の硬質ゴムモジュラーエラストマープログラマー(MEP)パッドで覆われたスチール製のアンビル上に特定の速度でドロップされます。衝突時に、瞬間的な加速度を記録し、SI値を算出します。これらのSI値は/必要なインパクトの位置と速度と周囲と高温の影響を含む2つの温度、さまざまな上に基準を失敗パスと比較されます。任意の影響の結果のSI値がしきい値を違反した場合、その後、ヘルメットはテストに合格しません。

個別の標準試験法は、サッカーfaceguard認証のために使用されます。 NOCSAEサッカーfaceguard規格は、構造的完全性の分析だけでなく、faceguard、ヒゲの衝撃減衰性能を評価し、その添付ファイル・システムが含まれています。各衝撃測定は無し面接触なし私と一緒に、試験に合格するために1200 SI以下でなければなりませんNOCSAE標準によって定義された任意のコンポーネントのchanical故障、。 19

が提案追加NOCSAEテスト(リニアインパクター(LI))faceguardとヘルメットが含まれて20があるが、それは王冠への影響を認めることができないので、それがフットボールヘルメットの認定には適していません。 LIは、角加速度を誘導するためにリニアベアリングテーブルに搭載されたハイブリッドIIIダミー首を搭載したNOCSAEのヘッドフォーム上に配置ヘルメットに影響を与えるために、空気圧ラムを使用しています。このためLIテストは、追加の電流ツインワイヤNOCSAE落下試験手順へのテストではなく、代替品です。 20は その代わりにLI試験の21は 、単純に現在のツインワイヤ落下試験手順にさらに2つのシナリオを追加することを提案します。

フットボールヘルメットの認定のためのNOCSAEの標準的な試験方法は、現在6所定の衝撃ロカを含みションと1のランダムなインパクト位置。フロント(F)、フロントボス(FB)、横(S)、リア(R)、リアボス(RB)、およびトップ(T):所定のインパクトの位置は、以下を含みます。ランダムなインパクト位置試験は、ヘルメットの定義された許容可能なインパクトエリア内の任意の点から地域を選択してもよいです。当社の修正NOCSAEの落下塔のテストのためのインパクトの位置は、フロントトップ(FT)とフロントトップボス(FTB)インパクトの位置と命名したもので、以前に定義されたフロントとフロントボスインパクトの位置を交換するなどがあります。私たちのフロントトップとフロントトップボスインパクト位置も落下試験のためのfaceguardを含むラクロスヘルメット用NOCSAE標準のフロントと右フロントボスインパクトの場所、と同じです。交換前と前側ボスの位置を含む22ヘルメットシェル衝撃位置は、 図1に示されています。 また、私たちの本研究の修正されたヘルメット試験方法は2 faceguard IMPACを含みFGフロント命名されたトンの場所とFGボトム。 2 faceguardインパクトの位置は現在のNOCSAE faceguardの認証手続きに必要な衝撃の場所と同じです。本研究の改変NOCSAE衝撃試験用の8インパクトの位置は、 図2に示されています。

図1
図1:フットボールヘルメットのためのおおよそのインパクト場所。 6は現在NOCSAE落下試験ヘルメットの衝撃位置、フロント(F)、フロントボス(FB)、横(S)、トップ(T)、リア(R)、および背面ボス(RB)、および2つの提案された衝撃の場所を必要と、フロントトップ(FT)、およびフロントトップボス(FTB)。注:保護ヘッドギアのためのNOCSAEの標準的な試験方法は、フロントトップとフロントトップボス衝撃の場所が含まれていません(赤いテキストで示されている)と、この研究のために、彼らはフロントとフロントボスインパクトの位置を交換してください。 (画像NOCSAEのDOCから変更された。001-13m15b)

図2
2:8 の衝撃位置を示すNOCSAE落下試験の設定を変更しました。フロントトップ、フロントトップボス、サイド、Faceguard(FG)フロント、リア、リアボス、トップ、およびFaceguardボトム(FB)。注:NOCSAE標準はfaceguardの添付ファイルが含まれていませんし、ここでフロントトップとフロントトップボスは、標準的なフロントとフロントボスインパクトの位置を交換してください。 (NOCSAEのDOCから変更されたイメージ。002-11m12) この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

