Las pruebas de impacto modificados Torre de las gotas para los cascos de fútbol americano

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

Motivación
El objetivo principal de este método de ensayo modificado torre de caída es representar más de cerca los impactos sobre el terreno del sistema de casco de fútbol americano y promover las normas de seguridad mejoradas. El método de ensayo implicaba puede proporcionar conocimiento de los cascos de respuesta sistemática necesaria para desarrollar con eficacia mejorada tocados para la prevención de la conmoción cerebral. La aparición de las conmociones cerebrales ha plagado persistentemente deportes de contacto, como el fútbol americano. Sólo en los Estados Unidos, las conmociones cerebrales relacionadas con el deporte se ha estimado que se produzca entre 1,6 y 3,8 millones de veces cada año. 1 Un jugador de fútbol puede tener más de 1.500 impactos en la cabeza de cada temporada. 2, 3 Si bien la magnitud de los impactos más puede ser sub-conmoción, la acumulación de estos impactos puede conducir a daño cerebral a largo plazo debido a una dolencia neurodegenerativa impacto inducido conocida como encefalopatía traumática crónica (CTE). 4CTE está vinculada a una acumulación de la proteína tau en el cerebro, lo que lleva a la pérdida de la memoria, el comportamiento y cambios en la personalidad, síndrome de Parkinson, y habla y alteraciones de la marcha que a veces ha llevado al suicidio. 5 cascos de fútbol han hecho algunos avances tecnológicos en los últimos 15 años, pero los cascos más avanzados de hoy en día aún no mitigan completamente todas las fuerzas incidentes en el casco y, por lo tanto, los atletas que incurra en las conmociones cerebrales. Un estudio realizado por Bartsch et al. 6 mostraron que en muchos casos la cabeza dosis de impacto y los riesgos de lesiones de cabeza, mientras que el uso de cascos Leatherhead época eran comparables a los que llevan los cascos 21 ampliamente utilizados del siglo XXI, que ilustran la necesidad de una mejora en los estándares de diseño y pruebas de cascos de fútbol. En particular, la certificación NOCSAE 7 no requiere la Visera para ser incluidos en los ensayos de caída para el casco. La rigidez añadida por tque Visera conectado al casco cambiaría drásticamente la respuesta mecánica en general. El presente estudio implica un método para proporcionar más robustos estándares de seguridad casco que servirían como una fuerza impulsora para promover diseños de cascos más seguros.

Fondo
Lesiones en la Cabeza Métrica
Los mecanismos biológicos exactos relacionados con conmociones cerebrales permanecen sin identificar. Mientras tanto se ha trabajado en el intento de cuantificar las tolerancias de lesiones en la cabeza varias métricas de lesiones, el desacuerdo ha surgido en la comunidad biomédica respecto a estos criterios. Se supone que estos mecanismos de lesión de relacionarse con varias entidades: la aceleración lineal, aceleración rotacional, la duración del impacto, y los impulsos. 8, 9, 10, 11 Varios criterios de lesiones se han utilizado para definir una conmoción cerebral como una medida de la aceleración lineal. La curva de tolerancia Wayne State (WSTC) 12, 13, 14 se desarrolló para predecir fractura de cráneo para los accidentes de automóviles durante un impacto frontal mediante la definición de un límite de curva de umbral para la aceleración lineal frente a la duración del impacto. WSTC ha servido como base para otros criterios de lesiones tales como el Índice de Gravedad (IG) 11 y la lesión en la cabeza Criterio (HIC), 15 que son los dos criterios más utilizados. El SI y HIC tanto la fuerza del impacto medida basada en las integrales ponderados de los perfiles de tiempo de aceleración lineal. Si bien estos criterios definen umbrales para la aceleración lineal, se han propuesto otros criterios para tener en cuenta la aceleración de giro, como el índice de Head potencia de impacto. 8, 10, 16 normas de ensayo casco de hoy a menudo utilizan un criterio de lesión en base al estado de Wayne ParaCurva lerancia (a saber HIC o SI) o el criterio de pico de aceleración o en algunos casos ambas. Si bien se necesitan algunas modificaciones para añadir aceleración angular de los criterios de rendimiento estándar, los criterios lineales basados ​​en la aceleración siguen siendo dominantes.

En este estudio, los parámetros utilizados para evaluar la seguridad relativa que cada casco se estuvieron las aceleraciones resultantes de pico, valores SI, y de HIC. De estos indicadores sólo el SI se utiliza para la evaluación en el actual Comité Nacional de Normas de funcionamiento de las normas de equipamiento para atletismo (NOCSAE) casco de fútbol americano. El SI se basa en la siguiente ecuación,

Ecuación 1 (1)

donde A es la aceleración de traslación del centro de gravedad (CG) de la cabeza, y t es la duración de aceleración. 11, 17 de la IS se calculó de acuerdo to normas NOCSAE 18, en el que el cálculo está limitada por un umbral de 4 G a lo largo de la curva de aceleración resultante. Los valores HIC se calcularon mediante la siguiente ecuación,

Ecuación 1 (2)

donde a es la aceleración de traslación del CG de la cabeza, y t 1 y t 2 son los tiempos inicial y final, respectivamente, de la frecuencia con la que HIC alcanza un valor máximo. Todos los valores calculados de HIC en este estudio fueron HIC 36, donde la duración del intervalo de tiempo está limitado a 36 ms.

