Modifié Tests Goutte Tour d'impact pour American Football Casques

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

Motivation
L'objectif principal de cette méthode d'essai de tour de chute modifiée est de représenter plus étroitement les impacts sur le terrain du système de casque de football américain et de promouvoir des normes de sécurité améliorées. La méthode d'essai entraîné peut fournir des connaissances des casques de réponse systématique nécessaire pour développer efficacement un casque amélioré pour la prévention des commotions cérébrales. L'apparition de commotions cérébrales a constamment en proie à des sports de contact, tels que football américain. Aux États-Unis seulement, les sports liés à des commotions cérébrales ont été estimées à produire 1,6 à 3,8 millions de fois par an. 1 Un joueur de football peut avoir plus de 1500 impacts tête chaque saison. 2, 3 Bien que l'ampleur de la plupart des impacts peut être sous-concussive, l'accumulation de ces impacts peut conduire à des lésions cérébrales à long terme en raison d'un impact induit maladie neurodégénérative appelée encéphalopathie traumatique chronique (CTE). 4CTE est liée à une accumulation de la protéine tau dans le cerveau, conduisant à la perte de mémoire, le comportement et le changement de la personnalité, le syndrome de Parkinson, et de la parole et des anomalies de la démarche qui a parfois conduit au suicide. 5 casques de football ont fait des progrès technologiques au cours des 15 dernières années, mais les casques les plus avancés , même aujourd'hui ne complètement atténuer pas toutes les forces incidentes sur le casque et , par conséquent, les athlètes engager encore des commotions cérébrales. Une étude menée par Bartsch et al. 6 a montré que , dans de nombreux cas , la tête des doses d'impact et les risques de blessures à la tête , tout en portant des casques de Leatherhead millésime étaient comparables à ceux qui portent les 21 e casques largement utilisés siècle, illustrant la nécessité d'améliorer les normes de casques de football conception et d' essai. En particulier, la certification NOCSAE 7 ne nécessite pas l'Ventaille être inclus dans les tests de chute pour le casque. La rigidité ajoutée de til Ventaille relié au casque changerait radicalement la réponse mécanique globale. La présente étude comporte une méthode pour fournir des normes de sécurité du casque plus robustes qui serviraient comme une force motrice pour promouvoir plus sûrs conceptions de casque.

Contexte
Head Injury Metrics
Les mécanismes biologiques exacts liés aux commotions cérébrales restent non identifiés. Bien que beaucoup de travail a été fait pour tenter de quantifier les tolérances de blessures à la tête par diverses mesures de blessures, le désaccord a surgi dans la communauté biomédicale au sujet de ces critères. Ces mécanismes de blessure sont censés se rapporter à plusieurs entités: accélération linéaire, l'accélération de rotation, la durée de l'impact, et l'impulsion. 8, 9, 10, 11 Plusieurs critères de blessures ont été utilisées pour définir une commotion cérébrale comme une mesure de l' accélération linéaire. La tolérance Curve Wayne State (WSTC) 12, 13, 14 a été développé pour prédire une fracture du crâne pour les accidents automobiles lors d' un choc frontal en définissant une limite de la courbe de seuil pour l' accélération linéaire par rapport à la durée de l' impact. WSTC a servi les bases pour d' autres critères de préjudice , tels que l'Indice de gravité (SI) 11 et le critère de blessure à la tête (HIC), 15 qui sont les deux critères les plus couramment utilisés. Le SI et HIC à la fois mesurer l'impact sur la base de la gravité intégrales pondérées des profils linéaires accélération-temps. Bien que ces critères définissent des seuils pour l'accélération linéaire, d'autres critères ont été proposées pour tenir compte de l'accélération de rotation, tels que l'indice Tête d'impact d'énergie. 8, 10, 16 normes d'essai du casque d'aujourd'hui utilisent souvent un critère de préjudice sur la base de l'État Wayne Pourlerance courbe (à savoir HIC ou SI) ou le critère d'accélération de pointe ou, dans certains cas, les deux. Bien que certaines modifications sont nécessaires pour ajouter une accélération angulaire des critères de performance standard, les critères sur la base d'accélération linéaire restent dominants.

Dans cette étude, les paramètres utilisés pour évaluer la sécurité relative que chaque casque fourni étaient les pics d'accélérations résultantes, les valeurs SI, et HIC. Parmi ces mesures que le SI est utilisé pour l'évaluation au sein du Comité national d'exploitation actuel sur les normes pour les normes Équipement Athletic (NOCSAE) casque de football. Le SI est basé sur l'équation suivante,

L'équation 1 (1)

où A est l'accélération en translation du centre de gravité (CG) de la tête, et t est la durée d'accélération. 11, 17 SI est calculée en fonction de to normes NOCSAE 18, où le calcul est limitée par un seuil de 4 G le long de la courbe d'accélération résultante. Les valeurs de HIC ont été calculées par l'équation suivante,

L'équation 1 (2)

a est l'accélération de translation du centre de gravité de la tête, et t 1 et t 2 sont les temps initial et final, respectivement, de l'intervalle auquel HIC atteint une valeur maximale. Toutes les valeurs de HIC calculées dans cette étude étaient HIC 36, où la durée de l'intervalle de temps est limitée à 36 ms.

