Modificati drop test Torre di impatto per American Football Caschi

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

Motivazione
L'obiettivo principale di questo metodo di prova torre di caduta modificata è quello di rappresentare più da vicino l'impatto sul campo del sistema di casco da football americano e promuovere gli standard di sicurezza migliorate. Il metodo di prova comportato in grado di fornire le conoscenze di caschi risposta sistematica necessario per sviluppare in modo efficace una maggiore copricapo per la prevenzione commozione cerebrale. Il verificarsi di traumi ha costantemente afflitto sport di contatto, come il football americano. Nei soli Stati Uniti, commozioni cerebrali relative allo sport sono stati stimati a verificarsi da 1,6 a 3,8 milioni di volte ogni anno. 1 Un giocatore di calcio può avere più di 1.500 impatti testa ogni stagione. 2, 3 Mentre l'ampiezza della maggior parte degli impatti può essere sub-concussive, l'accumulo di questi impatti possono portare a danni cerebrali a lungo termine a causa di una malattia neurodegenerativa impatto indotto conosciuta come encefalopatia traumatica cronica (CTE). 4CTE è legata ad un accumulo di proteina tau nel cervello, con conseguente perdita di memoria, il comportamento e cambiamento di personalità, la sindrome di Parkinson, e di parola e anomalie dell'andatura che ha portato a volte al suicidio. 5 caschi di gioco del calcio hanno fatto alcuni progressi tecnologici negli ultimi 15 anni, ma i caschi più avanzati anche di oggi non completamente attenuare tutte le forze incidente sul casco e, di conseguenza, gli atleti ancora incorrere in traumi. Uno studio condotto da Bartsch et al. 6 ha mostrato che in molti casi la testa dosi di impatto e rischi di danni alla testa, mentre indossa i caschi Leatherhead epoca erano paragonabili a quelle di indossare i caschi 21 ° secolo ampiamente utilizzati, che illustrano la necessità di migliorare la progettazione e collaudo standard di caschi da football. In particolare, la certificazione NOCSAE 7 non richiede l'faceguard da inserire nei test di caduta per il casco. La rigidità aggiunte dalla tsi Faceguard collegato al casco cambierebbe drasticamente la risposta meccanica complessiva. Il presente studio comporta un metodo per fornire più robusti standard di sicurezza casco che sarebbe servita come una forza trainante per promuovere più sicuri i disegni del casco.

sfondo
Trauma cranico Metriche
Le esatte meccanismi biologici legati alla commozioni rimangono non identificati. Mentre molto lavoro è stato fatto nel tentativo di quantificare le tolleranze trauma cranico da varie metriche di pregiudizio, del disaccordo nella comunità biomedica per quanto riguarda questi criteri. Questi meccanismi di lesioni dovrebbero riguardare diversi soggetti: accelerazione lineare, l'accelerazione di rotazione, la durata dell'impatto, e impulso. 8, 9, 10, 11 Diversi criteri di lesione sono state utilizzate per definire uno sbattimento come misura di accelerazione lineare. La tolleranza Curve Wayne State (WSTC) 12, 13, 14 è stato sviluppato per predire frattura cranica per incidenti automobilistici durante un impatto frontale definendo un confine curva di soglia per l'accelerazione lineare rispetto durata dell'impatto. WSTC ha servito come le basi per altri criteri di lesione, come il Severity Index (SI) 11 e l'Head Injury Criterion (HIC), 15 che sono i due criteri più comunemente usati. Il SI e HIC sia misura di gravità impatto sulla base di integrali ponderati dei profili di accelerazione-tempo lineare. Mentre questi criteri definiscono soglie per accelerazione lineare, altri criteri sono stati proposti per spiegare l'accelerazione rotazionale, come l'indice testa d'urto alimentazione. 8, 10, 16 campioni di prova casco di oggi spesso utilizzano un criterio di lesioni sulla base dello Stato Wayne aLLERANZA Curve (cioè HIC o SI) o il criterio picco di accelerazione o in alcuni casi entrambi. Mentre alcune modifiche sono necessarie per aggiungere accelerazione angolare ai criteri di prestazione standard i criteri di accelerazione basata lineari rimangono dominante.

In questo studio, le metriche utilizzate per valutare la relativa sicurezza che ogni casco previsto sono stati i picchi risultanti accelerazioni, i valori SI e HIC. Di questi parametri solo il SI è utilizzato per la valutazione della corrente Comitato Operativo nazionale relativo alle norme sulle norme Athletic Equipment (NOCSAE) casco di calcio. Il SI si basa sulla seguente equazione,

Equazione 1 (1)

dove A è l'accelerazione di traslazione del centro di gravità (CG) della testa, e t è la durata di accelerazione. 11, 17 SI è stato calcolato in base tO standard NOCSAE 18, in cui il calcolo è limitato da una soglia del 4 G lungo la curva di accelerazione risultante. I valori HIC sono stati calcolati con la seguente equazione,

Equazione 1 (2)

dove a è l'accelerazione traslazionale del baricentro della testa, e T 1 e T 2 sono i tempi iniziale e finale, rispettivamente, l'intervallo in cui HIC raggiunge un valore massimo. Tutti i valori HIC calcolati in questo studio erano HIC 36, in cui la durata dell'intervallo di tempo è limitato a 36 ms.