NOCSAEフットボールヘルメット規格がhのfaceguardを含めたことがないのに対し、ヘルメットのデザインは次第に、過去10年間で変更されましたフットボールヘルメットの性能仕様を評価する際にelmet。 、最近改正は/最低速度の影響(3.46メートル/秒)のために300 SIの値を失敗パスを含むようになされているが、/ 1200 SIの限界に失敗し、一般的パスは、以前は1997年に1997年17から変更されていませんNOCSAEは/基準を合否1500 SIを使用していました。ホジソンら。 (1970)は、540のSI値が非ヘルメットをかぶった死体の衝撃試験でリニア頭蓋骨骨折を生産しているが1,000より大きいのSI値は、命に危険であることが示されています。 23最近のほとんどのフットボールヘルメットは全てではないが、SI 540以下も1200 SIの制限の下を通過することが示されています。

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Protocol

注:提示された試験方法のためのプロトコルは、(http://nocsae.org/で入手可能)は、以下のNOCSAEドキュメントを参照していますNOCSAE DOC.002-13m13:18「新たに製造されたフットボールヘルメットのための標準的な性能仕様」。 NOCSAE DOC.011-13m14d:24「試験にNOCSAE規格の製品サンプル選択のための製造業者手順ガイド」。 NOCSAE DOC.087-12m14:25「衝撃試験とサッカーFACEGUARDS FOR性能要求する標準的な方法」。 NOCSAE DOC.100-96m14:26「試験装置及び衝撃試験に関するトラブルシュート・ガイド」。 NOCSAE DOC.101-00m14a:「機器の校正手順」27

1.テストのセットアップ

  1. NOCSAEのDOCのセクション15.1で定義されているようにNOCSAEツインワイヤドロップキャリッジアセンブリを構築します。 図5に示すように001、18。それを確認しますアセンブリのすべてのコンポーネントがしっかりと取り付けられています。
  2. ヘッドフォーム回転子アジャスター上の所望の位置にヘッドフォームのカラーを揃えることにより、およびヘッドフォームのねじロックリングを締めて、ドロップキャリッジアセンブリのサイズ「大」NOCSAEのヘッドフォームを取り付けます。
    注:ヘッドフォームは、新規または修理の場合は、NOCSAEのDOCのセクション5を参照してください。 100 26
  3. しっかり頭型の重心に位置する加速度計プレートに三軸加速度計を取り付けます。加速度センサープレートの穴と加速度計の両方の穴を並べ加速度計プレートの中央に加速度計を配置します。アレンヘッドドライバを使用すると、両方のネジを挿入して、加速度計が確実に加速度計プレートに装着されるまで時計方向に締め付けてください。
  4. 製造業者の仕様に従ってデータ収集システムを構成します。 28
    1. 続データ収集アセンブリのためのケーブルはt。
      1. 同軸スプリッタの各出力に同軸ケーブルを接続した後、3ウェイ同軸スプリッタに加速度計のケーブルを接続します。
      2. アンプモジュールの背面にある3ウェイ同軸チャンネル1、2用のセンサ入力ポートにスプリッタ、及び3から各同軸ケーブルの自由端を接続します。
      3. 増幅器モジュール(チャネル1、2、3)データ収集システム(チャネル1、それぞれ2及び3)の前面に入力接続への出力ポートからの同軸ケーブルを接続します。
      4. データ収集システムの背面コネクタにRS-232ケーブルの分割端を接続します。
      5. パーソナルコンピュータ(PC)のCOMポート1に残りのRS-232ケーブルを接続します。
    2. パーソナルコンピュータ(PC)やログインの電源をオンにします。
    3. コンピュータにデータ収集システムのソフトウェアをダウンロードし、インストールします。
    4. データ収集アセンブリの電源をオンにします:電源に各コンポーネントに120ボルトのコンセントを差し込み、次に「上」の位置にアンプトグルスイッチを入れます。
    5. ソフトウェアを開くには、デスクトップ上にあるデータ取得プログラムのアイコンをダブルクリックします。
    6. モジュールの状態を確認するように求めるプロンプトを観察し、「はい」をクリックします。
    7. テストのセットアップファイルをロードします。 「設定」タブをクリックして「開く」までスクロールし、「テスト設定」を選択します。
      1. 、コンピュータのディレクトリをブラウズ探し、「NOCSAE1.TSF」と表示されたテスト・セットアップ・ファイルを選択します。 「ロード」をクリックしてください。
    8. 加速度計のためのセンサ情報を入力します。
      1. アクティブモジュールにチャンネル3用の黄色のセンサー入力]アイコンをクリックします。
      2. 「CAL値」テキストボックスに、z軸加速度計の校正値(MV / G)を挿入します。
      3. 「PREV」ボタンをクリックします。
      4. 繰り返し1.4.8.1手順 - y軸加速度計のための1.4.8.3を(チャネル2)と目のためにE x軸加速度計(チャネル1)。
      5. センサーを終了するには、緑色の「戻る」アイコンをクリックします。
    9. 緑色の「保存」アイコンをクリックし、「NOCSAE-Joveの "としてテストのセットアップに名前を付けます。
    10. 「保存」をクリックします。