Football Normes de test Casque NOCSAE
NOCSAE Vue d'ensemble
En 1969, NOCSAE a été formé pour élaborer des normes de performance pour les casques de football américain / faceguards et d'autres équipements de sport avec un objectif de réduction des blessures liées au sport. 17 Les normes pour les casques de football NOCSAE ont été développés par le Dr Voigt Hodgson 9 de Wayne State University à réduire les blessures à la tête en établissant des exigences pour l' atténuation de l' impact et de l' intégrité structurelle pour le football casques / faceguards. Ces normes pour les casques de football comprennent un test de certification et les procédures de recertification annuelles pour casques. En 2015, NOCSAE mis en œuvre un programme d'assurance de la qualité nécessitant l'utilisation d'un institut spécifique (American National Standards de ANSI) d'organisme agréé pour la certification du casque.

Méthode d'essai NOCSAE
Le NOCSAE Casque de football standard ne comprend pas les essais de casques avec faceguards car il demande leur suppression avant gouttes de casque sont menées. Les 17 normes d'essai NOCSAE casque utilisent un impacteur de goutte à double fil qui utilise la gravité pour accélérer la fausse tête et combinaison de casque pour les vitesses d'impact requises. La fausse tête NOCSAE est instrumenté waccéléromètres triaxiaux ith au centre de gravité. La combinaison de la tête factice et le casque est ensuite chuté à des vitesses spécifiques sur une enclume en acier recouvert d'un épais tapis de 12,7 mm en caoutchouc dur modulaire Elastomer Programmer (MEP). Lors de l'impact, l'accélération instantanée est enregistrée et les valeurs SI sont calculées. Ces valeurs SI sont comparés à une réussite / échec critère sur une variété d'endroits requis d'impact et des vitesses et deux températures, y compris ambiante et impacts à haute température. Si la valeur SI résultant pour tout impact dépasse le seuil, le casque ne passe pas le test.

Une méthode de test standard séparé est utilisé pour la certification football Ventaille. La norme NOCSAE football Ventaille comprend l'analyse de l'intégrité structurelle ainsi que l'évaluation de la performance d'atténuation de l'impact de l'Ventaille, jugulaire, et leurs systèmes de fixation. Chaque mesure de l'impact doit être inférieure à 1.200 SI pour passer le test, sans contact avec le visage et ne meéchec méca- de tout composant, tel que défini par la norme NOCSAE. 19

Il existe un test NOCSAE supplémentaire proposé (impacteur linéaire (LI)) 20 qui comprend le casque avec le masque facial, mais il ne convient pas pour la certification de casque de football , car il ne peut pas admettre un impact de la couronne. La LI utilise un vérin pneumatique à l'impact d'un casque placé sur une fausse tête NOCSAE muni d'un col factice hybride III monté sur une table de roulement linéaire afin d'induire une accélération angulaire. Pour cette raison, le test LI est un test supplémentaire à la double toile NOCSAE procédure de test de chute de courant et non un remplacement. 20, 21 au lieu des tests de LI, nous proposons d'ajouter simplement deux scénarios à la double fil procédure de test de chute de courant.

La méthode de test standard NOCSAE pour la certification des casques de football comprend actuellement six prescrit loca d'impacttions et un point d'impact aléatoire. Les emplacements d'impact prescrits sont les suivants: avant (F), avant Boss (FB), Side (S), arrière (R), patron arrière (RB), et Top (T). Le test de l'emplacement de l'impact aléatoire peut sélectionner une région d'un point quelconque dans la zone d'impact acceptable définie du casque. Les emplacements d'impact pour nos tests de la tour de chute NOCSAE modifiés comprennent le remplacement des lieux d'impact avant et avant Fondateur définies précédemment avec ce qui a été désigné comme le Haut Avant (FT) et le Front Top Boss (FTB) endroits d'impact. Nos avant Top et Front Top Fondateur des emplacements d'impact sont identiques à l'avant et avant droit Fondateur impact sur les emplacements de la norme NOCSAE pour lacrosse Casques, qui comprennent aussi le Ventaille pour des tests de chute. 22 Les emplacements d'impact de coquille du casque, y compris les emplacements avant et avant Fondateur remplacé, sont représentés sur la figure 1. En outre, la méthode d'essai du casque modifié de notre étude actuelle comprend deux IMPAC Ventaillet endroits qui ont été nommés le Front FG et FG Bottom. Les deux impacts endroits Ventaille sont identiques aux emplacements d'impact requis pour les procédures de certification Ventaille actuelles NOCSAE. Les huit emplacements d'impact pour les essais de choc NOCSAE modifiés de la présente étude sont présentés dans la figure 2.

