Gemodificeerde Drop Tower botsproeven voor American Football Helmets

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

Motivatie
Het belangrijkste doel van deze gewijzigde daling toren testmethode is om nauwer te vertegenwoordigen op het veld effecten van de American football helm systeem en verbeterde veiligheidsnormen te promoten. De meebrengt testmethode kan kennis van helmen systematische respons nodig zijn om effectief te ontwikkelen verbeterde hoofddeksels voor hersenschudding preventie te bieden. Het optreden van de hersenschudding heeft voortdurend geplaagd contact sporten, zoals American Football. In de Verenigde Staten alleen al, hebben sport-gerelateerde hersenschudding naar schatting 1,6-3.800.000 keer per jaar plaats. 1 Een voetballer kan meer dan 1500 hoofd effecten elk seizoen te hebben. 2, 3 terwijl de omvang van de meeste effecten sub-concussive eventueel de accumulatie van deze effecten kunnen leiden tot lange-termijn hersenbeschadiging door een harde schok geïnduceerde neurodegeneratieve aandoening bekend als chronische traumatische encefalopathie (CTE). 4CTE is gekoppeld aan een opbouw van tau-eiwit in de hersenen, wat leidt tot geheugenverlies, gedrag en persoonlijkheid veranderen, syndroom van Parkinson, en spraak en gait afwijkingen die soms leidt tot zelfmoord. 5 Voetbal helmen hebben een aantal technologische vooruitgang die in de afgelopen 15 jaar, maar zelfs de huidige meest geavanceerde helmen niet volledig alle van de invallende krachten op de helm te verzachten en dus atleten maken nog steeds hersenschudding. Een studie uitgevoerd door Bartsch et al. 6 is gebleken dat in veel gevallen het hoofd effect doses en hoofdletsel risico's tijdens het dragen van vintage leatherhead helmen vergelijkbaar met die het dragen van de veelgebruikte 21 ste eeuw helmen waren, ter illustratie van de noodzaak tot verbetering van het ontwerp en de normen voor het testen van het voetbal helmen. In het bijzonder heeft de NOCSAE certificering 7 niet de faceguard moeten worden opgenomen in de drop tests voor de helm. De toegevoegde stijfheid van tHij faceguard aangesloten op de helm zou de totale mechanische respons drastisch veranderen. De huidige studie omvat een methode om meer robuuste veiligheidshelm normen die als een drijvende kracht zou dienen om veiligere helm ontwerpen te bevorderen bieden.

Achtergrond
Head Injury Metrics
De exacte biologische mechanismen die verband houden met hersenschudding blijven niet geïdentificeerd. Hoewel veel werk is in een poging om toleranties hoofdletsel kwantificeren door diverse verwondingen metrics is gedaan, is onenigheid ontstaan ​​in de biomedische gemeenschap ten aanzien van deze criteria. Deze mechanismen letsel worden verondersteld te hebben betrekking op verschillende entiteiten: lineaire versnelling, rotatie versnelling, duur impact en impuls. 8, 9, 10, 11 Verschillende schade criteria zijn gebruikt om een hersenschudding als maat voor lineaire versnelling definiëren. De Tolerantie Curve Wayne State (WSTC) 12, 13, 14 werd ontwikkeld om schedelbreuk voor automotive crashes te voorspellen bij een frontale botsing door het definiëren van een drempel curve grens voor lineaire versnelling versus duur impact. WSTC heeft gediend als de basis voor andere letselcriteria zoals Severity Index (SI) 11 en het Head Injury Criterion (HIC), 15 waarbij de twee meest gebruikte criteria. De SI en HIC zowel maatregel effect ernst gebaseerd op de gewogen integralen van de lineaire acceleratie-tijd profielen. Hoewel deze criteria drempels voor lineaire versnelling, zijn andere criteria voorgesteld om rekening te houden met rotatie versnelling, zoals het hoofd Impact Kracht index. 8, 10, 16 Today's helm testnormen maken vaak gebruik van een blessure criterium op basis van de Wayne State Tolerance Curve (namelijk HIC of SI) of piekversnelling criterium of in sommige gevallen beide. Terwijl sommige aanpassingen zijn nodig om hoekversnelling toe te voegen aan de standaard prestatiecriteria, de lineaire versnelling op basis van criteria blijft dominant.