2.ヘルメットの準備

  1. 衝撃試験用のヘルメットのモデルを選択します。ヘルメットの認定については、NOCSAE DOC.011に従ってテストするためのサンプルを選択します。 24試験サンプルは、 表1に記載し、 図1及び 2に示すように。
  2. 選択された各ヘルメットモデルに対応するfaceguardsを選択します。 NOCSAE規格とは異なり、このようなヘルメットのベースラインfaceguardとベースヘルメット衝撃試験を実施しています。
  3. フィリップスヘッドドライバを使用して、安全に試験のために選択した各ヘルメットに正しいfaceguard、すべてのfaceguard特定のハードウェアを取り付けます。 NOCSAE標準試験メトとは対照的にdは、添付faceguardsですべてのヘルメットをテストします。
  4. 温度の条件のヘルメット、表1によれば、NOCSAEのDOC。 002 7、および ラボ環境や環境室にそれらをさらすことによって NOCSAE DOC.087 25。周囲温度で初期のヘルメット落下試験を実施しています。
    1. 実験室環境に選択したヘルメット、72°F、±5°F(22°C、±2℃)、試験前に少なくとも4時間を移動します。
    2. すべての周囲温度の影響が行われている場合は、もう24時間以上4は、 表1によれば、空調の温度にヘルメットを公開しないが。 7
      注:少なくとも二つが、最高記録SIにつながる4個以下のインパクトの位置は高い温度でテストされる周囲温度が下がるために値はありません。