Normas de ensayo Casco de fútbol americano NOCSAE
NOCSAE general
En 1969 se formó NOCSAE para desarrollar normas de funcionamiento de cascos de fútbol americano / faceguards y otros equipos deportivos con el objetivo de reducir las lesiones relacionadas con el deporte. 17 Las normas casco de fútbol americano NOCSAE fueron desarrollados por el Dr. Voigt Hodgson 9 de la Wayne State University para reducir lesiones en la cabeza mediante el establecimiento de requisitos de atenuación de impacto y la integridad estructural de fútbol Cascos / faceguards. Estas normas incluyen un casco de fútbol americano prueba de certificación y procedimientos de rectificación anual para los cascos. En 2015, NOCSAE implementó un programa de garantía de calidad que requiere el uso de un determinado Instituto Americano de Estándares Nacionales (ANSI) organismo acreditado para la certificación casco.

Método de prueba NOCSAE
El NOCSAE casco de fútbol americano estándar no incluye los ensayos de cascos con faceguards en que exige su remoción se llevan a cabo antes de las gotas de casco. Las normas de ensayo casco NOCSAE 17 utilizan un impactador gota gemelo que se basa en la gravedad para acelerar la cabeza de ensayo y la combinación de casco para las velocidades de impacto requeridas. La forma de cabeza NOCSAE se instrumenta wacelerómetros triaxiales ITH en el centro de gravedad. La combinación de pieza y el casco se deja caer luego a velocidades específicas sobre un yunque de acero cubierto con una almohadilla de 12,7 mm de espesor de caucho duro modular elastómero programador (MEP). Tras el impacto, la aceleración instantánea se registra y valores del IE se calculan. Estos valores de IE se comparan contra un pasa / no pasa criterio sobre una variedad de lugares requeridos de impacto y las velocidades y las dos temperaturas, incluyendo ambiente y los impactos de alta temperatura. Si el valor resultante de la IS para cualquier impacto viola el umbral, el casco no pasará la prueba.

Un método de prueba estándar separado se utiliza para la certificación máscara?. La norma NOCSAE máscara? Incluye el análisis estructural integridad, así como la evaluación del rendimiento de amortiguación de impacto de la Visera, carrillera, y sus sistemas de fijación. Cada medición de impacto debe estar por debajo de 1.200 SI para pasar la prueba, sin contacto facial y no mefallo mecá- de cualquier componente, tal como lo define la Norma NOCSAE. 19

Hay una prueba NOCSAE adicional propuesto (Linear impactador (LI)) 20 que incluye el casco con la Visera, pero no es apropiado para la certificación casco de fútbol americano, ya que no puede admitir un efecto corona. El LI utiliza un pistón neumático para impactar un casco colocado en un simulador de cabeza NOCSAE equipado con un cuello maniquí Hybrid III montado en una mesa de cojinete lineal con el fin de inducir la aceleración angular. Por esta razón la prueba LI es una prueba adicional para el gemelo de procedimiento actual prueba de caída NOCSAE y no un reemplazo. 20, 21 En lugar de las pruebas de LI, se propone añadir simplemente dos escenarios más al procedimiento actual prueba de caída de doble alambre.

El método de prueba estándar para la certificación de NOCSAE cascos de fútbol actualmente incluye seis loca impacto prescritociones y un lugar de impacto al azar. Los lugares de impacto prescritos son los siguientes: frontal (F), frente Boss (FB), lateral (S), atrás (R), Jefe posterior (RB) y superior (T). La prueba de punto de impacto al azar puede seleccionar una región de cualquier punto dentro de la zona de impacto definida aceptable del casco. Los lugares de impacto para nuestras pruebas torre de caída NOCSAE modificados incluyen la sustitución de los lugares de impacto frontal y delantera de Boss previamente definidos con lo que fue nombrado como el Mejor delantero (FT) y los lugares de impacto frontal Parte superior de Boss (FTB). Nuestros lugares de impacto frontal superior y frontal superior de Boss son idénticos a los lugares de impacto frontal y delantera derecha de Boss de la norma NOCSAE de Lacrosse Cascos, que también incluyen la Visera para pruebas de caída. 22 Los lugares de impacto, bóveda, incluyendo las localizaciones del frente y de frente de Boss reemplazados, se representan en la Figura 1. Además, el método de ensayo modificado del casco de nuestro presente estudio incluye dos IMPAC faceguardt lugares que fueron nombrados el Frente FG y FG inferior. Los dos lugares impactos Visera son idénticos a los lugares de impacto requeridas para los procedimientos actuales de certificación faceguard NOCSAE. Los ocho lugares de impacto para las pruebas de impacto NOCSAE modificados de la presente estudio se muestran en la Figura 2.