In deze studie, de gebruikte statistieken om de relatieve veiligheid dat elke helm verstrekt waren de piek resulterende versnellingen, SI, en HIC waarden te kunnen beoordelen. Van deze statistieken alleen de SI wordt gebruikt voor de evaluatie van de huidige Nationale Operating Committee betreffende normen voor de Athletic Equipment (NOCSAE) footballhelm normen. De SI is gebaseerd op de volgende vergelijking,

vergelijking 1 (1)

waarbij A de translationele versnelling van het zwaartepunt (CG) van de kop, en t is de versnelling duur. 11, 17 SI werd berekend to NOCSAE normen 18, waarbij de berekening wordt beperkt door een 4 G drempel langs de resulterende versnelling curve. De HIC-waarden werden berekend met de volgende vergelijking,

vergelijking 1 (2)

waarin a de translatie versnelling van het zwaartepunt van de kop, en t 1 en t 2 zijn de begin- en eindtijd van respectievelijk het interval waarmee HIC bereikt een maximale waarde. Alle HIC waarden berekende studie waren HIC 36, waarbij de duur van het tijdsinterval is beperkt tot 36 ms.

NOCSAE Football Helmet Test Standards
NOCSAE Overzicht
In 1969 werd NOCSAE opgericht om prestatienormen voor American football-helmen / faceguards en andere sportieve uitrusting met een doelstelling van het verminderen van sportblessures te ontwikkelen. 17 De NOCSAE voetbal helm normen zijn ontwikkeld door Dr. Voigt Hodgson 9 van Wayne State University om hoofdletsel te verminderen door vaststelling van voorschriften voor effect verzwakking en structurele integriteit voor het voetbal helmen / faceguards. Deze voetbal helm normen zijn een certificering te testen en de jaarlijkse hercertificering procedures voor helmen. In 2015 NOCSAE implementeerde een programma voor kwaliteitsbewaking die het gebruik van een specifiek American National Standards Institute (ANSI) geaccrediteerde instelling voor helm certificering.

NOCSAE testmethode
De NOCSAE Helm van de Voetbal Standard omvat niet het testen van helmen met faceguards als het pleit voor de opheffing ervan voordat helm druppels worden uitgevoerd. De NOCSAE helm beproevingsnormen 17 maken gebruik van een twin-wire daling impactor die afhankelijk is van de zwaartekracht om de kogel met helm combinatie om het gewenste effect snelheden te versnellen. De NOCSAE kogel is geïnstrumenteerd wet drieassige versnellingsmeters aan het zwaartepunt. De kogel met helm combinatie wordt vervolgens afgezet bij specifieke snelheden op een stalen aambeeld bedekt met een 12,7 mm dikke harde rubber Modular Elastomer Programmer (MEP) pad. Bij een botsing, wordt de momentane versnelling geregistreerd en SI waarden worden berekend. Deze SI waarden worden vergeleken met een pass / fail criterium over een verscheidenheid van de vereiste invloed locaties en snelheden en twee temperaturen, met inbegrip van omgevings- en hoge temperatuur effecten. Als de resulterende SI waarde voor eventuele gevolgen inbreuk maakt op de drempel, dan is de helm zal niet de test.

Een aparte standaard testmethode wordt gebruikt voor voetbal faceguard certificering. De NOCSAE voetbal faceguard standaard omvat structurele integriteit analyse alsmede de beoordeling van het effect verzwakking prestaties van de faceguard, kinband, en de bevestiging van systemen. Elke impactmeting moet onder 1200 SI zijn om de test te slagen, zonder gezicht contact en no mechanische falen van een onderdeel, zoals gedefinieerd door de NOCSAE Standard. 19

Er is een voorgestelde extra NOCSAE-test (Linear Impactor (LI)) 20 dat de helm met de faceguard omvat, maar is het niet geschikt voor het voetbal helm certificering, omdat het een kroon effect niet kan toegeven. De LI maakt gebruik van een pneumatische ram om de impact van een helm gepositioneerd op een NOCSAE kogel uitgerust met een hybride III dummy nek gemonteerd op een lineair lager tafel om hoekversnelling induceren. Om deze reden is de LI-test is een extra test om de huidige twin-wire NOCSAE valtest procedure en niet een vervanging. 20, 21 In plaats van de LI testen, stellen we voor om gewoon nog twee scenario's toe te voegen aan de huidige twin-wire valtest procedure.

De NOCSAE standaard testmethode voor de certificering van voetbalhelmen omvat momenteel zes voorgeschreven invloed locaties en één willekeurige gevolgen locatie. De voorgeschreven gevolgen locaties zijn de volgende: Front (F), Receptie Boss (FB), Side (S), Achter (R), achter Boss (RB) en Top (T). De willekeurige botslocatie test kan een regio te selecteren vanaf elk punt binnen het afgebakende aanvaardbare invloedsgebied van de helm. De impact locaties voor onze gewijzigde NOCSAE druppel toren tests omvatten het vervangen van de eerder gedefinieerde front en front Boss invloed locaties met wat werd genoemd als het Front Top (FT) en Front Top Boss (FTB) gevolgen locaties. Onze front Top en Front Top Boss invloed locaties zijn identiek aan de gevolgen voor en rechtsvoor Boss locaties van de NOCSAE standaard voor Lacrosse helmen, die ook de faceguard voor drop tests omvatten. 22 De helmschaal botslocaties, inclusief de voor- en vervangen Voor Boss locaties, zijn weergegeven in figuur 1. Daarnaast is de gewijzigde helm testmethode van onze huidige studie omvat twee faceguard IMPACt locaties die werden uitgeroepen tot de FG voor- en FG Bottom. De twee locaties faceguard effecten zijn identiek aan de vereiste effecten locaties voor de NOCSAE faceguard certificatieprocedures. De acht botslocaties voor het gewijzigde NOCSAE slagproeven van deze studie zijn weergegeven in figuur 2.