3.キャリブレーション

  1. ヘッドフォームキャリブレーションを実行します。各ヘッドフォームは、従来の三軸加速度計、3「キャリブレーションMEPパッドを使用してテストするに較正し、その特定のキャリブレーションMEPパッドの年間NOCSAE校正パッド資格報告書によって識別されるような場所/速度をドロップする必要があります。
    1. しっかり六角レンチを使用して、アンビルに3「校正MEPパッドを取り付けます。
    2. 毎年恒例のNOCSAE校正パッド資格レポートを使用して、インパクト位置と対応する衝突速度を選択します。
    3. ヘッドフォーム回転子アセンブリおよびアンビルガイドレールを使用して、希望の衝撃の向き(正面、側面、または上面)にヘッドフォームとアンビルを調整します。 表1、NOCSAEのDOCの付録2を参照してください。 001、18とNOCSAEのDOC。 100 26
      1. ヘッドフォーム回転子アセンブリからテーパー-LOCのボルトを外し、所望の位置にボルト穴を整列させるためにヘッドフォーム調整を向けます。挿入し、しっかりとFAテーパー-LOCボルトをステン。
      2. ヘッドフォームのねじロックリングを緩めて、必要な向きにヘッドフォームの鼻の位置を回転させます。しっかり頭型のねじロックリングを締めます。
      3. 2ベースプレートアンビルのボルトを緩め、希望のインパクト位置が達成されるまで、アンビルにスライドさせます。ベース板状アンビルボルトを締めて、すべての接続がしっかりと固定されていることを確認します。
    4. キャリッジアセンブリを削除するには、リリースシステムを取り付けます。放出システムの高さにドロップキャリッジアセンブリを持ち上げます。その後、「オン」の位置に電磁放出系のためのトグルスイッチを入れるドロップキャリッジアセンブリ上のアタッチメントポイントにリリースシステムを中央に配置します。
    5. 希望の衝突速度を達成するために決定される特定の高さにドロップキャリッジアセンブリを持ち上げます。注:特定の高さは、摩擦変動によるシステムごとに異なる場合があります。追加の影響は、正しいインバウンド速度があることを確認するために高さを変える実施する必要があるかもしれませんchieved。
    6. (仕様28を製造しているに応じて)イベントを記録するための準備データ収集システム。
      1. テストのセットアップファイルをロードします。 「テスト」タブをクリックし、「データの収集」をクリックします。
      2. 、コンピュータのディレクトリをブラウズ探し、「NOCSAE-JoVE.TSF」と表示されたテスト・セットアップ・ファイルを選択します。 「ロード」をクリックしてください。
      3. 「OK」をクリックします。
      4. テストの説明「説明」ダイアログボックスを入力し、「タブ」キーを押してください。
      5. 「JoVE1」と入力し、5文字のテストIDを提供し、「続行」をクリックします。
      6. 「続行」をクリックします。
      7. 暖機運転計器を観察します。カウンタが15秒に達したら、「続行」をクリックします。
      8. 自動的に加速度計のキャリブレーションを行うシステムを観察します。すべてのボックスが緑色に着色されたら、「続ける」をクリックします。
    7. 放出システムを使用して、キャリッジassemblドロップYと同時に放出システム電源制御ボックス上に配置両方トグルスイッチを反転することによって、イベントを記録するためのデータ収集システムをトリガします。
    8. 計算し、結果のSI値を記録します。結果は1200 SIは±2%であることを確認してください。
    9. 手順を繰り返して、3.4.2-3.4.8結果は必要な3つのインパクトの位置のそれぞれについて得られるまで。
      注:キャリブレーションパッドはNOCSAEで指定された研究所で毎年requalifiedする必要があります。
  2. システムチェックを実行し、結果を維持します。 (セクション18、NOCSAE DOC.001 18を参照てください)

4.テスト手順

  1. システムチェックを実行し、結果を維持します。
  2. MEP試験パッドのためのキャリブレーションに使用MEPパッドを交換します。
  3. 表1によるとテストするためのインパクト位置と速度を選択します。
    注:影響は、最高に最低落下速度から行わなければなりません。周囲温度の影響shoul馴化の影響の前に行うことdは。
  4. 適切図1および 2に示すように、所望の衝撃位置を達成するために、ヘッドフォームの向きとアンビルの位置を調整し、セクション3の手順に従いました。
  5. テスト用のヘルメットを選択します。
  6. 適切に指示とNOCSAE手順をフィッティングヘルメットメーカーに応じてヘッドフォームに選択されたヘルメットをフィット。調整し、確実にヘッドフォームにヘルメットのヒゲを添付します。
    注:faceguardの追加の制約のため、タルカムパウダーの光のアプリケーションは、ヘッドフォームにヘルメットのフィッティングを助けることができます。
  7. キャリッジアセンブリをドロップするように機械的な放出系を取り付けます。
  8. 希望の衝突速度を達成するために決定される特定の高さにドロップキャリッジアセンブリを持ち上げます。
  9. イベントを記録するための準備データ収集システム。繰り返しは、3.4.8を介して3.4.1を繰り返します。
  10. 機械的な放出系を使用すると、CARRIをドロップ年齢アセンブリと同時に、イベントを記録するためのデータ収集システムをトリガします。
  11. すぐに衝突後、レコードSI、HIC、およびピーク加速度結果。
  12. 基準を合格/不合格ために記録された結果を比較してください。 NOCSAE標準とは異なり、/すべての5.46、4.88、および4.23メートル/秒の影響のために700 SIの値を失敗するパスを設定します。すべての3.46メートル/秒の影響のために300 SIの基準をパス/フェイルを維持します。
  13. 結果は、必要なすべての影響のために得られるまで繰り返し、4.3から4.11を繰り返します。
    注:ヘッドフォームの向きとアンビルの位置を変更する前に与えられた衝撃の場所のすべてのヘルメットをテストするために許容可能です。
  14. テストの完了時にシステムチェックを実行し、結果を維持します。
  15. データ検証:プレテストとポストテストシステムのチェックを比較し、いずれかの変化が7%以下であることを確認してください。