Figura 1
Figura 1: lugares de impacto aproximados de los cascos de fútbol. Los seis que actualmente se exige ubicaciones NOCSAE casco prueba de caída de impacto, adelante (F), frente Boss (FB), secundarios (S), Top (T), atrás (R), y el jefe trasero (RB), y los dos lugares de impacto propuesto , Front Top (FT), y el Frente top Boss (FTB). Nota: el método de prueba estándar para NOCSAE casco protector no incluye frontal superior y lugares de impacto frontal Parte superior de Boss (indicado en rojo) y para este estudio que sustituye a los lugares de impacto frontal y delantera jefe. (Imagen modificada de NOCSAE DOC. 001-13m15b)

Figura 2
Figura 2: Modificado configuración de prueba de caída NOCSAE mostrando ocho lugares de impacto. Frente superior, frontal top Boss, lateral, Visera (FG) frontal, trasero, Jefe trasera, parte superior, inferior y Visera (FB). Nota: el estándar NOCSAE no incluye datos adjuntos faceguard y aquí frontal superior y frontal top Boss reemplazar los lugares de impacto estándar delanteros y el Frente jefe. (Imagen modificada de NOCSAE DOC. 002-11m12) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

diseños de cascos han cambiado progresivamente en la última década, mientras que las normas casco de fútbol americano NOCSAE nunca han incluido la Visera con el hELMET en la evaluación de las especificaciones de rendimiento casco de fútbol americano. Si bien, recientemente una enmienda haya sido hecha para incluir un pasa / no pasa valor de 300 SI para los impactos de velocidad más baja (3,46 m / s), el pase generales / Falla límite de 1.200 SI no ha cambiado desde 1997. 17 Antes de 1997, la NOCSAE utiliza un 1,500 SI pasa / no pasa criterio. Hodgson et al. (1970) ha demostrado que los valores de SI mayor que 1000 es un peligro para la vida, mientras que los valores de SI 540 han producido fracturas de cráneo lineales en las pruebas de impacto de cadáveres no con casco. 23 La mayoría de los cascos de fútbol modernos han demostrado que pasar por debajo del límite de 1.200 SI, pero no todas por debajo de 540 SI.

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Protocol

Nota: El protocolo para el método de prueba presentada se refiere a los siguientes documentos NOCSAE (disponibles en http://nocsae.org/): NOCSAE DOC.002-13m13: "ESPECIFICACIONES DE RENDIMIENTO DE NORMA PARA cascos de fútbol de nueva fabricación" 18. NOCSAE DOC.011-13m14d: "FABRICANTES DE PROCEDIMIENTO PARA LA SELECCIÓN GUÍA DE MUESTRA DE PRODUCTOS DE NORMAS pruebas para NOCSAE" 24. NOCSAE DOC.087-12m14: "ESTÁNDAR DE PRUEBA MÉTODO DE IMPACTO Y requisito de ejecución para FÚTBOL FACEGUARDS" 25. NOCSAE DOC.100-96m14: "Búsqueda de problemas en equipos de prueba y ensayo de impacto" 26. NOCSAE DOC.101-00m14a: "Procedimientos de calibración del equipo" 27