Figuur 1
Figuur 1: Geschatte gevolgen locaties voor het voetbal helmen. De zes momenteel vereiste NOCSAE valtest helm invloed locaties, Front (F), Receptie Boss (FB), Side (S), Top (T), Achter (R), en achter Boss (RB), en de twee voorgestelde gevolgen locaties , Receptie Top (FT), en front Top Boss (FTB). Let op: de NOCSAE standaard testmethode voor beschermende hoofddeksels bevat geen front Top en Front Top Boss invloed locaties (in rood aangegeven tekst) en voor deze studie die ze vervangen de impact front en Front Boss locaties. (Afbeelding gewijzigd ten opzichte van NOCSAE DOC. 001-13m15b)

Figuur 2
Figuur 2: Gewijzigde NOCSAE daling testopstelling toont acht invloed locaties. Voorzijde Top, Receptie Top Boss, Side, Faceguard (FG) voor, achter, achter Boss, Top, en Faceguard Bottom (FB). Let op: de NOCSAE standaard omvat niet faceguard gehechtheid en hier Voor Top en Front Top Boss vervangt de standaard front en Front Boss invloed locaties. (Afbeelding gewijzigd ten opzichte van NOCSAE DOC. 002-11m12) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Helm ontwerpen zijn geleidelijk veranderd in de afgelopen tien jaar, terwijl de NOCSAE voetbal helm normen nooit faceguard met de h hebben opgenomenElmet in de evaluatie van de football helm prestaties specificaties. Terwijl onlangs een wijziging is gemaakt om een pas include / fail waarde van 300 SI voor de laagste snelheid impact (3,46 m / s), de algemene pass / fail-limiet van 1200 SI is niet veranderd sinds 1997. 17 Voorafgaand aan 1997, de NOCSAE gebruik gemaakt van een 1500 SI pass / fail criterium. Hodgson et al. (1970) is gebleken dat de SI-waarden van meer dan 1.000 is een gevaar voor het leven, terwijl de SI-waarden van 540 lineaire schedelbreuk in niet-gehelmde postmortale botsproeven hebben geproduceerd. 23 De meeste moderne voetbal helmen hebben aangetoond ruim onder de 1200 SI grens te passeren, maar niet alle onder de 540 SI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Opmerking: Het protocol voor de gepresenteerde testmethode wordt verwezen naar de volgende NOCSAE documenten (verkrijgbaar bij http://nocsae.org/): NOCSAE DOC.002-13m13: "Standard Performance SPECIFICATIE INZAKE nieuw vervaardigde voetbalhelmen" 18. NOCSAE DOC.011-13m14d: "Producenten PROCEDURELE GIDS VOOR product sample SELECTIE VOOR testen om NOCSAE NORMEN" 24. NOCSAE DOC.087-12m14: "STANDARD WIJZE VAN IMPACT-test en prestatie-eis VOOR VOETBAL faceguards" 25. NOCSAE DOC.100-96m14: "Problemen oplossen voor testapparatuur en botsproeven" 26. NOCSAE DOC.101-00m14a: "MATERIAAL kalibratieprocedures" 27