NOCSAE Football Helmet Norme di prova
NOCSAE Panoramica
Nel 1969 NOCSAE è stata costituita per sviluppare standard di prestazione per American caschi da football / faceguards e altre attrezzature sportive, con l'obiettivo di ridurre le lesioni legate allo sport. 17 Le norme casco di calcio NOCSAE sono stati sviluppati dal Dr. Voigt Hodgson 9 della Wayne State University di ridurre le lesioni alla testa attraverso la definizione di requisiti per l'attenuazione dell'impatto e l'integrità strutturale per il calcio caschi / faceguards. Questi standard casco di calcio comprendono una prova di certificazione e procedure di ricertificazione annuale per caschi. Nel 2015, NOCSAE implementato un programma di garanzia di qualità che richiedono l'uso di uno specifico American National Standards Institute (ANSI) organismo accreditato per la certificazione casco.

Metodo di prova NOCSAE
Il NOCSAE Football Helmet standard non include la sperimentazione di caschi con faceguards come si chiede per la loro rimozione prima che si svolgono gocce casco. Le norme di prova NOCSAE casco 17 utilizzano un dispositivo di simulazione calo a due fili che si basa su gravità per accelerare il simulacro di testa e combinazione di casco alle velocità di impatto richiesti. La sagoma della testa NOCSAE è strumentato waccelerometri triassiali esima al baricentro. La combinazione simulacro di testa e il casco è poi sceso a velocità specifiche su un incudine acciaio rivestito con un tampone di 12,7 millimetri di spessore di gomma dura modulare elastomero Programmer (MEP). Al momento dell'impatto, l'accelerazione istantanea viene registrata e valori SI vengono calcolati. Questi valori SI vengono confrontati con un pass / fail criterio su una varietà di posizioni richieste impatto e velocità e due temperature, tra ambiente e impatti ad alta temperatura. Se il valore risultante SI per qualsiasi impatto supera la soglia, allora il casco non passerà il test.

Un metodo di prova standard separato viene utilizzato per la certificazione di calcio faceguard. Lo standard NOCSAE calcio faceguard include l'analisi strutturale integrità e valutando l'impatto sulle prestazioni di attenuazione del faceguard, sottogola, ed i loro sistemi di fissaggio. per superare la prova, senza contatto facciale e no me Ogni misurazione impatto deve essere inferiore a 1,200 SIfallimento meccanico di qualsiasi componente, come definito dal NOCSAE standard. 19

C'è un test proposto ulteriori NOCSAE (Linear Impactor (LI)) 20 che include il casco con la faceguard, ma non è appropriato per la certificazione calcio casco perché non può ammettere un effetto corona. Il LI utilizza un pistone pneumatico di impatto un casco posizionato su un simulacro di testa NOCSAE dotato di un ibrido III collo manichino montato su un tavolo cuscinetto lineare per indurre accelerazione angolare. Per questo motivo il test LI è un test supplementare al due fili NOCSAE procedura prova di caduta di corrente e non una sostituzione. 20, 21 invece delle prove di LI, si propone di aggiungere semplicemente altri due scenari per l'attuale procedura test di caduta a due fili.

Il metodo di prova standard per la certificazione NOCSAE di caschi da football attualmente comprende sei loca impatto prescrittozioni e un punto d'impatto casuale. Le posizioni d'impatto prescritte sono i seguenti: Anteriore (F), anteriore Boss (FB), laterale (S), posteriore (R), mozzo posteriore (RB), e superiore (T). La prova di impatto posizione casuale può selezionare una regione da qualsiasi punto all'interno dell'area di impatto accettabile definita del casco. Le posizioni di impatto per i nostri test torre NOCSAE goccia modificati comprendono la sostituzione delle sedi di impatto frontale e anteriore Boss definite in precedenza con quello che è stato nominato come il Fronte Top (FT) e le località di impatto frontale superiore Boss (FTB). Le nostre sedi anteriore superiore e anteriore Top Boss impatto sono identiche alle posizioni di impatto frontale e anteriore destro Boss della norma NOCSAE per Lacrosse caschi, che comprendono anche il faceguard per test di caduta. 22 Le posizioni di impatto calotta del casco, tra cui le posizioni anteriori e Front Boss sostituiti, sono descritte nella Figura 1. Inoltre, il metodo di prova casco modificata del nostro studio attuale comprende due IMPAC faceguardluoghi t che sono stati nominati il ​​Fronte FG e FG inferiore. I due impatti Maschere posizioni sono identiche alle posizioni di impatto richieste per gli attuali procedure di certificazione faceguard NOCSAE. Gli otto posizioni di impatto per le prove d'urto NOCSAE modificate del presente studio sono mostrati nella Figura 2.