Figure 1
Figure 1: Points d'impact approximatives des casques de football. Les six actuellement tenus NOCSAE drop casque de test emplacements d'impact, avant (F), avant Boss (FB), Side (S), Top (T), arrière (R), et Boss arrière (RB), et les deux emplacements d'impact proposées , avant Top (FT), et front Top boss (FTB). Remarque: la méthode de test standard NOCSAE pour casque de protection ne comprend pas avant Top et Front Top Fondateur des emplacements d'impact (indiqué en rouge) et pour cette étude, ils remplacent les lieux d'impact avant et avant de Boss. (Image modifiée de NOCSAE DOC. 001-13m15b)

Figure 2
Figure 2: modification NOCSAE configuration d'essai de chute montrant huit emplacements d'impact. Avant Top, avant Top Boss, Side, Ventaille (FG) avant, arrière, arrière Patron, Haut et Bas Ventaille (FB). Remarque: la norme NOCSAE ne comprend pas l'attachement de Ventaille et ici avant Top et Front Top patron remplacer les emplacements standard avant et avant Fondateur impact. (Image modifiée de NOCSAE DOC. 002-11m12) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

La conception des casques ont progressivement changé au cours de la dernière décennie, alors que les normes pour les casques de football NOCSAE ont jamais inclus le Ventaille avec l'hElmet pour évaluer les caractéristiques de performance du casque de football. Alors que, récemment , un amendement a été fait pour inclure une passe valeur de 300 SI pour les impacts de vitesse les plus bas (3,46 m / s), la passe générale / fail limite de 1.200 SI / échec n'a pas changé depuis 1997. 17 Avant 1997, le NOCSAE utilisé 1,500 SI pass / critère échouer. Hodgson et al. (1970) a montré que les valeurs SI de plus de 1000 est un danger pour la vie, tandis que les valeurs de SI 540 ont produit des fractures du crâne linéaires dans les tests d'impact cadavériques non casquées. 23 La plupart des casques de football modernes ont montré de passer bien au- dessous de la limite de 1.200 SI mais pas tous en dessous de 540 SI.

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Protocol

Remarque: Le protocole de la méthode d'essai présentée se réfère aux documents NOCSAE suivants (disponibles à http://nocsae.org/): NOCSAE DOC.002-13m13: "STANDARD SPÉCIFICATION DE PERFORMANCE POUR CASQUES DE FOOTBALL NOUVELLEMENT FABRIQUES" 18. NOCSAE DOC.011-13m14d: "FABRICANTS GUIDE RÉGLEMENTAIRE POUR LA SELECTION D'ECHANTILLON DE PRODUIT POUR L' ESSAI AUX NORMES NOCSAE" 24. NOCSAE DOC.087-12m14: "MÉTHODE STANDARD DE L' IMPACT D' ESSAI ET EXIGENCE DE FOOTBALL FACEGUARDS" 25. NOCSAE DOC.100-96m14: "GUIDE DE DÉPANNAGE DES ÉQUIPEMENTS D'ESSAI ET IMPACT TESTING" 26. NOCSAE DOC.101-00m14a: "Calibrage PROCÉDURES D'ÉQUIPEMENT" 27