1. Test Setup

  1. Construct NOCSAE twin-wire daling sledesamenstel als bedoeld in artikel 15.1 van NOCSAE DOC. 001, 18 zoals weergegeven in figuur 5. Verifieer datalle componenten van de assemblage goed vastzitten.
  2. Bevestig de grootte van "grote" NOCSAE kogel aan de daling sledesamenstel door het gelijktrekken van de kogel kraag met de gewenste positie op de kogel rotator regelaar en door het aandraaien van de kogel met schroefdraad borgring.
    Opmerking: Als de kogel is nieuw of gerepareerd, zie hoofdstuk 5 van NOCSAE DOC. 100. 26
  3. Stevig te bevestigen de drie-assige versnellingsmeter om de accelerometer plaat gelegen in het centrum van de zwaartekracht van de kop. Plaats de versnellingsmeter in het midden van de versnellingsmeter plaat voering beide gaten in de versnellingsmeter de gaten in de plaat versnellingsmeter. Met behulp van een Allen schroevendraaier plaatst beide schroeven en draai ze met de klok mee totdat de accelerometer stevig is bevestigd aan de accelerometer plaat.
  4. Configureer het meetsysteem volgens de specificaties van de fabrikant. 28
    1. Aansluitingt de kabels voor de data-acquisitie montage.
      1. Sluit de accelerometer-kabel aan op de drie-weg coaxiale splitter, sluit vervolgens een coaxiale kabel aan op elke uitgang van de coaxiale splitter.
      2. Sluit het vrije uiteinde van iedere coaxiale kabel van de drie-weg coaxiale splitter een sensor invoerpoort voor kanalen 1, 2 en 3 aan de achterkant van de versterkermodule.
      3. Sluit een coaxiale kabels van de uitgangspoorten van de versterkermodule (kanalen 1, 2 en 3) naar ingangen op de voorzijde van het meetsysteem (kanalen 1, 2 en 3, respectievelijk).
      4. Sluit de splitsing einde van de RS-232-kabel aan de achterzijde connector van de data-acquisitie systeem.
      5. Sluit de resterende RS-232-kabel aan op COM-poort 1 van de Personal Computer (PC).
    2. Schakel de Personal Computer (PC) en login.
    3. Download en installeer de data-acquisitie systeem software op de computer.
    4. Zet de data-acquisitie montage:Steek de stekker in elk componenten 120 volt stopcontact op een stroombron, dan draait u de versterker tuimelschakelaar in de "on" positie.
    5. Dubbelklik op het programma-icoon data-acquisitie op het bureaublad om de software te openen.
    6. Observeer een prompt vraagt ​​om de module te controleren, klikt u op "ja".
    7. Laad de Test Setup File. Klik op het tabblad "Instellingen", scroll naar beneden naar "Open" en selecteer vervolgens "Test Setup".
      1. Blader door de computer directory, zoekt en selecteert u de test setup-bestand met het label "NOCSAE1.TSF". Klik op "Load".
    8. Voer sensor informatie voor de accelerometers.
      1. Klik op de gele Sensor Input pictogram voor kanaal 3 in de actieve module.
      2. Plaats de ijkwaarde (mV / G) voor de z-as accelerometer in de "CAL Value" tekstvak.
      3. Klik op de "PREV" te drukken.
      4. Herhaal stap 1.4.8.1 - 1.4.8.3 van de y-as versnellingsmeter (kanaal 2) en vooe x-assige versnellingsmeter (kanaal 1).
      5. Klik op het groene "Return" om de sensor af te sluiten.
    9. Klik op het icoon groen "Opslaan" en vervolgens de naam van de Test Setup als "NOCSAE-Jupiter".
    10. Klik op "save".

2. Helm Voorbereiding

  1. Selecteer de helm model voor botsproeven. Voor helm certificering, selecteert u monsters voor het testen volgens NOCSAE DOC.011. 24 Test het monster volgens tabel 1 en zoals weergegeven in figuren 1 en 2.
  2. Selecteer overeenkomstige faceguards voor elke geselecteerde helm model. Verschilt van de NOCSAE standaard, uit te voeren basis helm botsproeven met de basislijn faceguard voor dergelijke helm.
  3. Met behulp van een Philips schroevendraaier, stevig te bevestigen de juiste faceguard en al faceguard specifieke hardware om elk geselecteerd voor het testen van de helm. In tegenstelling tot de NOCSAE standaard test method, testen alle helmen met faceguards bevestigd.
  4. Voorwaarde helmen in de temperaturen volgens tabel 1, NOCSAE DOC. 002 7, en NOCSAE DOC.087 25 door ze bloot te stellen aan een laboratorium omgeving of klimaatkamer. Gedrag aanvankelijke helm valproeven bij omgevingstemperatuur.
    1. Verplaats geselecteerde helmen een laboratoriumomgeving, 72 ° C, ± 5 ° F (22 ° C ± 2 ° C), ten minste 4 uur voor de test.
    2. Als al omgevingstemperatuur effecten zijn uitgevoerd, bloot de helm aan het geconditioneerde temperatuur, volgens tabel 1, voor 4 maar niet langer dan 24 uur. 7
      Opmerking: Ten minste twee maar niet meer dan vier botslocaties die resulteren in de hoogste geregistreerde SI-waarden omgevingstemperatuur daalt wordt getest bij hoge temperatuur.