Figura 1
Figura 1: posizioni approssimative impatto per caschi da football. I sei attualmente richiesto NOCSAE posizioni di prova casco goccia impatto, frontale (F), anteriore Boss (FB), laterale (S), Top (T), posteriore (R), e mozzo posteriore (RB), e le due proposte di posizioni di impatto , anteriore superiore (FT), e Front Top Boss (FTB). Nota: il metodo di prova standard per NOCSAE copricapo protettivo non include frontale superiore e le posizioni di impatto frontale superiore Boss (indicato in rosso) e per questo studio si sostituiscono le posizioni di impatto frontale e anteriore Boss. (Immagine modificata da NOCSAE DOC. 001-13m15b)

figura 2
Figura 2: Modificato NOCSAE messa a punto test di caduta che mostra otto sedi di impatto. Fronte Superiore, Fronte Top Boss, laterale, Faceguard (FG) anteriore, posteriore, mozzo posteriore, superiore e inferiore Faceguard (FB). Nota: lo standard NOCSAE non include attaccamento faceguard e qui Fronte Top e Front Top Boss sostituire le posizioni standard di impatto frontale e anteriore Boss. (Immagine modificata da NOCSAE DOC. 002-11m12) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

disegni casco hanno progressivamente cambiato negli ultimi dieci anni, considerando che le norme del casco di calcio NOCSAE non hanno mai incluso la faceguard con la hElmet nel valutare le specifiche di rendimento casco di calcio. Mentre, di recente una modifica è stata fatta per includere un pass / fail valore di 300 SI per il minimo impatto di velocità (3,46 m / s), il passaggio generale / fail limite di 1.200 SI non è cambiato dal 1997. 17 Prima del 1997, il NOCSAE utilizzato un 1500 SI pass / fail criterio. Hodgson et al. (1970) ha dimostrato che i valori SI superiori a 1.000 è un pericolo per la vita, mentre i valori SI su 540 hanno prodotto fratture del cranio lineari nei test non caschi impatto cadavere. 23 La maggior parte dei caschi da football moderne hanno dimostrato di passare ben al di sotto del limite di 1.200 SI, ma non tutti al di sotto 540 SI.

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Protocol

Nota: Il protocollo per il metodo di prova presentato fa riferimento ai seguenti documenti NOCSAE (disponibili a http://nocsae.org/): NOCSAE DOC.002-13m13: "PRESTAZIONI STANDARD SPECIFICHE PER caschi da football di nuova produzione" 18. NOCSAE DOC.011-13m14d: "I produttori GUIDA REGOLAMENTARE di scelta del campione PRODOTTO PER PROVE NOCSAE standard" 24. NOCSAE DOC.087-12m14: "metodo standard di PROVA DI IMPATTO E PRESTAZIONI REQUISITI PER CALCIO FACEGUARDS" 25. NOCSAE DOC.100-96m14: "PROBLEMI E SOLUZIONI PER apparecchiature di prova e TEST DI IMPATTO" 26. NOCSAE DOC.101-00m14a: "PROCEDURE Apparecchi di taratura" 27