Configuración 1. Prueba

  1. Construir NOCSAE conjunto de caída carro de doble alambre como se define en la Sección 15.1 del NOCSAE DOC. 001, 18 como se representa en la Figura 5. Comprueba esotodos los componentes del conjunto están bien sujetos.
  2. Una el tamaño "grande" NOCSAE simulador de cabeza contra el conjunto del carro gota a alinear el cuello simulador de cabeza con la posición deseada en el regulador simulador de cabeza de los rotadores y apretando el anillo de bloqueo simulador de cabeza roscada.
    Nota: Si el simulador de cabeza es nuevo o reparado, consulte la Sección 5 de NOCSAE DOC. 100. 26
  3. Fije firmemente el acelerómetro triaxial a la placa acelerómetro situado en el centro de gravedad de la cabeza de ensayo. Coloque el acelerómetro en el centro de la placa de acelerómetro alineando los dos agujeros en el acelerómetro con los orificios en la placa de acelerómetro. El uso de un destornillador de cabeza Allen insertar los dos tornillos y apretarlos en sentido horario hasta que el acelerómetro está montado firmemente a la placa acelerómetro.
  4. Configurar el sistema de adquisición de datos de acuerdo con las especificaciones del fabricante. 28
    1. conexionest los cables para el montaje de adquisición de datos.
      1. Conectar el cable de acelerómetro para el divisor de tres vías coaxial, a continuación, conectar un cable coaxial a cada salida del divisor coaxial.
      2. Conectar el extremo libre de cada cable coaxial de la de tres vías divisor coaxial a un puerto de entrada de sensor para los canales 1, 2 y 3 se encuentra en la parte posterior del módulo amplificador.
      3. Conectar un cable coaxial a partir de los puertos de salida del módulo de amplificación (canales 1, 2 y 3) a las conexiones de entrada en la parte frontal del sistema de adquisición de datos (canales 1, 2, y 3, respectivamente).
      4. Conecte el extremo partido del cable RS-232 al conector posterior del sistema de adquisición de datos.
      5. Conectar el cable RS-232 restantes al puerto COM 1 de la computadora personal (PC).
    2. Encienda el ordenador personal (PC) y de inicio de sesión.
    3. Descargar e instalar el software del sistema de adquisición de datos en el ordenador.
    4. Encienda el ensamblaje de adquisición de datos:Conecte cada salida voltios componentes 120 en una fuente de energía, a continuación, activa el interruptor del amplificador de palanca en la posición "on".
    5. Haga doble clic en el icono del programa de adquisición de datos que se encuentra en el escritorio para abrir el software.
    6. Observar un mensaje que le pregunta para comprobar el estado del módulo, haga clic en "sí".
    7. Cargar el archivo de configuración de prueba. Haga clic en la pestaña "Configuración", vaya a "Abrir" y luego seleccione "Configuración de la prueba".
      1. Navegar por el directorio del ordenador, localice y seleccione el archivo de configuración de la prueba con la etiqueta "NOCSAE1.TSF". Haga clic en "Cargar".
    8. Introduzca la información del sensor de los acelerómetros.
      1. Haga clic en el icono de entrada del sensor de color amarillo para el canal 3 en el módulo activo.
      2. Introduzca el valor de calibración (mV / G) para el acelerómetro del eje z en el cuadro de texto "CAL Valor".
      3. Haga clic en el botón "PREV".
      4. Repetir los pasos 1.4.8.1 - 1.4.8.3 para el acelerómetro del eje Y (canal 2) y para THe-eje x acelerómetro (canal 1).
      5. Haga clic en el icono verde "Volver" para salir del sensor.
    9. Haga clic en el icono verde "Guardar" y luego el nombre de la configuración de la prueba como "NOCSAE-JoVe".
    10. Clic en Guardar".

2. Preparación del casco

  1. Seleccione el modelo de casco para las pruebas de impacto. Para la certificación de casco, seleccione muestras para pruebas de acuerdo con NOCSAE DOC.011. 24 Prueba de la muestra de acuerdo con la Tabla 1 y como se representa en las figuras 1 y 2.
  2. Seleccionar correspondientes faceguards para cada modelo de casco seleccionado. A diferencia de la norma NOCSAE, llevar a cabo las pruebas de impacto casco de bases con la Visera de base para dichos casco.
  3. Con un destornillador Philips, sujete firmemente el faceguard correcta y todo el hardware específico faceguard a cada casco seleccionado para las pruebas. En contraste con la metho prueba estándar NOCSAEd, probar todos los cascos con faceguards adjuntos.
  4. Cascos de condiciones en las temperaturas de acuerdo con la Tabla 1, NOCSAE DOC. 002 7, y NOCSAE DOC.087 25 al exponerlos a un entorno de laboratorio o cámara ambiental. Llevar a cabo las pruebas iniciales de caída casco a temperatura ambiente.
    1. Mueva cascos seleccionados a un entorno de laboratorio, 72 ° F, ± 5 ° F (22 ° C, ± 2 ° C), al menos 4 horas antes de la prueba.
    2. Si se han realizado todos los impactos de la temperatura ambiente, exponer el casco a la temperatura acondicionado, de acuerdo con la Tabla 1, para 4, pero no más de 24 horas. 7
      Nota: Por lo menos dos pero no más de cuatro lugares de impacto que resultan en el SI alto registrado valores para las caídas de temperatura ambiente serán probados a alta temperatura.