Configuration 1. Test

  1. Construire NOCSAE bifilaire ensemble de chariot de chute tel que défini à la section 15.1 de NOCSAE DOC. 001, 18 comme représenté sur la figure 5. Vérifier quetous les composants de l'ensemble sont solidement fixés.
  2. Fixer la taille "large" NOCSAE fausse tête à l'ensemble de chariot de chute en alignant le col de la tête factice avec la position souhaitée sur le dispositif de réglage fausse tête des rotateurs et en serrant la bague de blocage de la tête factice filetée.
    Remarque: Si la fausse tête est neuf ou réparé, se référer à la section 5 de NOCSAE DOC. 100. 26
  3. Attachez solidement l'accéléromètre triaxial à la plaque de l'accéléromètre situé au centre de gravité de la fausse tête. Placer l'accéléromètre dans le centre de la plaque d'accéléromètre en alignant les trous de l'accéléromètre avec les trous dans la plaque de l'accéléromètre. L'utilisation d'un tournevis à tête Allen insérer les deux vis et les serrer dans le sens des aiguilles d'une montre jusqu'à ce que l'accéléromètre est monté solidement à la plaque de l'accéléromètre.
  4. Configurez le système d'acquisition de données selon les spécifications du fabricant. 28
    1. Connect les câbles de l'ensemble d'acquisition de données.
      1. Branchez le câble de l'accéléromètre à trois voies diviseur coaxial, puis connectez un câble coaxial à chaque sortie du diviseur coaxial.
      2. Connectez l'extrémité libre de chaque câble coaxial de la trois voies diviseur coaxial à un port d'entrée du capteur pour les canaux 1, 2 et 3 situé à l'arrière du module d'amplificateur.
      3. Connecter un câble coaxial à partir des ports de sortie du module amplificateur (canaux 1, 2 et 3) pour les connexions d'entrée à l'avant du système d'acquisition de données (voies 1, 2 et 3, respectivement).
      4. Connectez l'extrémité divisée du câble RS-232 au connecteur arrière du système d'acquisition de données.
      5. Branchez le câble RS-232 restants à Com Port 1 de l'ordinateur personnel (PC).
    2. Allumez l'ordinateur personnel (PC) et login.
    3. Téléchargez et installez le logiciel du système d'acquisition de données sur l'ordinateur.
    4. Puissance sur l'ensemble d'acquisition de données:Branchez chaque volts sortie 120 composants dans une source d'alimentation, puis l'interrupteur amplificateur bascule sur la position "marche".
    5. Double-cliquez sur l'icône du programme d'acquisition de données situé sur le bureau pour ouvrir le logiciel.
    6. Observer une invite demandant de vérifier l'état du module, cliquez sur «oui».
    7. Chargez le fichier de configuration de test. Cliquez sur l'onglet "Configuration", faites défiler jusqu'à «Ouvrir» puis sélectionnez «Configuration de test".
      1. Parcourir le répertoire de l'ordinateur, recherchez et sélectionnez le fichier de configuration de test marqué "NOCSAE1.TSF". Cliquez sur "Load".
    8. Entrez les informations du capteur pour les accéléromètres.
      1. Cliquez sur l'icône du capteur d'entrée jaune pour le canal 3 dans le module actif.
      2. Insérez la valeur d'étalonnage (mV / G) pour l'accéléromètre de l'axe z dans la zone de texte "CAL Value".
      3. Cliquez sur le bouton "PREV".
      4. Répétez les étapes 1.4.8.1 - 1.4.8.3 pour l'accéléromètre de l'axe y (canal 2) et pour ee axe x accéléromètre (canal 1).
      5. Cliquez sur l'icône verte "de retour" pour quitter le capteur.
    9. Cliquez sur l'icône verte "Enregistrer" et puis nommez la configuration de l'essai comme «NOCSAE-JoVE".
    10. Cliquez sur "enregistrer".

2. Casque Préparation

  1. Sélectionnez le modèle de casque pour les tests d'impact. Pour la certification du casque, sélectionnez échantillons pour tester selon NOCSAE DOC.011. 24 Test de l'échantillon selon le tableau 1 et comme cela est représenté sur les figures 1 et 2.
  2. Sélectionnez faceguards correspondant pour chaque modèle de casque sélectionné. A la différence de la norme NOCSAE, effectuer des tests d'impact du casque de base avec le masque facial de référence pour un tel casque.
  3. L'utilisation d'un tournevis cruciforme, fixer solidement le Ventaille correct et tout le matériel spécifique Ventaille à chaque casque sélectionné pour le test. Contrairement à la métho de test standard NOCSAEd, tester tous les casques avec faceguards attachés.
  4. Etat des casques dans les températures selon le tableau 1, NOCSAE DOC. 002 7, et NOCSAE DOC.087 25 en les exposant à un environnement de laboratoire ou de la chambre de l' environnement. Effectuer des tests initiaux de chute du casque à température ambiante.
    1. Déplacer les casques sélectionnés dans un environnement de laboratoire, 72 ° F ± 5 ° F (22 ° C ± 2 ° C), au moins 4 heures avant le test.
    2. Si tous les effets de la température ambiante ont été réalisés, exposer le casque à la température conditionnée, d' après le tableau 1, par 4 mais pas plus de 24 heures. 7
      Remarque: Au moins deux mais pas plus de quatre sites d'impact qui se traduisent par le SI le plus élevé enregistré des valeurs pour les chutes de température ambiante sera testé à haute température.