図1
表1:落下速度(メートル/秒)とインパクト位置によって必要な影響を示すフットボールのヘルメット落下試験マトリックス。 (表NOCSAEのDOCから変更された。002-13m13) この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Representative Results

この方法論の結果の詳細な定量分析はラッシュによって発表されました。結果の概要と結合さfaceguardシェルヘルメットテスト方法の関連する有効性は、ローリングス量子プラス、リデル360、シャッツイオン4D、および例としてXenith X2のヘルメットを使用して、落下試験結果に表示されます(提出)。 faceguardsなしのヘルメットと比較した場合、faceguardsと(サイズの「大」)、これらのヘルメットのそれぞれは、異なる結果を示しました。 図3は 、比較的にと5.46メートル/秒の衝撃速度でフロントトップ、フロントトップボス、トップ、サイド、リア、およびリアボス衝撃位置についてfaceguardことなく、各例のヘルメットのSI値をプロットします。これらの3回連続の影響(90±15秒)のそれぞれの平均SI値がよくNOCSAE 1200 SI閾値を下回ったもののときF、各ヘルメットは、ユニークな位置依存応答を表示しましたaceguardを取り付けました。 表2は、さらにとのための平均差ルートが頭部損傷基準(HIC)、重症度指数(SI)のためのエラー(RSE)の二乗で(MD)、およびピーク合成加速度(Gの)値を表示し、これらの同じ衝撃試験の重要性を示していますそして、faceguard構成なし。ここでは、分散分析により、最小二乗回帰を有するとテスト中に取り付けfaceguardsなしヘルメット用の有意差(P <0.05)を示したP値の計算に使用しました。 faceguardsこれらヘルメット例に追加された場合HIC、SI、及びピークGの変化に加えて、インパルス応答の差異は観察されました。 図4のディスプレイは、各測定軸(X、YおよびZ)の加速・時刻歴プロファイルの違いを示し、faceguardとし、4.88メートル/秒でfaceguardなしXenith X2ヘルメットのテスト結果をドロップします。また、結果は、ヘルメットのタイプに強く依存していたことが観察された、衝撃locatイオン、および衝撃速度。

図3
図3:テストをドロップします。ローリングス量子プラス、リデル360、シャッツイオン4D、およびXenith X2毎秒5.46メートルで、ヘルメットの代表的な落下試験結果; faceguard(NOCSAE標準)がなく、標準エラーとfaceguard(ワット/ FG)ヘルメット構成のためのインパクト位置ごとの重症度指数(SI)を示します。注:FGフロントとFGボトム直接faceguardの影響は表示されません。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4
4:NOCSAE 落下試験。 4.88メートル/秒でfaceguardとし、faceguardなしXenith X2ヘルメット(トップ)の結果、ショー各測定軸(X、YおよびZ)の加速時間履歴プロファイルの差をる。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5
表2:代表落下試験。 5.46メートル/ sでローリングス量子プラス、リデル360、シャッツイオン4D、およびXenith X2ヘルメットの結果。フロントトップ(FT)、フロントトップボス(FTB)、トップ(全体でfaceguard構成を持つためにとすることなく、頭部損傷基準(HIC)、重症度指数(SI)、およびピーク得られた加速度(Gの)値の平均差(MD)を示しますT)、横(S)、リア(R)、および背面ボス(RB)インパクトの位置。注:表示される値は平均差を表し、ルートは間隔を90±と3回連続の影響のためfaceguard設定なしに対してでエラー(RSE)を乗15秒。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5
図5: ツインワイヤ落下試験リグの概略図。概略的には、点滴制約を持つ機械アセンブリの各コンポーネントを示しています。各コンポーネントは、 材料のリストで識別される一部の記述に対応する番号を付しています。 マテリアルのリストを参照してください。 (NOCSAE DOC。001-13m15bからの画像) この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

カップルはフットボールヘルメットとfaceguardドロップ衝撃試験をNOCSAE報告の方法論は、現代のフットボールヘルメットの優れた性能特性を評価するためのユニークな技術を提供しています。現代のフットボールヘルメットのこの優れた性能特性を評価するための最も重要なステップは、次のとおりです。1)が正しく機械試験装置をセットアップします。 2)正確に較正手順を行います。 3)適切ヘッドフォームにヘルメット/ faceguardを取り付けます。