Impostazione 1. prova

  1. Costruire NOCSAE twin-wire assemblaggio goccia trasporto come definito nella sezione 15.1 del NOCSAE DOC. 001, 18 come illustrato in figura 5. verificare chetutti i componenti del gruppo siano ben fissati.
  2. Fissare la dimensione "grande" NOCSAE urto della testa al gruppo carrello goccia allineando il collare urto della testa con la posizione desiderata sul regolatore urto della testa dei rotatori e serrando la ghiera filettata testa di manichino.
    Nota: Se la testa del manichino nuovo o riparato, fare riferimento alla sezione 5 della NOCSAE DOC. 100. 26
  3. Fissare saldamente l'accelerometro triassiale alla piastra accelerometro situato al centro di gravità del simulacro di testa. Inserire l'accelerometro nel centro della piastra accelerometro allineando entrambi i fori nella accelerometro con i fori della piastra di accelerometro. L'utilizzo di un cacciavite a testa a brugola inserire entrambe le viti e stringere in senso orario fino a quando l'accelerometro è montato saldamente alla piastra accelerometro.
  4. Configurare il sistema di acquisizione dati secondo le specifiche del produttore. 28
    1. Connect i cavi per l'assemblaggio di acquisizione dati.
      1. Collegare il cavo accelerometro allo splitter coassiali a tre vie, quindi collegare un cavo coassiale a ciascuna uscita del divisore coassiale.
      2. Collegare l'estremità libera di ciascun cavo coassiale del tre vie splitter coassiale ad una porta di ingresso del sensore per i canali 1, 2, e 3 posto sul retro del modulo amplificatore.
      3. Collegare a cavi coassiali delle porte di uscita del modulo amplificatore (canali 1, 2 e 3) per le connessioni di ingresso sul lato anteriore del sistema di acquisizione dati (canali 1, 2, e 3, rispettivamente).
      4. Collegare l'estremità dividere del cavo RS-232 al connettore posteriore del sistema di acquisizione dati.
      5. Collegare il cavo restanti RS-232 per porta Com 1 del Personal Computer (PC).
    2. Accendere il Personal Computer (PC) ed effettuare il login.
    3. Scaricare e installare il software di sistema di acquisizione dati sul computer.
    4. Accendere il gruppo di acquisizione dati:Inserire in ogni presa di volt componenti 120 in una fonte di alimentazione, quindi capovolgere l'interruttore dell'amplificatore levetta in posizione "on".
    5. Fare doppio clic sull'icona del programma di acquisizione dati sul desktop per aprire il software.
    6. Osservare un prompt che chiede di controllare lo stato del modulo, fai clic su "sì".
    7. Caricare il file di configurazione di prova. Fare clic sulla scheda "Impostazioni", scorrere fino a "Apri" e poi selezionare "Setup Test".
      1. Sfoglia la directory del computer, individuare e selezionare il file di configurazione di prova con l'etichetta "NOCSAE1.TSF". Fai clic su "Carica".
    8. Inserire le informazioni sensore per gli accelerometri.
      1. Fare clic sull'icona Ingresso sensore di colore giallo per il canale 3 nel modulo attivo.
      2. Inserire il valore di calibrazione (mV / G) per l'accelerometro asse z nella casella di testo "CAL valore".
      3. Fare clic sul pulsante "PREV".
      4. Ripetere i punti 1.4.8.1 - 1.4.8.3 per l'accelerometro asse y (canale 2) e per °e x-asse accelerometro (canale 1).
      5. Fare clic sull'icona verde "Return" per uscire sensore.
    9. Fare clic sull'icona verde "Salva" e quindi il nome del programma di installazione di prova come "NOCSAE-Giove".
    10. Fai clic su "Salva".

2. Casco Preparazione

  1. Selezionare il modello di casco per la prova di impatto. Per la certificazione casco, selezionare i campioni per il test in base alle NOCSAE DOC.011. 24 Prova il campione secondo la Tabella 1 e come illustrato nelle figure 1 e 2.
  2. Selezionare faceguards corrispondenti per ogni modello casco selezionato. A differenza dello standard NOCSAE, effettuare le prove di impatto casco di base con il faceguard di base per le casco.
  3. Utilizzando un cacciavite a croce, fissare saldamente la faceguard corretta e tutto faceguard hardware specifico per ogni casco selezionato per il test. In contrasto con il meto test standard NOCSAEd, testare tutti i caschi con faceguards allegati.
  4. Caschi condizione nel temperature secondo la tabella 1, NOCSAE DOC. 002 7, e NOCSAE DOC.087 25 esponendoli a un ambiente di laboratorio o di camera ambientale. Condurre test casco calo iniziale a temperatura ambiente.
    1. Spostare caschi selezionati a un ambiente di laboratorio, 72 ° F, ± 5 ° F (22 ° C, ± 2 ° C), almeno 4 ore prima del test.
    2. Se sono stati condotti tutti gli impatti temperatura ambiente, esporre il casco alla temperatura condizionata, secondo la Tabella 1, per 4 ma non più di 24 ore. 7
      Nota: almeno due, ma non più di quattro posizioni di impatto che si traducono nella SI più alto registrato valori per le gocce di temperatura ambiente deve essere provato alle alte temperature.