3. Calibration

  1. Voer hoofdprestatiecriterium Calibration: Elke kogel moet worden gekalibreerd voorafgaand aan het testen met behulp van de drie-assige versnellingsmeter, 3 "kalibratie MEP pad en neerzetten locaties / snelheden zoals vastgesteld door de jaarlijkse NOCSAE Calibration Pad Kwalificatie Rapport voor die specifieke kalibratie MEP pad.
    1. Stevig te bevestigen 3 "Calibration MEP pad om het aambeeld met behulp van een inbussleutel.
    2. Met behulp van de jaarlijkse NOCSAE Calibration Pad Kwalificatie Report, selecteer een impact locatie en de bijbehorende botssnelheid.
    3. Met behulp van de kogel rotator assemblage en aambeeld geleiderail, passen kogel met aambeeld om het gewenste effect oriëntatie (voor-, zij- of boven). Zie tabel 1, bijlage 2 van NOCSAE DOC. 001, 18 en NOCSAE DOC. 100. 26
      1. Verwijder de taper-loc donderslag bij de kogel rotator assemblage en oriënteren de kogel insteller om bolt-gaten in de gewenste positie te lijnen. Invoegen en veilig fasten de taper-loc bout.
      2. Draai de kogel met schroefdraad slot ring en draai de kogel neus positie om de vereiste richting. Draai de kogel met schroefdraad borgring.
      3. Draai de twee grondplaat-aambeeld bouten en schuif het aambeeld tot gewenste effect locatie is bereikt. Draai basis plaat- aambeeld bouten en ervoor zorgen dat alle aansluitingen goed vastzitten.
    4. Hechten vrijlating systeem om sledesamenstel laten vallen. Til de daling sledesamenstel op de hoogte van de release systeem. Centreer de release systeem om zijn bevestigingspunt op het drop sledesamenstel dan draait u de schakelaar voor de vrijlating systeem elektromagnetische naar de "On" positie.
    5. Hef dalen sledesamenstel op de specifieke hoogte vastbesloten om het gewenste effect te bereiken snelheid. Opmerking: specifieke hoogten kan per systeem door wrijvingscontact variaties. Bijkomende invloeden moet worden uitgevoerd variërende hoogte die de juiste snelheid een inkomendechieved.
    6. Klaar voor de data-acquisitie systeem voor de registratie van een evenement (volgens de fabrikanten specificaties 28).
      1. Laad de Test Setup File. Klik op het tabblad "Test", en klik vervolgens op "Gegevens verzamelen".
      2. Blader door de computer directory, zoekt en selecteert u de test setup-bestand met het label "NOCSAE-JoVE.TSF". Klik op "Load".
      3. Klik op "OK".
      4. Typ een test omschrijving "Beschrijving" dialoogvenster en druk op de toets "Tab".
      5. Zorg voor een 5 karaktertest ID, Type "JoVE1" en klik op "Verder".
      6. Klik op "Doorgaan".
      7. Let op de instrumentatie warming up. Zodra de teller 15 s bereikt heeft, klikt u op "Doorgaan".
      8. Observeer het systeem automatisch uitvoeren versnellingsmeter kalibratie. Zodra alle vakjes groen gekleurd zijn, klikt u op "doorgaan".
    7. Met behulp van de release systeem, laat de wagen assembly en leiden tot de data-acquisitie systeem om de gebeurtenis vast te leggen door tegelijkertijd flippen beide schakelaars op de release systeem power control box.
    8. Bereken en noteer de resulterende SI waarde. Zorg ervoor dat het resultaat is 1200 SI ± 2%.
    9. Herhaal stappen 3.4.2-3.4.8 totdat resultaten worden verkregen voor elk van de drie vereiste botslocaties.
      Opmerking: Calibration pads moet jaarlijks opnieuw gekwalificeerd op het laboratorium gespecificeerd door NOCSAE.
  2. Voer een systeemcontrole en de resultaten te handhaven. (zie paragraaf 18, NOCSAE DOC.001 18)

4. Testing Procedure

  1. Voer een systeemcontrole en de resultaten te handhaven.
  2. Ruil de MEP-pad wordt gebruikt voor de kalibratie van de MEP-test pad.
  3. Geselecteerde locatie en snelheid voor het testen volgens tabel 1 effect.
    Opmerking: Effecten worden uitgevoerd van laagste druppelsnelheid naar de hoogste. Omgevingstemperatuur effecten should worden uitgevoerd voordat geconditioneerde gevolgen.
  4. Pas de kogel oriëntatie en aambeeldpositie om de gewenste locatie te bereiken effect, zoals weergegeven in figuren 1 en 2 en volgens de stappen in paragraaf 3.
  5. Selecteer helm voor het testen.
  6. Goed passen de geselecteerde helm aan de kogel volgens de helm fabrikanten montage-instructies en NOCSAE procedures. Pas en veilig op de helmen chinstrap aan de kop.
    Let op: Als gevolg van de extra beperkingen van de faceguard, kan een lichte toepassing van talkpoeder te helpen bij het aanbrengen van de helm aan de kop.
  7. Bevestig release system mechanische naar sledesamenstel laten vallen.
  8. Hef dalen sledesamenstel op de specifieke hoogte vastbesloten om het gewenste effect te bereiken snelheid.
  9. Klaar voor de data-acquisitie systeem voor de registratie van een evenement. Herhaal de stappen 3.4.1 tot 3.4.8.
  10. Met behulp van de release systeem mechanisch neerzetten van de carrileeftijd montage en tegelijkertijd leiden tot de data-acquisitie systeem om de gebeurtenis vast te leggen.
  11. Onmiddellijk na de inslag, opnemen SI, HIC, en de piek versnelling resultaten.
  12. Vergelijk de opgenomen resultaten pass / fail criteria. Verschilt van de NOCSAE Standard, stelt een pass / fail waarde van 700 SI voor alle 5,46, 4,88 en 4,23 m / sec effecten. Handhaving van de pass / fail criterium van 300 SI voor alle 3,46 m / sec effecten.
  13. Herhaal stap 4,3-4,11 totdat resultaten worden verkregen voor alle benodigde effecten.
    Opmerking: Het is acceptabel om alle helmen voor een bepaald effect locatie te testen voordat u kogel oriëntatie en aambeeld positie.
  14. Voer een systeemcontrole na voltooiing van het testen en de resultaten te handhaven.
  15. Gegevensvalidatie: Vergelijk pre-test en post-test systeem controleert en ervoor te zorgen dat elke variatie is 7% of minder.