3. Calibration

  1. Effectuer la tête factice Etalonnage: Chaque tête factice doit être étalonné avant de tester en utilisant l'accéléromètre triaxial, 3 "pad calibration MEP et déposer endroits / vitesses identifiées par le rapport Pad NOCSAE Calibration Qualification annuelle pour ce pad spécifique calibration MEP.
    1. Attachez solidement 3 "pad Calibration MEP à l'enclume à l'aide d'une clé Allen.
    2. Utilisation du NOCSAE Calibration Pad Rapport annuel de qualification, sélectionnez un emplacement d'impact et la vitesse d'impact correspondante.
    3. Utilisation de l'assemblage fausse tête des rotateurs et rail de guidage enclume, ajuster fausse tête et l'enclume à l'orientation de l'impact désiré (avant, le côté ou en haut). Se reporter au tableau 1, annexe 2 du NOCSAE DOC. 001, 18 et NOCSAE DOC. 100. 26
      1. Retirez le boulon conique loc de l'ensemble tête factice des rotateurs et orienter le dispositif de réglage de la tête factice pour aligner trous de boulons à la position désirée. Insérer et en toute sécurité faSten le boulon conique loc.
      2. Desserrer la bague de blocage de la tête factice filetée et tourner la position de tête factice nez à l'orientation requise. Serrez la bague de blocage de la tête factice filetée.
      3. Desserrez les boulons de plaque d'enclume de deux bases et faites glisser l'enclume jusqu'à ce point d'impact souhaité est atteint. Serrer les boulons d'enclume des plaques et de base et faire en sorte que toutes les connexions sont bien fixées.
    4. Fixer le système de libération à déposer ensemble de chariot. Soulevez l'ensemble de chariot de chute à la hauteur du système de libération. Centrez le système de libération à son point sur l'ensemble de chariot de chute de fixation puis retournez l'interrupteur à bascule pour le système de libération électromagnétique à l'position «On».
    5. Soulever déposer ensemble de chariot à la hauteur spécifique déterminée pour atteindre la vitesse d'impact souhaité. Remarque: hauteurs spécifiques peuvent varier pour chaque système en raison des variations de frottement. peuvent avoir besoin d'impacts supplémentaires à effectuer une hauteur variable pour assurer la vitesse d'arrivée correcte est unchieved.
    6. Préparer le système d'acquisition de données pour enregistrer un événement (selon les spécifications du fabricant 28).
      1. Chargez le fichier de configuration de test. Cliquez sur l'onglet "Test", puis cliquez sur "Collect Data".
      2. Parcourir le répertoire de l'ordinateur, recherchez et sélectionnez le fichier de configuration de test marqué "NOCSAE-JoVE.TSF". Cliquez sur "Load".
      3. Cliquez sur "OK".
      4. Tapez une boîte de dialogue de description du test «Description» puis appuyez sur la touche «Tab».
      5. Fournir un 5 caractère essai ID, Type "JoVE1" et cliquez sur "Continuer".
      6. Cliquez sur "Continuer".
      7. Observer l'instrumentation échauffement. Une fois que le compteur a atteint 15 s, cliquez sur "Continuer".
      8. Observer le système effectuant automatiquement le calibrage de l'accéléromètre. Une fois que toutes les cases sont de couleur verte, cliquez sur «continuer».
    7. En utilisant le système de libération, déposez le assembl charioty et déclencher le système d'acquisition de données pour enregistrer l'événement en basculant simultanément les deux interrupteurs à bascule situés sur le boîtier de commande de puissance du système de libération.
    8. Calculer et enregistrer la valeur SI résultant. Vérifiez que le résultat est 1.200 SI ± 2%.
    9. Répéter les étapes 3.4.2-3.4.8 jusqu'à ce que les résultats sont obtenus pour chacun des trois emplacements d'impact requis.
      Remarque: Les plaquettes de calibrage doivent être requalifiés chaque année au laboratoire spécifié par NOCSAE.
  2. Effectuez une vérification du système et maintenir les résultats. (voir la section 18, NOCSAE DOC.001 18)

4. Procédure de test

  1. Effectuez une vérification du système et maintenir les résultats.
  2. Remplacez le tampon de MEP utilisé pour l'étalonnage pour le tampon de test MEP.
  3. Choisir un lieu d'impact et la vitesse de test selon le tableau 1.
    Note: Les impacts doivent être réalisées à partir de la vitesse de chute la plus basse à la plus élevée. effets de la température ambiante Should être menée avant que les impacts conditionnés.
  4. Réglez correctement la position d'orientation de la tête factice et l' enclume pour atteindre le point d'impact souhaité, comme représenté sur les figures 1 et 2 et selon les étapes de la section 3.
  5. Sélectionnez le casque pour les tests.
  6. ajuster correctement le casque sélectionné à la tête factice selon les fabricants de casques instructions de montage et procédures NOCSAE. Ajuster et attacher solidement les casques jugulaire à la tête factice.
    Remarque: En raison des contraintes supplémentaires du Ventaille, une légère application de poudre de talc peut aider à ajustement du casque à la tête factice.
  7. Fixer le système de déverrouillage mécanique à déposer ensemble de chariot.
  8. Soulever déposer ensemble de chariot à la hauteur spécifique déterminée pour atteindre la vitesse d'impact souhaité.
  9. Préparer le système d'acquisition de données pour enregistrer un événement. Répétez les étapes 3.4.1 à travers 3.4.8.
  10. En utilisant le système de déverrouillage mécanique tomber le carriEnsemble d'âge et simultanément déclencher le système d'acquisition de données pour enregistrer l'événement.
  11. Immédiatement après l'impact, record SI, HIC, et les résultats d'accélération de pointe.
  12. Comparez les résultats enregistrés à succès / échec critères. A la différence de la norme NOCSAE, définir une réussite / échec valeur de 700 SI pour tous les 5,46, 4,88 et 4,23 impacts m / sec. Maintenir la réussite / échec critère de 300 SI pour tous les impacts 3,46 m / sec.
  13. Répétez les étapes 04.03 à 04.11 jusqu'à ce que les résultats sont obtenus pour tous les impacts nécessaires.
    Remarque: Il est acceptable de tester tous les casques pour un emplacement d'impact donnée avant de changer l'orientation et la position fausse tête d'enclume.
  14. Effectuez une vérification du système à la fin de l'essai et de maintenir les résultats.
  15. La validation des données: Comparez pré-test et système vérifie post-test et de veiller à ce que toute variation est de 7% ou moins.