3. Calibrazione

  1. Eseguire la Forma della testa di calibrazione: Ogni urto della testa deve essere calibrato prima della prova utilizzando l'accelerometro triassiale, 3 "MEP calibrazione pad e goccia posizioni / velocità individuati dalla relazione annuale NOCSAE taratura Pad qualificazione per quella specifica pad MEP calibrazione.
    1. Fissare in modo sicuro "pad 3 Calibrazione MEP al incudine utilizzando una chiave a brugola.
    2. Utilizzando il NOCSAE calibrazione Pad qualificazione relazione annuale, selezionare una posizione di impatto e la velocità d'impatto corrispondente.
    3. Utilizzando l'assemblaggio urto della testa dei rotatori e incudine guida di scorrimento, regolare simulacro di testa e incudine per l'orientamento impatto desiderato (frontale, laterale o superiore). Fare riferimento alla Tabella 1, appendice 2 del NOCSAE DOC. 001, 18 e NOCSAE DOC. 100. 26
      1. Rimuovere il bullone conico-loc dal gruppo urto della testa dei rotatori e orientare il regolatore urto della testa di allineare fori per viti nella posizione desiderata. Inserire e sicuro fasten il bullone conico-loc.
      2. Allentare l'anello di bloccaggio urto della testa filettata e ruotare la posizione urto della testa naso per l'orientamento desiderato. Serrare l'anello di bloccaggio urto della testa filettata.
      3. Allentare i bulloni della piastra-incudine due di base e far scorrere incudine fino al raggiungimento posizione impatto desiderato. Serrare i bulloni incudine Plate-base e assicurare tutti i collegamenti siano ben fissati.
    4. Fissare sistema di sgancio a goccia gruppo carrello. Sollevare il gruppo goccia carrello alla altezza del sistema di rilascio. Centrare il sistema di sgancio al suo punto di attacco sul gruppo calo del carrello poi capovolgere l'interruttore a levetta per il sistema di sgancio elettromagnetico in posizione "On".
    5. Sollevare rilasciare gruppo carrello all'altezza specifica determinata a raggiungere la velocità d'impatto desiderato. Nota: le altezze specifici possono variare per ogni sistema a causa delle variazioni di attrito. impatti aggiuntivi potrebbero dover essere condotta altezza variabile per garantire la velocità in entrata corretta è unchieved.
    6. Pronto il sistema di acquisizione dati per la registrazione di un evento (secondo produce specifiche 28).
      1. Caricare il file di configurazione di prova. Fare clic sulla scheda "Test", e quindi fare clic su "Collect dati".
      2. Sfoglia la directory del computer, individuare e selezionare il file di configurazione di prova con l'etichetta "NOCSAE-JoVE.TSF". Fai clic su "Carica".
      3. Fai clic su "OK".
      4. Digitare un "Descrizione" finestra di dialogo Descrizione di prova e quindi premere il tasto "Tab".
      5. Fornire un 5 carattere di test ID, digitare "JoVE1" e cliccare su "Continua".
      6. Fai clic su "Continua".
      7. Osservare la strumentazione riscaldamento in su. Una volta che il contatore ha raggiunto 15 s, fai clic su "Continua".
      8. Osservare il sistema esegue automaticamente la calibrazione dell'accelerometro. Quando tutte le caselle sono di colore verde, cliccare su "continua".
    7. Utilizzando il sistema di sblocco, far cadere il assembl carrozzay e attivare il sistema di acquisizione dati per registrare l'evento lanciando contemporaneamente entrambi gli interruttori a levetta si trova sulla scatola di controllo di alimentazione del sistema di rilascio.
    8. Calcolare e registrare il valore SI risultante. Assicurarsi che il risultato è di 1.200 SI ± 2%.
    9. Ripetere passaggi 3.4.2-3.4.8 fino risultati sono ottenuti per ciascuna delle tre posizioni sull'impatto previsti.
      Nota: i rilievi di taratura devono essere riqualificati ogni anno presso il laboratorio specificato da NOCSAE.
  2. Eseguire un controllo del sistema e mantenere i risultati. (vedere Sezione 18, NOCSAE DOC.001 18)

4. Procedura di test

  1. Eseguire un controllo del sistema e mantenere i risultati.
  2. Sostituire il pad MEP utilizzato per la calibrazione per il pad test di eurodeputato.
  3. Selezionare punto d'impatto e velocità per la prova in base alla tabella 1.
    Nota: Gli impatti devono essere condotte dalla velocità goccia più basso al più alto. impatti Temperatura ambiente Should essere condotta prima impatti condizionati.
  4. Regolare correttamente la posizione di orientamento simulacro di testa e incudine per raggiungere la posizione desiderata impatto, come illustrato nelle figure 1 e 2 e secondo la procedura descritta nella sezione 3.
  5. Selezionare casco per il test.
  6. Correttamente adattare il casco selezionato per la sagoma della testa secondo i produttori di caschi montaggio istruzioni e procedure NOCSAE. Regolare e fissare in modo sicuro i caschi sottogola alla sagoma della testa.
    Nota: A causa dei vincoli aggiuntivi del faceguard, una leggera applicazione di talco può essere di aiuto nel montaggio del casco alla sagoma della testa.
  7. Fissare sistema di sgancio meccanico a goccia gruppo carrello.
  8. Sollevare rilasciare gruppo carrello all'altezza specifica determinata a raggiungere la velocità d'impatto desiderato.
  9. Pronto il sistema di acquisizione dati per la registrazione di un evento. Ripetere i passaggi 3.4.1 tramite 3.4.8.
  10. Utilizzando il sistema di sgancio meccanico cadere il carriassemblaggio età e contemporaneamente attivano il sistema di acquisizione dati per registrare l'evento.
  11. Subito dopo l'impatto, record di SI, HIC, ed i risultati di picco di accelerazione.
  12. Confrontare i risultati registrati a pass / fail criteri. A differenza della NOCSAE standard, impostare un pass / fail valore di 700 SI per tutti 5,46, 4,88, 4,23 e gli impatti m / sec. Mantenere il pass / fail criterio del 300 SI per tutti gli impatti 3.46 m / sec.
  13. Ripetere i passaggi 4,3-4,11 finché i risultati sono ottenuti per tutti gli impatti richiesti.
    Nota: E 'accettabile per testare tutti i caschi per un determinato luogo di impatto prima di cambiare l'orientamento simulacro di testa e la posizione incudine.
  14. Eseguire un controllo del sistema al termine del test e mantenere risultati.
  15. La convalida dei dati: Confronto sistema controlla post-test pre-test e di garantire che ogni variazione è del 7% o meno.