3. calibración

  1. Realizar impacto con una cabeza de Calibración: Cada cabeza de ensayo debe ser calibrado antes de la prueba utilizando el acelerómetro triaxial, ubicaciones "cojín y colocar 3 calibración MEP / velocidades como se apuntaba en el informe anual NOCSAE Pad Calibración de clasificación para ese base de calibración específica MEP.
    1. Fije firmemente "almohadilla 3 Calibración MEP al yunque con una llave Allen.
    2. Uso del panel de clasificación Informe anual NOCSAE calibración, seleccione un punto de impacto y la correspondiente velocidad de impacto.
    3. Utilizando el conjunto de cabeza de ensayo de los rotadores y el carril guía yunque, ajuste simulador de cabeza y el yunque a la orientación impacto deseado (frontal, lateral o superior). Consulte la Tabla 1, Apéndice 2 de NOCSAE DOC. 001, 18 y DOC NOCSAE. 100. 26
      1. Retire el perno cónico-loc desde el conjunto de cabeza de ensayo de los rotadores y orientar el ajustador simulador de cabeza para alinear agujeros de perno en la posición deseada. Insertar y segura fasten el perno cónico-loc.
      2. Aflojar el anillo de bloqueo roscado simulador de cabeza y rotar la posición simulador de cabeza de la nariz a la orientación requerida. Apriete firmemente el anillo de bloqueo simulador de cabeza roscada.
      3. Aflojar los tornillos de la placa de yunque-dos de base y deslice el yunque hasta que se logra la ubicación impacto deseado. Apretar los pernos de base de yunque Plate y asegurar que todas las conexiones estén bien sujetos.
    4. Adjuntar sistema de liberación para soltar el conjunto del carro. Levante el conjunto de caída carro a la altura del sistema de liberación. Centrar el sistema de liberación a su punto de fijación del conjunto del carro caída y luego la vuelta el interruptor de palanca para el sistema de liberación electromagnética a la posición "On".
    5. Elevar deje caer el conjunto del carro a la altura específica determinada para alcanzar la velocidad de impacto deseado. Nota: Las alturas específicas pueden variar para cada sistema debido a las variaciones de fricción. Los impactos adicionales pueden necesitar ser llevado a cabo variando la altura para asegurar la velocidad de entrada correcta es unachieved.
    6. Ready el sistema de adquisición de datos para el registro de un evento (de acuerdo con las especificaciones de fabrica 28).
      1. Cargar el archivo de configuración de prueba. Haga clic en la pestaña "Test" y, a continuación, haga clic en "Recoger datos".
      2. Navegar por el directorio del ordenador, localice y seleccione el archivo de configuración de la prueba con la etiqueta "NOCSAE-JoVE.TSF". Haga clic en "Cargar".
      3. Haga clic en Aceptar".
      4. Escriba un "Descripción" cuadro de diálogo Descripción de la prueba y presione la tecla "Tab".
      5. Proporcionar un ID de prueba de 5 caracteres, escriba "JoVE1" y haga clic en "Continuar".
      6. Haga clic en "Continuar".
      7. Observar la instrumentación de calentamiento. Una vez que el contador ha alcanzado los 15 s, haga clic en "Continuar".
      8. Observar el sistema de realizar la calibración automática acelerómetro. Una vez que todas las cajas son de color verde, haga clic en "continuar".
    7. El sistema de desbloqueo, la caída de montaje d carroY y activar el sistema de adquisición de datos para registrar el evento por voltear simultáneamente los dos interruptores de palanca situados en la caja de control de potencia del sistema de liberación.
    8. Calcular y registrar el valor SI resultante. Asegúrese de que el resultado es SI 1.200 ± 2%.
    9. Repetir los pasos 3.4.2-3.4.8 hasta que se obtienen los resultados para cada uno de los tres lugares de impacto requeridas.
      Nota: Las almohadillas de calibración deben ser recalificados anualmente en el laboratorio especificado por NOCSAE.
  2. Realizar una comprobación del sistema y mantener los resultados. (véase la Sección 18, NOCSAE DOC.001 18)

4. Procedimiento de prueba

  1. Realizar una comprobación del sistema y mantener los resultados.
  2. Intercambiar la almohadilla MEP utilizada para la calibración de la almohadilla de prueba MEP.
  3. Cambiar el lugar de impacto y la velocidad de ensayo de acuerdo con la Tabla 1.
    Nota: Los impactos deben llevarse a cabo desde la más baja velocidad de caída de la más alta. impactos de temperatura ambiente Should llevarse a cabo antes de impactos condicionados.
  4. Ajuste correctamente la posición de orientación simulador de cabeza y el yunque para lograr la ubicación impacto deseado, tal como se representa en las figuras 1 y 2, y de acuerdo con los pasos descritos en la sección 3.
  5. Seleccionar casco para la prueba.
  6. ajuste correctamente el casco a la cabeza simulada seleccionada de acuerdo con los fabricantes de casco de ajuste instrucciones y procedimientos NOCSAE. Ajuste y sujetan bien los cascos de barbijo a la cabeza simulada.
    Nota: Debido a las restricciones adicionales de la Visera, una ligera aplicación de polvos de talco puede ayudar en la colocación del casco a la cabeza simulada.
  7. Adjuntar sistema de liberación mecánica para colocar el conjunto del carro.
  8. Elevar deje caer el conjunto del carro a la altura específica determinada para alcanzar la velocidad de impacto deseado.
  9. Listo el sistema de adquisición de datos para el registro de un evento. Repita los pasos 3.4.1 a través de 3.4.8.
  10. Utilizando el sistema de liberación mecánica caer el carriconjunto de edad y, simultáneamente, activar el sistema de adquisición de datos para grabar el evento.
  11. Inmediatamente después del impacto, ficha SI, HIC, y los resultados de los picos de aceleración.
  12. Comparación de los resultados registrados de pasa / falla criterios. A diferencia de la Norma NOCSAE, establecer un pasa / no pasa valor de 700 SI para todos 5.46, 4.88, y 4.23 impactos m / seg. Mantener la pasa / no pasa criterio de la IS 300 para todos los impactos 3,46 m / seg.
  13. Repita los pasos 4.3 a 4.11 hasta obtener resultados para todos los efectos requeridos.
    Nota: Es aceptable para poner a prueba todos los cascos para un lugar determinado impacto antes de cambiar la orientación de cabeza y la posición del yunque.
  14. Realizar una comprobación del sistema tras la finalización de la prueba y mantener los resultados.
  15. La validación de datos: Comparación de pre-test y comprobaciones del sistema de post-ensayo y garantizar que cualquier variación es del 7% o menos.