この方法は、適切なテスト・セットアップとキャリブレーション手順が必要です。ポリマー材料に多孔性を含む製造プロセスの制限に起因各NOCSAEのヘッドフォームの間の固有の変動性が存在します。 NOCSAEは、キャリブレーションMEPパッドを使用して、毎年再認定ヘッドフォームの較正手順を経て正規化処理することで、このユニークな変動を戦います。従って、付加的な変動がENSによって導入されていないことをこれまで以上に重要です機械試験アセンブリが正しく確実に維持されるuring。テスト前に、ねじ付きヘッドフォーム襟とヘッドフォーム回転子が重要であると確認し、しっかりと締められているキャリッジボルトをドロップします。ヘルメット・ヘッドフォームポジショニングとヒゲフィットは、すべての落下試験の前にチェックする必要があります。インパクト時には、ヘルメットは許容され、シフトさせてもよいが、調整する必要があります。

セットアップとキャリブレーション手順をテストすることに加えて、衝撃試験は、適切なヘルメットの準備が必要です。 Faceguard選択とヘッドフォームにヘルメット/ faceguardの正しい取り付けは、テスト手順の重要な部分です。一般的なヘルメットのテストのために、ベースラインfaceguardモデルが選択されるべきであり、確実にすべてのfaceguard特定のハードウェアを取り付けました。典型的には、ベースラインfaceguardはキッカースタイルのfaceguardsを含まない顔の保護、最小限の量を提供しています1として定義されています。現代のヘルメットデザインして、コメントを追加constraiの変動にfaceguardコンポーネントの国税庁は、追加の手順が適切なヘルメット・ヘッドフォームの添付が必要な場合があります。一般的に、faceguardsは確実にヘッドフォーム上に挿入前にヘルメットに接続する必要があります。一部のヘルメットは、その後、ヘルメットヘッドフォームの挿入時に確保されているヘルメットにfaceguardの部分的な添付ファイルを必要とするかもしれません。ヘッドフォームへのタルカムパウダーの光のアプリケーションは、ヘルメットアタッチメントを助けることができます。その他のトラブルシューティングのためのテスト機器および衝撃試験(ND.087-12m14)用NOCSAEトラブルシューティングガイドを参照してください。

試験中faceguardの追加を考慮するために、NOCSAE標準衝撃位置の変更を必要なテスト手順。現在の落下塔のテストのためのインパクト位置がFaceguardフロントとFaceguardボトム場所のフロントトップとフロントトップボス衝撃の場所と含めてNOCSAE標準フロントとフロントボスの交換を含みます。 図3は、SIレフを示しています二つの新しい提案されたものを含む異なるインパクト位置でELS。例えば、 図3に示すリデルデータは、2つの新たな位置は、これらの二つの新しいテストがNOCSAE認証のために必要とされていないので、そうしないと知られていなかったであろう最大SIレベルを、発生点を示しています。最初の試験は、彼らがヘルメットシェルではなくfaceguardに影響を与えることになるので、フロントトップとフロントボスがより適しインパクトサイトと判断しました。これらのサイトはまだfaceguardコンポーネントの制約を含めて直接シェルライナーの影響を可能にすることにより、より現実的であろう。ダイレクトfaceguardの影響はNOCSAEサッカーfaceguard認定試験のための規定のインパクトの位置と同一であったFaceguardフロントとFaceguardボトム影響を、含むことによって達成されました。統一サッカーヘルメットとfaceguard落下試験手順のために許可されたこれらの二つの影響を含めること。交換に必要なこれらのfaceguardの影響表1に描かれたようfaceguardのMEPおよび追加の環境調和手順でテストMEP、の。