Figuur 1
Tafel 1:Voetbal helm valtest matrix tonen vereist gevolgen voor druppel snelheid (m / sec) en de impact locatie. (Tabel gewijzigd ten opzichte van NOCSAE DOC. 002-13m13) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Een gedetailleerde kwantitatieve analyse van de resultaten van deze methodologie werd door Rush et al. (ingediend) Een samenvatting van de resultaten en de bijbehorende effectiviteit van een gekoppelde faceguard-shell helm testmethode wordt weergegeven in valtest resultaten met behulp van Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D en Xenith X2 helmen als voorbeelden. Elk van deze helmen (van grootte "grote") met faceguards getoonde verschillende resultaten in vergelijking met helmen zonder faceguards. Figuur 3 plots relatief het SI-waarden van elk voorbeeld helm met en zonder de faceguard voor het Front Top, Receptie Top Boss, Top, Side, achter, en achter Boss invloed locaties een botssnelheid van 5,46 m / s. Terwijl de gemiddelde SI voor elk van deze drie opeenvolgende impacts (90 ± 15 s) ruim onder de NOCSAE 1200 Drempelwaarde elke helm toonde een unieke locatie-afhankelijke respons wanneer de faceguard werd vastgemaakt. Tabel 2 illustreert verder het belang van deze zelfde slagproeven door het weergeven gemiddelde verschillen (MD) met Root Squared fouten (RSE) de Head Injury Criterion (HIC), Severity Index (SI) en resulterende piekversnelling (G) waarden met en zonder faceguard configuraties. Hier wordt een kleinste kwadraten regressie van variantie analyse werd gebruikt voor P-waardeberekeningen geeft significante verschillen (p <0,05) voor helmen met en zonder faceguards aangesloten tijdens het testen. Naast veranderingen in HIC, SI en piek G, werden verschillen in impulsieve reacties waargenomen wanneer de faceguards toegevoegd aan deze helm voorbeelden. Figuur 4 toont valtest resultaten van de Xenith X2 helm met faceguard zonder faceguard op 4,88 m / s, met een verschil in acceleratie-tijdsverloop profiel voor elke gemeten as (X, Y en Z). Ook werd waargenomen dat de resultaten waren sterk afhankelijk van het type helm, impact location, en botssnelheid.

figuur 3
Figuur 3: Drop-test. Representatieve valtest resultaten van Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D en Xenith X2 helmen bij 5,46 meter per seconde; tonen Severity Index (SI) per botslocatie want zonder faceguard (NOCSAE Standard) en met faceguard (w / FG) helm configuraties met standaard fout. Opmerking: FG Voor- en FG Bottom directe faceguard effecten worden niet getoond. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4: NOCSAE valtest. De resultaten van de Xenith X2 helm (Top) met faceguard en zonder faceguard op 4,88 m / s, tonening verschil in acceleratie-tijdsverloop profiel voor elke gemeten as (X, Y en Z). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 5
Tabel 2: Representatieve valtest. De resultaten van Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D en Xenith X2 helmen op 5,46 m / s. Resultaat Mean Difference (MD) in Head Injury Criterion (HIC), Severity Index (SI), en de piek resulterende versnelling (G's) waarden voor met en zonder faceguard configuraties over voorzijde Top (FT), Receptie Top Boss (FTB), Top ( T), Side (S), achter (R), en achter Boss (RB) gevolgen locaties. Opmerking: Weergegeven waarden vertegenwoordigen gemiddelde verschillen en Root Squared Fouten (RSE) met betrekking tot het zonder faceguard configuratie voor drie opeenvolgende botsingen met tussenpozen van 90 ±15 s. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 5
Figuur 5: Schematische voorstelling van twin-wire valtest rig. Het schema toont elke component van de mechanische assemblage met instillatie beperkingen. Elk onderdeel wordt aangeduid met een nummer dat overeenkomt met een deel beschrijving zoals die in de lijst van materialen. Raadpleeg de lijst van materialen. (Afbeelding van NOCSAE DOC. 001-13m15b) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De gemelde methodiek die koppels NOCSAE voetbal helm en faceguard daling botsproeven biedt een unieke techniek om een ​​betere prestatie-eigenschappen van het moderne voetbal helmen te beoordelen. De meest kritische stappen voor het evalueren van deze betere prestaties kenmerk van het moderne voetbal helmen zijn de volgende: 1) correct instellen van de mechanische testapparaat; 2) nauwkeurig uitvoeren van de kalibratie procedures; en 3) op de juiste bevestiging van de helm / faceguard aan de kop.