Figure 1
Tableau 1:casque de football matrice de test de chute montrant les impacts requis par la vitesse de chute (m / sec) et l'emplacement de l'impact. (Tableau modifié à partir de NOCSAE DOC. 002-13m13) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Representative Results

Une analyse quantitative détaillée des résultats pour cette méthodologie a été présentée par Rush et al. (soumis) Un résumé des résultats et de l'efficacité associée d'une méthodologie de test de casque Ventaille-shell couplé sont affichées dans les résultats des tests de chute en utilisant Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D et Xenith casques X2 comme exemples. Chacun de ces casques (de taille «grand») avec faceguards affichent des résultats différents par rapport aux casques sans les faceguards. Figure 3 parcelles relativement les valeurs SI de chaque exemple casque avec et sans le masque facial pour le Haut Avant, avant Top Boss, Top, Side, arrière et arrière Fondateur emplacements d'impact à une vitesse de 5,46 m / s impact. Alors que la valeur SI moyenne pour chacun de ces trois chocs consécutifs (90 ± 15 s) était bien au-dessous du seuil NOCSAE 1200 SI, chaque casque affiche une réponse dépendant de l'emplacement unique lorsque la faceguard était attaché. Le tableau 2 illustre en outre l'importance de ces mêmes tests d'impact en affichant les différences moyennes (MD) avec Racine Squared erreurs (RSE) pour le critère de blessure à la tête (HIC), Indice de gravité (SI), et l' accélération résultante maximale (G de) valeurs pour des et sans configurations de Ventaille. Ici, une régression des moindres carrés par analyse de la variance a été utilisée pour les calculs P-valeur présentant des différences significatives (p <0,05) pour les casques avec et sans faceguards attachés pendant le test. En plus des changements dans HIC, SI, et le pic G, les différences dans les réponses impulsives ont été observées lorsque les faceguards ont été ajoutés à ces exemples de casque. La figure 4 présente les résultats des tests chute du casque Xenith X2 avec Ventaille et sans Ventaille à 4,88 m / s, montrant une différence dans le profil de l' histoire accélération-temps pour chaque axe de mesure (X, Y et Z). On a également observé que les résultats sont fortement dépendants du type de casque, l'impact Locations et la vitesse d'impact.

figure 3
Figure 3: Essai de chute. les résultats des tests de chute représentatifs de Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D et Xenith X2 casques à 5,46 mètres par seconde; montrant l'Indice de gravité (SI) par emplacement d'impact sans Ventaille (NOCSAE Standard) et avec Ventaille (w / FG) configurations de casque avec erreur standard. Note: FG avant et impacts FG de Ventaille directs Bas ne sont pas représentés. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4: test de chute NOCSAE. Résultats du casque Xenith X2 (Top) avec masque facial et sans Ventaille à 4,88 m / s, spectaclement une différence dans le profil d'historique d'accélération-temps pour chaque axe de mesure (X, Y et Z). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Tableau 2: test de chute représentant. Résultats de Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, et des casques Xenith X2 à 5,46 m / s. Affichage différence moyenne (MD) dans Head Injury Criterion (HIC), Indice de gravité (SI), et l'accélération résultante maximale des valeurs (de G) pour, avec et sans configurations Ventaille à travers avant Top (FT), avant Top Boss (FTB), Top ( T), Side (S), arrière (R), et boss arrière (RB) endroits d'impact. Remarque: Les valeurs affichées représentent les différences moyennes et Root Squared erreurs (RSE) en ce qui concerne le sans configuration Ventaille pour trois impacts consécutifs avec des intervalles de 90 ±15 s. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5: Schéma de double toile banc d'essai de chute. Le schéma montre chaque composant de l'assemblage mécanique avec les contraintes de l'instillation. Chaque composante est notée avec un numéro correspondant à une description de la pièce identifiée dans la liste des matériaux. Reportez - vous à la liste des matériaux. (Image de NOCSAE DOC. 001-13m15b) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