Figura 1
Tabella 1:casco da football matrice test di caduta mostrando impatti richieste di velocità di caduta (m / sec) e punto d'impatto. (Tabella modificata da NOCSAE DOC. 002-13m13) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Representative Results

Una dettagliata analisi quantitativa dei risultati per questa metodologia è stato presentato da Rush et al. (presentate) Una sintesi dei risultati e l'efficacia associata di una metodologia di test casco faceguard-shell accoppiato viene visualizzato nei risultati del test di caduta con Rawlings Quantum Inoltre, Riddell 360, Schutt Ion 4D, e caschi X2 Xenith come esempi. Ognuno di questi caschi (di dimensione "grande") con faceguards visualizzati risultati diversi, rispetto ai caschi senza i faceguards. Figura 3 traccia comparativamente i valori SI di ogni esempio casco con e senza il faceguard per il Fronte Superiore, Fronte Top Boss, superiore, laterale, posteriore, e le posizioni di impatto mozzo posteriore ad una velocità d'impatto di 5,46 m / s. Mentre il valore medio SI per ciascuna di queste tre impatti consecutivi (90 ± 15 s) era ben al di sotto della soglia NOCSAE 1.200 SI, ogni casco visualizzato un unica risposta location-dipendente quando la faceguard è stato attaccato. La tabella 2 illustra ulteriormente il significato di queste stesse prove di impatto per la visualizzazione di differenze medie (MD) con Root Squared errori (RSE) per la Head Injury Criterion (HIC), Severity Index (SI), e l'accelerazione massima risultante (G) valori per con e senza configurazioni Maschere. Qui, un minimi quadrati regressione analisi della varianza è stato utilizzato per i calcoli P-value presentano differenze significative (p <0,05) per caschi con e senza faceguards allegate durante il test. Oltre alle variazioni HIC, SI, e Peak G, sono state osservate differenze nelle risposte impulsive quando i faceguards stati aggiunti a questi esempi casco. La figura 4 mostra i risultati dei test goccia del casco Xenith X2 con faceguard e senza faceguard a 4,88 m / s, che mostra una differenza nel profilo storia di accelerazione-tempo per ogni asse di misura (X, Y e Z). Si è anche osservato che i risultati erano fortemente dipendente dal tipo di casco, locat impattoione e velocità di impatto.

Figura 3
Figura 3: test di caduta. I risultati rappresentativi del test di caduta di Rawlings Quantum Inoltre, Riddell 360, Schutt Ion 4D, e Xenith X2 caschi a 5,46 metri al secondo; mostrando Severity Index (SI) per posizione di impatto per senza faceguard (NOCSAE Standard) e con faceguard (w / FG) configurazioni casco con errore standard. Nota: FG anteriore e FG inferiore impatti Maschere diretti non vengono mostrati. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4: test di caduta NOCSAE. Risultati del Xenith X2 casco (in alto) con faceguard e senza faceguard a 4,88 m / s, spettacolozione una differenza nel profilo storia di accelerazione-tempo per ogni asse di misura (X, Y e Z). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Tabella 2: test di caduta rappresentante. I risultati di Rawlings Quantum Inoltre, Riddell 360, Schutt Ion 4D, e caschi Xenith X2 a 5,46 m / s. Mostrando differenza media (MD) in Head Injury Criterion (HIC), Severity Index (SI), e l'accelerazione massima risultante valori (del G) per, con e senza configurazioni Maschere tutta anteriore superiore (FT), Fronte Top Boss (FTB), Top ( T), laterale (S), posteriore (R), e mozzo posteriore (RB) posizioni di impatto. Nota: I valori indicati rappresentano differenze medie e Root Squared errori (RSE) rispetto alla configurazione senza faceguard per tre impatti consecutivi con intervalli di 90 ±15 s. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5: Schema di twin-wire test di caduta rig. Lo schema mostra ogni componente del gruppo meccanico con vincoli di instillazione. Ogni componente viene indicato con un numero corrispondente a una descrizione parte identificata nell'elenco dei materiali. Consultare l'elenco dei materiali. (Immagine da NOCSAE DOC. 001-13m15b) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