Deze methode vereist een goede testopstelling en kalibratie procedures. Er inherente variabiliteit tussen elke NOCSAE kogel als gevolg van beperkingen in het productieproces, dat porositeit in de polymere materialen omvatten. NOCSAE bestrijdt dit unieke variabiliteit door een proces van normalisatie via kogel calibratieprocedures gebruik en jaarlijks opnieuw gecertificeerd kalibratie MEP pad. Het is dus steeds belangrijker dat aanvullende variant niet wordt ingeleid door ensijdens dat de mechanische testopstelling goed en stevig wordt gehandhaafd. Voor de proef is het belangrijk dat de schroefdraad kogel kraag en kogel rotator en drop slotbouten worden gecontroleerd en vastgedraaid. Helm-kogel positionering en kinband fit moet voorafgaand aan elke druppel proef worden gecontroleerd. Tijdens de botsing, kan de helm verschuiven, die aanvaardbaar is, maar moet worden aangepast.

Naast het testen van de procedures instelling en kalibratie, kerfslagproeven vereist een goede voorbereiding helm. Faceguard selectie en correcte bevestiging van helm / faceguard om de kogel is een cruciaal onderdeel van de testprocedure. Voor algemene helm testen, moet een baseline faceguard model worden geselecteerd en stevig bevestigd aan alle faceguard specifieke hardware. Typisch een basislijn faceguard wordt gedefinieerd als degene die de minimale hoeveelheid gezichtsbescherming, niet met inbegrip van kicker-stijl faceguards biedt. Als gevolg van de variabiliteit in de moderne helm design en de toegevoegde constraigen van de faceguard component, kunnen aanvullende procedures nodig zijn voor een goede helm kogel attachment. In het algemeen moet faceguards stevig zijn bevestigd aan de helm voor het inbrengen op de kop. Sommige helmen kunnen gedeeltelijke bevestiging van de faceguard aan de helm die vervolgens wordt bevestigd op de helm-kogel inbrengen vereisen. Een lichte toepassing van talkpoeder om de kogel kan helpen in de helm bevestiging. Voor andere problemen wordt verwezen naar de NOCSAE gids oplossen van problemen testapparatuur en botsproeven (ND.087-12m14).

De testprocedure vereiste aanpassing van NOCSAE standaard botslocaties, teneinde rekening te houden met de toevoeging van de faceguard tijdens het testen. De impact locaties voor de huidige daling van de toren tests omvatten het vervangen van de NOCSAE standaard front en Front Boss met het Front Top en Front Top Boss invloed locaties en inclusie van Faceguard Voor- en Faceguard Bottom locaties. Figuur 3 toont de SI levels op verschillende effecten locaties, waaronder de twee voorgestelde nieuwe degenen. Bijvoorbeeld, de Riddell data, getoond in figuur 3, illustreert het punt dat de twee nieuwe plaatsen maken het grootste SI niveaus, hetgeen niet bekend anders zijn aangezien deze twee nieuwe tests niet de NOCSAE certificering vereist zijn. De eerste testen vastgesteld dat het Front Top en Front Boss waren beter effect plaatsen, omdat ze zouden invloed hebben op de helm in plaats van de faceguard. Deze sites zouden realistischer doordat directe shell-liner impacts terwijl nog met inbegrip van de beperkingen van de faceguard component. Faceguard directe effecten werden bereikt door de Faceguard voor- en Faceguard Bottom effecten, die identiek zijn aan de voorgeschreven botslocaties voor NOCSAE voetbal faceguard certificeringstests waren. De opname van deze twee effecten toegestaan ​​voor een verenigd voetbal helm en faceguard valtest procedure. Deze faceguard effecten vereist het uitwisselenvan de test MEP de faceguard MEP en bijkomende milieuvoordelen conditioneringsprocedures, zoals afgebeeld in tabel 1.