La méthodologie a rapporté que les couples NOCSAE tests d'impact de casque de football et de chute de Ventaille offre une technique unique de mieux évaluer les caractéristiques de performance des casques de football modernes. Les étapes les plus critiques pour l'évaluation de cette meilleure caractéristique de performance des casques de football modernes sont les suivantes: 1) correctement mise en place du dispositif d'essai mécanique; 2) la réalisation précise des procédures d'étalonnage; et 3) attacher correctement le casque / masque facial à la tête factice.

Cette méthodologie nécessite des procédures appropriées de configuration et d'étalonnage test. Il existe une variabilité inhérente entre chaque tête factice NOCSAE en raison des limitations dans le processus de fabrication, qui comprennent la porosité dans les matériaux polymères. NOCSAE combat cette variabilité unique, par un processus de normalisation par le biais des procédures d'étalonnage de la tête factice à l'aide et chaque année recertifiée pad calibration MEP. Il est donc d'autant plus important que la variation additionnelle n'a pas été introduite par l'ensendant que l'ensemble de test mécanique est correctement et solidement maintenue. Avant l'essai, il est important que le collier de fausse tête filetée et rotateurs fausse tête et déposer les boulons de carrosserie sont vérifiés et bien serrés. positionnement Casque-tête factice et jugulaire ajustement doivent être vérifiés avant chaque essai de chute. Au cours de l'impact, le casque peut passer, ce qui est acceptable, mais il peut être nécessaire d'ajuster.

En plus de tester les procédures de configuration et d'étalonnage, les tests d'impact nécessite une préparation de casque approprié. sélection Ventaille et la fixation correcte du casque / masque facial à la fausse tête est une partie essentielle de la procédure de test. Pour le test général du casque, un modèle de Ventaille de base doit être sélectionné et solidement attaché avec tout le matériel spécifique Ventaille. Typiquement, un masque facial de base est défini comme celui qui offre la quantité minimale de protection du visage, ne comprenant pas faceguards kicker de style. En raison de la variabilité dans la conception du casque moderne et le constrai ajouténts de la composante Ventaille, des procédures supplémentaires peuvent être nécessaires pour la fixation correcte casque-tête factice. Généralement, faceguards doivent être solidement fixés au casque avant l'insertion sur la fausse tête. Certains casques peuvent nécessiter la fixation partielle du Ventaille au casque qui est ensuite fixé lors de l'insertion casque-tête factice. Une légère application de la poudre de talc à la tête factice peut aider à la fixation du casque. Pour les autres dépannage reportez-vous au guide de dépannage NOCSAE pour les équipements de test et d'essai d'impact (ND.087-12m14).

La procédure d'essai nécessaire modification des NOCSAE lieux d'impact standard, afin de tenir compte de l'ajout du masque facial pendant le test. Les emplacements d'impact pour les présents essais de la tour de chute comprennent le remplacement de la norme NOCSAE avant et avant patron avec le Front Top et Front Top Fondateur des emplacements d'impact et l'inclusion de Ventaille avant et Ventaille emplacements Bas. La figure 3 montre le lev SIels à différents endroits d'impact, y compris les deux nouvelles proposées. Par exemple, les données Riddell, représentées sur la figure 3, illustre le fait que les deux nouveaux emplacements encourent les plus grands niveaux SI, qui , autrement , ne seraient pas connues depuis ces deux nouveaux tests ne sont pas requis pour la certification NOCSAE. test initial a déterminé que le Haut Avant et Front Patron étaient des sites d'impact mieux adaptés car ils auraient un impact sur la coque du casque plutôt que le masque facial. Ces sites seraient plus réalistes en permettant des impacts directs shell-liner tout en incluant les contraintes de la composante Ventaille. Les impacts directs de Ventaille ont été atteints en incluant les impacts de fond Ventaille avant et Ventaille, qui étaient identiques aux emplacements d'impact prescrits pour les tests de certification Ventaille de football NOCSAE. L'inclusion de ces deux impacts autorisés pour un casque de football et la chute de Ventaille procédure de test unifiée. Ces impacts de Ventaille nécessaires échangedu MEP de test avec le MEP Ventaille et des procédures supplémentaires de conditionnement de l' environnement, comme décrit dans le tableau 1.