La metodologia riferito che le coppie NOCSAE prove di impatto casco di calcio e rilasciare faceguard offre una tecnica unica per valutare meglio le caratteristiche di prestazione dei moderni caschi da football. Le fasi più critiche per valutare questo meglio prestazione caratteristica moderni calcio caschi sono i seguenti: 1) impostare correttamente il dispositivo di prova meccanica; 2) condurre con precisione le procedure di calibrazione; e 3) fissare correttamente il casco / faceguard alla sagoma della testa.

Questa metodologia richiede procedure di configurazione di prova e di taratura adeguate. C'è variabilità intrinseca tra ogni simulacro di testa NOCSAE causa di limitazioni nel processo di fabbricazione, che includono la porosità in materiali polimerici. NOCSAE combatte questa variabilità unica da un processo di normalizzazione tramite procedure di calibrazione del simulacro di testa utilizzando e pad MEP calibrazione annualmente recertified. Così, è sempre più importante che la variazione supplementare non è introdotta da enteurante che il montaggio di prova meccanica è correttamente e saldamente mantenuta. Prima della prova, è importante il collare urto della testa filettata e rotatori simulacro di testa e cadere bulloni trasporto sono controllati e serrati. posizionamento del casco-simulacro di testa e sottogola in forma devono essere controllati prima di ogni test di caduta. Durante l'impatto, il casco può spostare, che è accettabile, ma potrebbe essere necessario un aggiustamento.

Oltre a testare le procedure di installazione e di taratura, collaudo impatto richiede un'adeguata preparazione casco. selezione Faceguard e corretto attacco del casco / faceguard per la sagoma della testa è una parte critica della procedura di prova. Per le prove generali casco, un modello faceguard linea di base deve essere scelto e fissato saldamente con tutto l'hardware specifico faceguard. Tipicamente un faceguard linea di base è definita come quella che offre la quantità minima di protezione del viso, che non includono il faceguards kicker stile. A causa della variabilità nella moderna progettazione del casco e la constrai aggiuntonti del componente faceguard, possono essere richieste ulteriori procedure per il corretto attacco per elmetto-urto della testa. In generale, faceguards deve essere fissata saldamente al casco prima dell'inserimento sulla sagoma della testa. Alcuni caschi possono richiedere attacco parziale del faceguard al casco che viene poi fissato al momento dell'inserimento casco-urto della testa. Una leggera applicazione di talco per la sagoma della testa può essere di aiuto in attacco per elmetto. Per altro la risoluzione dei problemi consultare la guida alla risoluzione NOCSAE per le apparecchiature di test e prove di impatto (ND.087-12m14).

La procedura di prova modifica necessaria di NOCSAE luoghi di impatto di serie, al fine di conto per l'aggiunta del faceguard durante il test. Le posizioni di impatto per il presente test torre di caduta includono la sostituzione dello standard NOCSAE anteriore e Front Boss con le posizioni di impatto frontale superiore e frontale Top Boss e l'inclusione di Faceguard anteriori e Maschere posizioni inferiori. La figura 3 mostra il lev SIels in luoghi diversi di impatto tra le due nuove proposte. Ad esempio, i dati Riddell, mostrati in figura 3, illustra il punto che le due nuove posizioni incorrono massimi livelli SI, che altrimenti non sarebbero stati conosciuti poiché questi due nuovi test non sono stati richiesti per la certificazione NOCSAE. I test iniziali determinato che la parte superiore anteriore e Front Boss erano siti di impatto più adatti in quanto avrebbero un impatto sulla calotta del casco, piuttosto che il faceguard. Questi siti potrebbero essere più realistico, consentendo impatti diretti shell-liner, pur tra i vincoli del componente faceguard. impatti diretti Maschere sono stati raggiunti includendo gli impatti inferiori Faceguard anteriori e Maschere, che erano identici per le posizioni d'impatto prescritte per le prove di certificazione faceguard NOCSAE calcio. L'inclusione di questi due effetti consentiti per una procedura di prova casco da football e goccia faceguard unificata. Questi impatti Maschere necessari scambiodel MEP test con l'eurodeputato faceguard e ulteriori procedure di condizionamento ambientale, come raffigurato nella tabella 1.