Figura 1
Tabla 1:matriz de ensayo de caída casco de fútbol americano que muestra los efectos requeridos por la velocidad de caída (m / seg) y el punto de impacto. (Tabla modificada de NOCSAE DOC. 002-13m13) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Representative Results

Un análisis cuantitativo detallado de los resultados para esta metodología se presentó de Rush et al. (presentado) Un resumen de los resultados y la eficacia asociada de un casco de la metodología de prueba faceguard-shell acoplada se muestra en los resultados de resistencia a las caídas utilizando Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, y cascos X2 Xenith como ejemplos. Cada uno de estos cascos (de tamaño "grande") con faceguards muestran resultados diferentes si se compara con los cascos sin los faceguards. La Figura 3 representa gráficamente los valores comparativamente SI de cada casco de ejemplo, con y sin la Visera para el Top delantero, delantero top Boss, superior, lateral, trasero, y los lugares de impacto de Boss posterior a una velocidad de impacto de 5,46 m / s. Mientras que el valor medio de la IS para cada uno de estos tres impactos consecutivos (90 ± 15 s) estaba muy por debajo del umbral de la IS NOCSAE 1200, cada casco está representada una respuesta única dependiente del lugar cuando el faceguard se adjunta. La Tabla 2 ilustra además la importancia de estas mismas pruebas de impacto mediante la visualización de las diferencias de medias (DM) con raíz cuadrada errores (RSE) para la lesión en la cabeza Criterio (HIC), Índice de Gravedad (IG), y aceleración resultante pico (G) los valores de la y sin configuraciones Visera. En este caso, se utilizó una regresión de mínimos cuadrados mediante análisis de varianza para el cálculo del valor P que muestran diferencias significativas (p <0,05) para los cascos con y sin faceguards adjuntos durante la prueba. Además de los cambios en la HIC, SI, y el pico G, se observaron diferencias en las respuestas impulsivas cuando se añadieron los faceguards a estos ejemplos de casco. La figura 4 muestra los resultados de pruebas caen del casco Xenith X2 con faceguard y sin faceguard a 4,88 m / s, mostrando una diferencia en el perfil de la historia-tiempo de aceleración para cada eje de medición (X, Y y Z). Se observó también que los resultados fueron fuertemente dependiente de tipo casco, locat impactoion, y velocidad de impacto.

figura 3
Figura 3: Prueba de caída. resultados de las pruebas gota representativas de cascos en 5,46 metros por segundo Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, y Xenith X2; mostrando Índice de Gravedad (IG) por punto de impacto ya que sin faceguard (NOCSAE estándar) y con faceguard (w / FG) configuraciones de casco con un error estándar. Nota: FG frontal y los impactos directos Visera de fondo FG no se muestran. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4: ensayo de caída NOCSAE. Los resultados del casco Xenith X2 (arriba) con y sin faceguard faceguard a 4,88 m / s, espectáculoing una diferencia en el perfil de la historia-tiempo de aceleración para cada eje de medición (X, Y y Z). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5
Tabla 2: Ensayo de caída Representante. Resultados de Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, y cascos Xenith X2 a 5.46 m / s. Mostrando Diferencia de medias (DM) en Head Injury Criterion (HIC), Índice de Gravedad (IG), y la aceleración resultante pico de valores (de G) para con y sin configuraciones Visera a través del frente superior (FT), Front top Boss (FTB), Top ( T), lateral (S), atrás (R), y los lugares de impacto trasero de Boss (RB). Nota: Los valores que se muestran representan las diferencias de medias y errores raíz cuadrada (RSE) con respecto a la configuración sin faceguard por tres impactos consecutivos con intervalos de 90 ±15 s. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5
Figura 5: Esquema del banco de pruebas de gemelo. El esquema muestra cada componente del conjunto mecánico con las limitaciones de la instilación. Cada componente se denota con un número que se corresponde con una descripción de la pieza que figuran en la lista de materiales. Consulte la lista de materiales. (Imagen de NOCSAE DOC. 001-13m15b) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