les résultats des tests de chute représentatifs montrent que les casques de football auraient faceguards fixé au cours des essais. les résultats des tests de chute comparatifs ont révélé que le Ventaille ajoute une contrainte cinématique de raidissement à la coquille qui diminue l'absorption totale d'énergie. Figure 3 et le tableau 2 montrent des différences dans les niveaux SI à travers des emplacements d'impact pour les casques à la norme NOCSAE (sans Ventaille) et la modification des configurations de Ventaille. Par rapport à la méthode actuelle de test NOCSAE, casques de football testés avec le Ventaille joint montre les réponses uniques qui dépendent du type de casque, qui peut varier selon le lieu d'impact. Les différences dans ces réponses peuvent être accrédités pour les couplages de Ventaille coquilliers, qui dépendent des caractéristiques de conception uniques du casque testé. Le Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D et Xenith casques X2 ont été utilisés pour obtenir des résultats représentatifs, comme ces casques caractérisent certaines des dernières innovations en matière de technologie de casque. Chacun de ces casques varient considérablement par leurs caractéristiques de conception uniques, y compris faceguards, les systèmes de fixation de Ventaille, les systèmes de fixation à jugulaire et des systèmes de revêtement. Comme le montre le tableau 2, les résultats représentatifs montrent des variations significatives (p <0,05) dans HIC, SI et des valeurs d'accélération de pointe qui dépendent du type de casque, l' emplacement d'impact et la configuration du masque facial. En outre, les différences dans le profil de l'histoire accélération-temps ont également été observées. Un exemple d'une telle réponse peut être vu dans la figure 4, où la réponse d'accélération triaxial (pour X, Y et Z) du casque Xenith X2 à un / l' impact 4,88 m sec Top affiché un G dip 40 dans l'accélération de l' axe X lorsque le Ventaille n'a pas été fixée. En raison de la contrainte supplémentaire quel'Ventaille apporte à la coque du casque, la chute de l'accélération était inexistante pour le même impact lorsque le masque facial a été fixé à la coque. Plus précisément, lorsque le Ventaille n'a pas été inclus, la coque en polycarbonate à proximité du point d'impact pourrait fléchir de plus en donc absorber plus d'énergie. Lorsque le Ventaille a été inclus, la coque en polycarbonate ne serait pas fléchir autant. L'inclusion de la Ventaille au cours des essais d'impact est destiné à imiter de façon plus précise les conditions de chargement sur le terrain.

Notre méthode d'essai proposée utilise une limite de certification plus strictes par rapport à la norme NOCSAE actuelle. Dans notre méthode d'essai proposée pour tous les 5,46, 4,88 et 4,23 m / s impacts, nous recommandons que le comité NOCSAE créer un nouveau niveau de SI inférieur sûr basé sur Hodgson et al. (1970) travail.

Si une valeur SI résultant pour l'un quelconque impact est supérieure à ces seuils respectifs, le test est déterminé à être un échec. res représentatifsULTS (figure 3) montrent que les valeurs SI pour 5,46 m / s de tous les casques testés dans cette étude se situent bien en dessous du courant de 1.200 SI NOCSAE Pass / Fail critère de ces impacts. Mesures de blessures supplémentaires de l' accélération résultante HIC et le pic sont inclus dans le tableau 2, mais pas de limites de certification ont été données sur ces paramètres. limites futures de certification du casque devrait enquêter sur l'emploi de blessures multiples passe métrique / échec critères.

Le dernier facteur pour une norme d'essai du casque amélioré serait de publier les résultats des tests standards d'une manière qui permettrait à un joueur de prendre une décision éclairée sur le choix du casque. Pour beaucoup de joueurs, l'apparence est souvent le facteur le plus important lors du choix d'une combinaison casque de football / Ventaille. Heavier type grill Ventaille sont également de plus en plus dominante sur le terrain de football aujourd'hui sans doute pour cette raison. Ces faceguards lourds déplacent le centre de gravité de la tête des athlètes et ajouter un m supplémentairebras oment induisant un couple plus délétères au cours casque oblique aux impacts du casque. Ainsi, il est de plus en plus important de comprendre la réponse systématique du casque et pour le joueur de savoir comment ces faceguards lourds affectent la performance du casque. certification casque avenir devrait obliger les fabricants à afficher la taille et les résultats des tests de casque spécifique à Ventaille.

Ces procédures d'essai rapportées servent comme une solution efficace qui permet d'évaluer la capacité d'améliorer les caractéristiques de performance des systèmes de casques de football actuels et futurs. La méthode d'essai définie ici est destiné à être une modification du NOCSAE bifilaire procédure de test de chute de courant, ce qui limite intrinsèquement les tests de performance des coiffures aux critères de blessure en fonction d'accélération linéaire. Bien qu'actuellement en cours d'utilisation et facilement disponible, ce dispositif de test à deux fils ne peut pas mesurer l'accélération angulaire. Par rapport aux méthodes existantes, le joueur a rapporté la méthode d'essai du casque donne une plus accurareprésentation te de la performance d'un casque et sa capacité à atténuer l'impact sur le terrain.

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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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