代表的な落下試験結果は、フットボールのヘルメットはfaceguardsテスト中に取り付けられている必要があることを示しています。比較の落下試験の結果がfaceguardが総エネルギー吸収を軽減シェルに補強運動学的制約を付加することを明らかにしました。 図3および表2に示す(faceguardなし)NOCSAE規格のヘルメットのための衝突場所にわたってSIレベルの差とfaceguard構成で変更されました。現在NOCSAE試験方法と比較すると、添付faceguardでテストフットボールヘルメットはインパクト位置によって異なる場合がありますヘルメットの種類に依存しているユニークな応答を示しています。これらの応答の違いは、テストされているヘルメットのユニークなデザインの特徴に依存しているシェル - faceguardカップリングに認定することができます。 Rawlinこれらのヘルメットは、ヘルメット技術の最新の革新の一部を特徴づけるようGS量子プラス、リデル360は、シャッツイオン4DとXenith X2のヘルメットは、代表的な結果を得るために使用しました。これらのヘルメットのそれぞれがfaceguards、faceguardアタッチメントシステム、ヒゲ添付ファイルシステムとライナーシステムを含む、独自のデザインの特徴によって大きく異なります。 表2に表示されるように、これらの代表的な結果は、HIC、SIにおける有意な変動(P <0.05)、およびヘルメット型、インパクト位置とfaceguard構成に依存するピーク加速度値を示しています。また、加速時間履歴プロファイルの違いも観察されました。そのような反応の例は、4.88メートル/秒のトップインパクト時Xenith X2ヘルメットの3軸加速度応答(Xは、YとZ軸)のX軸加速度40 Gディップを示し、図4に見られますfaceguardが添付されていなかったとき。追加の制約へのfaceguardは、ヘルメットシェルにもたらす、加速ディップがfaceguardがシェルに取り付けられたのと同じ衝撃のために存在しませんでした。 faceguardが含まれていなかったときより具体的には、衝突点付近のポリカーボネートシェルは、より曲がるため、より多くのエネルギーを吸収することができます。 faceguardが含まれていた場合には、ポリカーボネートシェルは同じくらい曲がるないだろう。衝撃試験時faceguardの包含は、より正確にフィールド負荷条件を模倣することを意図しています。

私たちの提案試験方法は、現在のNOCSAEの標準と比較して、より厳しい認証の制限を使用しています。すべての5.46、4.88、および4.23メートル/ sの影響のための提案の試験方法では、我々はNOCSAE委員会はホジソンに基づく新しい安全低いSIレベルを作成することをお勧めします (1970年)の作品。

いずれかの影響のために、任意の得られたSI値がこれらのそれぞれの閾値よりも大きい場合には、テストは失敗であると判定されます。代表解像度ults( 図3)は、この研究で試験された全てのヘルメットの5.46メートル/ sのSI値も現在の1200 SI NOCSAE下回らは/そのような影響を与えるための基準を失敗渡すことを示しています。 HICピーク得られた加速度の追加負傷メトリックは、表2に含まれている、まだ認証の制限は、これらの指標に与えられませんでした。将来のヘルメット認定限度は/基準を満たさない複数の負傷メトリックパスの雇用を調査する必要があります。

改善されたヘルメットの試験規格の最終的な要因は、プレイヤーがヘルメットの選択に関する情報に基づいた意思決定を行うことを可能にする方法で、標準的なテスト結果を公開することであろう。フットボールヘルメット/ faceguardの組み合わせを選択する際に、多くのプレーヤーのために、外観は、多くの場合、最も重要な要因です。重いグリル型faceguardもこのような理由で、おそらく今日のサッカー場により支配的になってきています。これらの重いfaceguardsは、アスリートヘッドの重心をシフトし、余分なメートルを追加しますヘルメットの衝撃に対して斜めのヘルメットの間に、より有害なトルクを誘導omentアーム。したがって、ヘルメットのこれらの重いfaceguardsはヘルメットのパフォーマンスにどのように影響するかを知るためにプレーヤーのための体系的な応答を理解することがこれまで以上に重要です。将来のヘルメットの認定は、サイズとfaceguard固有のヘルメットテスト結果を表示するには、製造業者を要求する必要があります。

これらの報告された試験方法は、現在および将来のフットボールヘルメットシステムの良好な性能特性を評価する能力を可能にする効果的な解決策として働きます。本明細書で定義される試験方法は、本質的に直線加速度ベースの傷害基準にヘッドギアの性能試験を制限する電流NOCSAEツインワイヤ落下試験手順に修正することを意図しています。現在使用中、容易に入手できるが、このツインワイヤ試験装置は、角加速度を測定することができません。既存の方法と比較して、この報告されたフットボールのヘルメットの試験方法は、よりACCURAを与えますヘルメットの性能とオンフィールドへの影響を緩和する能力のテ表現。

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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

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