La metodología informado de que las parejas NOCSAE pruebas de impacto casco de fútbol americano y soltar faceguard ofrece una técnica única para evaluar mejor las características de rendimiento de los cascos de fútbol modernos. Los pasos más críticos para evaluar esto mejor característica de rendimiento de cascos de fútbol modernos son los siguientes: 1) establecer correctamente el dispositivo de prueba mecánica; 2) llevar a cabo con precisión los procedimientos de calibración; y 3) unir adecuadamente el casco / faceguard a la cabeza simulada.

Esta metodología requiere procedimientos de configuración de ensayo y de calibración adecuados. Hay una variabilidad inherente entre cada cabeza de ensayo NOCSAE debido a las limitaciones en el proceso de fabricación, que incluyen la porosidad de los materiales poliméricos. NOCSAE combate esta variabilidad única por un proceso de normalización a través de procedimientos de calibración utilizando simulador de cabeza y recertificado al año base de calibración MEP. Por lo tanto, es cada vez más importante que la variación adicional no es introducido por ensurante el que el conjunto de prueba mecánica se mantiene adecuada y segura. Antes de las pruebas, es importante la forma de cabeza de cuello roscado y rotadores simulador de cabeza y colocar los pernos del carro se comprueban y bien apretados. posicionamiento casco de cabeza y la carrillera ajuste deben ser revisados ​​antes de cada prueba de caída. Durante el impacto, el casco puede cambiar, lo cual es aceptable, pero puede ser necesario ajustar.

Además de probar los procedimientos de configuración y calibración, pruebas de impacto requiere una preparación casco protector. Visera de la selección y correcta fijación del casco / faceguard a la cabeza simulada es una parte crítica del procedimiento de prueba. Para el ensayo general de casco, un modelo faceguard línea de base debe ser seleccionado y la fijación segura de todo el hardware específico faceguard. Normalmente, un faceguard línea de base se define como aquella que ofrece la cantidad mínima de protección facial, sin incluir faceguards de estilo golpeador. Debido a la variabilidad en el diseño de casco moderno y el constrai añadidon id del componente faceguard, pueden ser necesarios procedimientos adicionales para la fijación correcta casco simulador de cabeza. En general, faceguards deben estar bien sujetos al casco antes de su inserción en la cabeza simulada. Algunos cascos pueden requerir unión parcial de la Visera para el casco que a continuación se fija en la inserción casco simulador de cabeza. Una ligera aplicación de polvos de talco a la cabeza simulada puede ayudar en la fijación de casco protector. Por otra solución de problemas, consulte la guía de solución de problemas NOCSAE para equipos de prueba y ensayo de impacto (ND.087-12m14).

El procedimiento de ensayo requerida modificación de NOCSAE lugares de impacto estándar, con el fin de dar cuenta de la adición de la faceguard durante la prueba. Los lugares de impacto de las presentes pruebas torre de caída incluyen la sustitución de la norma NOCSAE frontal y frontal Protuberancia con los lugares de impacto frontal superior y frontal superior de Boss y la inclusión de la parte delantera y Visera Visera de ubicaciones de fondo. Figura 3 muestra el lev SIels en diferentes lugares de impacto, incluyendo las dos nuevas propuestas queridos. Por ejemplo, los datos de Riddell, que se muestra en la Figura 3, ilustra el punto de que las dos nuevas ubicaciones incurren en los niveles más altos de la IS, que de otro modo no habrían sido conocidos ya que no se les ha exigido estas dos nuevas pruebas para la certificación NOCSAE. La prueba inicial determinó que la parte superior frontal y delantera jefe eran sitios de impacto más adecuados ya que impactarían la carcasa del casco en lugar de la Visera. Estos sitios serían más realista al permitir que los impactos directos de concha de revestimiento mientras sigue incluyendo las limitaciones de la componente faceguard. Visera de impactos directos se lograron mediante la inclusión de los impactos inferior delantera y Visera Visera, que eran idénticos a los lugares de impacto prescritos para las pruebas de certificación máscara? NOCSAE. La inclusión de estos dos impactos permitidos para un procedimiento de ensayo casco de fútbol americano y soltar faceguard unificado. Estos impactos Visera requieren el intercambiodel MEP prueba con el MEP faceguard y procedimientos adicionales de acondicionamiento ambiental, tal como es representado en la Tabla 1.