Rappresentante Risultati test di caduta dimostrano che caschi da football avrebbero dovuto faceguards attaccato durante i test. Comparativi i risultati dei test hanno rivelato che la goccia faceguard aggiunge un vincolo cinematico di irrigidimento alla shell che riduce l'assorbimento totale di energia. Figura 3 e Tabella 2 mostrano differenze nei livelli SI attraverso posizioni di impatto per i caschi della norma NOCSAE (senza faceguard) e modificato con configurazioni Maschere. Rispetto all'attuale metodo di prova NOCSAE, caschi da football testati con il faceguard allegato mostra risposte uniche che dipendono dal tipo di casco, che può variare a seconda del punto d'impatto. Le differenze di queste risposte possono essere accreditati per i giunti Maschere di conchiglia, che dipendono da caratteristiche uniche del casco in fase di test. il Rawlings Quantum Inoltre, Riddell 360, Schutt Ion 4D e Xenith caschi X2 sono stati utilizzati per ottenere risultati rappresentativi, come questi caschi caratterizzano alcune delle più recenti innovazioni nella tecnologia casco. Ognuno di questi caschi variano in modo significativo dalle loro caratteristiche uniche, tra cui faceguards, sistemi di fissaggio faceguard, sistemi di fissaggio sottogola e sistemi di rivestimento. Come mostrato in tabella 2, questi risultati rappresentativi mostrano variazioni significative (p <0.05) in HIC, SI, e valori di accelerazione di picco che dipendono dal tipo di casco, la posizione di impatto e la configurazione faceguard. Inoltre, sono state anche osservate differenze nel profilo della storia di accelerazione-tempo. Un esempio di tale risposta può essere visto in Figura 4, in cui la risposta di accelerazione triassiale (per X, Y e Z) del casco Xenith X2 ad un 4,88 m / impatto sec Top visualizzata una G dip 40 in accelerazione dell'asse X quando il faceguard non era attaccato. A causa del vincolo aggiuntivo cheil faceguard porta alla calotta del casco, il tuffo di accelerazione era inesistente per lo stesso impatto quando il faceguard era attaccata al guscio. Più specificatamente, quando il faceguard non era inclusa, il policarbonato in prossimità del punto di impatto potrebbe flettersi più e quindi assorbire più energia. Quando il faceguard è stato incluso, la scocca in policarbonato non flettere tanto. L'inserimento del faceguard durante prove di impatto destinato a simulare con maggiore precisione le condizioni di carico sul campo.

Il nostro metodo proposto utilizza un limite di certificazione più rigorosa rispetto agli attuali standard di NOCSAE. Nel nostro metodo proposto per tutti i 5,46, 4,88 e 4,23 m / s impatti, si raccomanda che il comitato NOCSAE creare un nuovo livello di SI inferiore al sicuro sulla base di Hodgson et al. (1970) di lavoro.

Se un valore SI risultante per qualsiasi impatto è maggiore di tali rispettive soglie, il test è determinata a essere un fallimento. res RappresentanteULT (Figura 3) indicano che i valori SI per 5.46 m / s di tutti i caschi testati in questo studio cadere ben al di sotto della corrente 1.200 SI NOCSAE Pass / Fail criterio per tali impatti. Ulteriori metriche lesioni di accelerazione risultante HIC e di picco sono compresi nella tabella 2, non ci sono limiti di certificazione è stata data su questi parametri. I futuri limiti di certificazione casco dovrebbero indagare impiego di lesioni multiple passaggio metrico / fail criteri.

Il fattore finale per un migliore standard di prova casco sarebbe pubblicare risultati di prove standard in modo tale da permettere ad un giocatore di prendere una decisione informata sulla selezione casco. Per molti giocatori, l'aspetto è spesso il fattore più importante nella scelta di una combinazione casco da football / faceguard. Più pesante griglia-tipo faceguard stanno diventando più dominante sul campo di calcio oggi presumibilmente per questo motivo. Questi faceguards pesanti spostare il centro di gravità della testa atleti e aggiungi m supplementarebraccio oment indurre una coppia più deleterio durante casco obliquo agli impatti del casco. Così, è sempre più importante per capire la risposta sistematica di caschi e per il giocatore di sapere come questi faceguards più pesanti influiscono sulle prestazioni del casco. Future certificazione casco dovrebbe richiedere ai produttori di visualizzare le dimensioni e risultati dei test casco specifici Maschere.

Queste procedure di prova riportati servono come una soluzione efficace che consente la possibilità di valutare meglio le caratteristiche di prestazione dei sistemi casco calcio attuali e futuri. Il metodo di prova definito nel presente documento è destinato ad essere una modifica al gemello-wire attuale procedura di test di caduta NOCSAE, che limita intrinsecamente test delle prestazioni di copricapo a criteri di lesione di accelerazione a base lineare. Mentre attualmente in uso e facilmente disponibile, questo dispositivo di test bifilare non può misurare l'accelerazione angolare. Rispetto ai metodi esistenti, questa segnalato calcio metodo casco dà una più accuraRappresentazione te delle prestazioni di un casco e la sua capacità di ridurre l'impatto sul campo.

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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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