Representatieve valtest resultaten laten zien dat voetbal helmen faceguards moeten hebben gehecht tijdens het testen. Vergelijkende daling testresultaten bleek dat de faceguard voegt een verstijving kinematische constraint aan de schaal dat de totale energie-absorptie vermindert. Figuur 3 en tabel 2 vertonen verschillen in de SI niveaus in botslocaties voor helmen in NOCSAE standaard (zonder faceguard) en gemodificeerd met faceguard configuraties. In vergelijking met de huidige NOCSAE testmethode, voetbal helmen getest met de faceguard bijgevoegde toont unieke reacties die afhankelijk zijn van het type helm, die kan verschillen per botslocatie zijn. De verschillen in deze reacties kunnen worden geaccrediteerd voor de shell- faceguard koppelingen, die afhankelijk zijn van unieke design features van de helm wordt getest zijn. de Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, werden Schutt Ion 4D en Xenith X2 helmen gebruikt voor representatieve resultaten, omdat deze helmen karakteriseren een aantal van de nieuwste innovaties in de helm technologie. Elk van deze helmen verschillen sterk door hun unieke design kenmerken, zoals faceguards, faceguard bevestigingssystemen, kinband bevestigingssystemen en liner systemen. Zoals weergegeven in tabel 2, deze representatieve resultaten tonen significante verschillen (p <0,05) in HIC, SI en piekversnelling waarden die afhankelijk zijn van het type helm, botslocatie en faceguard configuratie. Bovendien verschillen acceleratie-profiel tijdsverloop werden ook waargenomen. Een voorbeeld van een dergelijke reactie is te zien in figuur 4, waarbij de triaxiale acceleratieresponsie (voor X, Y en Z-as) van de Xenith X2 helm op 4,88 m / sec Top effect vertoonde een 40 G dip in de X-as versnelling wanneer de faceguard niet gehecht was. Door de extra beperking datde faceguard brengt aan de helm, de versnelling duik was onbestaand voor dezelfde impact als de faceguard was verbonden aan de schelp. Meer in het bijzonder, wanneer de faceguard niet was opgenomen, de behuizing van polycarbonaat in de buurt van de impact punt kon meer buigen en dus meer energie te absorberen. Toen de faceguard werd opgenomen, zou de behuizing van polycarbonaat niet zo veel buigen. De opname van de faceguard tijdens de botsproeven is bedoeld om nauwkeuriger na te bootsen op het veld belastingsomstandigheden.

De voorgestelde testmethode wordt een stringentere certificatie beperken ten opzichte van de huidige NOCSAE standaard. In onze voorgestelde testmethode voor 5,46, 4,88 en 4,23 m / s gevolgen, adviseren wij de NOCSAE commissie een nieuwe veilige lagere SI niveau op basis van Hodgson et al. (1970) werk.

Als daaruit voortvloeiende SI waarde voor iemand invloed is groter dan deze respectieve drempels, dan is de test is vastbesloten om een ​​mislukking. representatieve resULT (figuur 3) tonen aan dat SI-waarden 5,46 m / s van al getest in deze studie helmen duidelijk onder de huidige 1200 SI NOCSAE pass / fail criteria voor deze effecten. Bijkomende schade metrics van HIC en de piek resulterende versnelling is opgenomen in tabel 2, nog geen certificering grenzen werden gegeven op deze statistieken. Toekomstige helm certificering grenzen moeten tewerkstelling van meerdere verwondingen metrische pas onderzoeken / fail criteria.

De laatste factor voor een verbeterde helm testnorm zou zijn om standaard testresultaten op een manier die het mogelijk maken een speler om een ​​geïnformeerd besluit over helm selectie te maken publiceren. Voor veel spelers, het uiterlijk is vaak de belangrijkste factor bij het kiezen van een voetbal helm / faceguard combinatie. Zwaardere grill-type faceguard zijn ook steeds meer dominant op het voetbalveld vandaag vermoedelijk om deze reden. Deze zwaardere faceguards verschuiving van het zwaartepunt van de atleten kop en voeg een extra moment arm induceren van een schadelijke koppel tijdens schuin helm helm effecten. Het is dus steeds belangrijker om de systematische respons helmen en voor de speler om te weten hoe deze zwaardere faceguards invloed helm prestaties begrijpen. Toekomstige helm certificering moeten fabrikanten te verplichten om de grootte en faceguard specifieke helm testresultaten weer te geven.

Deze meldde testprocedures dienen als een effectieve oplossing die de mogelijkheid hebben om een ​​betere prestatie-eigenschappen van de huidige en toekomstige voetbal helm systemen te beoordelen maakt. De testmethode hierin gedefinieerd is bedoeld om een ​​wijziging van de huidige NOCSAE tweeaderige valtest procedure die inherent beperkt prestatietests daarvan, bedoeld lineaire acceleratie letsel gebaseerde criteria. Terwijl momenteel in gebruik en gemakkelijk beschikbaar is, kan deze twin-wire testapparaat niet gemeten hoekversnelling. In vergelijking met de bestaande methoden, dit gemeld footballhelm testmethode geeft een accurate voorstelling van de prestaties van een helm en het vermogen om het veld impact ervan.

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