resultados de la prueba de caída representativos muestran que los cascos de fútbol deberían haber unido faceguards durante la prueba. resultados de la prueba de caída comparativos revelaron que el faceguard añade una restricción cinemática de rigidez a la cáscara que disminuye la absorción total de energía. Figura 3 y la Tabla 2 muestra las diferencias en los niveles de la IS a través de sitios de impacto para cascos en la norma NOCSAE (sin faceguard) y el modificado con configuraciones Visera. En comparación con el método corriente de prueba NOCSAE, cascos de fútbol comprobados con la faceguard adjunta muestra las respuestas únicas que dependen del tipo de casco, que puede variar según el lugar del impacto. Las diferencias en estas respuestas pueden ser acreditados en los acoplamientos Visera de conchas, que dependen de las características de diseño únicas del casco se está probando. el RawlinGS Quantum Plus, Riddell 360, se utilizaron Schutt Ion 4D y Xenith cascos X2 para obtener resultados representativos, ya que estos cascos caracterizan algunas de las últimas innovaciones en tecnología de casco. Cada uno de estos cascos varían de manera significativa por sus características de diseño únicas que incluyen faceguards, sistemas de fijación faceguard, sistemas de fijación de barbijo y sistemas de revestimiento. Como se muestra en la Tabla 2, estos resultados representativos muestran variaciones significativas (p <0,05) en la HIC, SI, y los valores de aceleración máxima que dependen del tipo de casco, lugar de impacto y la configuración faceguard. Además, también se observaron diferencias en el perfil de la historia de los tiempos de aceleración. Un ejemplo de una respuesta de este tipo puede verse en la Figura 4, donde la respuesta de aceleración triaxial (para X, Y y Z) del casco Xenith X2 en a / impacto 4,88 m sec Top muestran un G dip 40 en la aceleración del eje X cuando no estaba al lado de la Visera. Debido a la restricción adicional de quela faceguard trae a la carcasa del casco, la inmersión en la aceleración era inexistente para el mismo impacto cuando el faceguard estaba unido a la carcasa. Más específicamente, cuando no se incluyó el faceguard, la carcasa de policarbonato cerca del punto de impacto podría flexionar más y así absorber más energía. Cuando se incluyó la Visera, la carcasa de policarbonato no se flexione tanto. La inclusión de la faceguard durante la prueba de impacto se pretende imitar con mayor precisión las condiciones de carga del campo de juego.

Nuestro método de ensayo propuesto utiliza un límite de certificación más estrictas en comparación con el estándar NOCSAE actual. En nuestro método de prueba propuesto para todas las 5,46, 4,88 y 4,23 m / s impactos, se recomienda que el comité NOCSAE crear un nuevo nivel inferior SI segura basada en Hodgson et al. (1970) trabajo.

Si algún valor SI resultante de cualquier impacto es mayor que estos respectivos umbrales, entonces la prueba se determina que es un fracaso. res representativosULTS (Figura 3) muestran que los valores de SI 5,46 m / s de todos los cascos probados en este estudio están muy por debajo de la corriente de 1.200 SI NOCSAE pasa / no pasa criterio para tales impactos. Métricas de lesiones adicionales de aceleración resultante de HIC y el pico se incluyen en la Tabla 2, sin embargo, no hay límite de certificación se dan en estas métricas. valores límite de certificación casco futuros deben investigar el empleo de múltiples lesiones pase métrica / falla criterios.

El último factor para un casco estándar de prueba mejorada sería publicar resultados de las pruebas estándar de una manera que permita a un jugador para tomar una decisión informada sobre la selección de casco. Para muchos jugadores, la apariencia es a menudo el factor más importante al seleccionar una combinación del casco de fútbol / faceguard. Más pesado de tipo parrilla faceguard también son cada vez más dominante en el campo de fútbol de hoy, presumiblemente por esta razón. Estos faceguards más pesados ​​desplazar el centro de gravedad de la cabeza atletas y añaden un m adicionaloment brazo inducir momentos más perjudicial durante casco oblicua a los impactos del casco. Por lo tanto, es cada vez más importante entender la respuesta sistemática de los cascos y para el jugador para saber cómo estos afectan al rendimiento faceguards más pesados ​​casco. certificación casco futuras deben exigir a los fabricantes para mostrar el tamaño y resultados de la prueba de casco Visera específica.

Estos procedimientos de ensayo reportados sirven como una solución eficaz que permite la posibilidad de evaluar mejor las características de funcionamiento de los sistemas de casco de fútbol americano actuales y futuras. El método de prueba se define en el presente documento se pretende que sea una modificación al procedimiento de prueba de caída de corriente NOCSAE de doble alambre, lo que limita inherentemente pruebas de rendimiento de casco con los criterios de lesiones basadas en aceleración lineal. Si bien actualmente en uso y fácilmente disponible, este dispositivo de prueba de doble alambre no se puede medir la aceleración angular. En comparación con los métodos existentes, este método de prueba informó casco de fútbol americano da una más AccuraTe representación del rendimiento de un casco y su capacidad para mitigar el impacto sobre el terreno.

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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

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References

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