Modificerede Drop Tower Impact Tests for Amerikansk Fodbold Hjelme

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Rush, G. A., Prabhu, R., Rush III, G. A., Williams, L. N., Horstemeyer, M. F. Modified Drop Tower Impact Tests for American Football Helmets. J. Vis. Exp. (120), e53929, doi:10.3791/53929 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

Motivering
Det vigtigste mål for denne modificerede drop tårn testmetode er at tættere repræsentere på marken virkninger af amerikansk fodbold hjelm-system og fremme forbedrede sikkerhedsstandarder. Den indebar testmetode kan give viden om hjelme systematisk respons nødvendig for effektivt at udvikle forbedret hovedbeklædning til forebyggelse hjernerystelse. Forekomsten af ​​hjernerystelse har vedholdende plaget kontakt sport, såsom amerikansk fodbold. I USA alene, har sportsrelaterede hjernerystelse blevet anslået at forekomme 1,6 til 3,8 millioner gange hvert år. 1 En fodboldspiller kan have mere end 1.500 hoved påvirkninger hver sæson. 2, 3 Mens omfanget af de fleste påvirkninger kan være sub-concussive, ophobning af disse påvirkninger kan føre til langsigtet hjerneskade som følge af en indvirkning induceret neurodegenerativ lidelse kendt som kronisk traumatisk encephalopati (CTE). 4CTE er knyttet til en opbygning af tau-protein i hjernen, hvilket fører til hukommelsestab, adfærd og personlighed forandring, Parkinsons syndrom og tale og gangforstyrrelser der har undertiden ført til selvmord. 5 Fodbold hjelme har lavet nogle teknologiske fremskridt i de seneste 15 år, men selv nutidens mest avancerede hjelme ikke helt afbøde alle hændelsen kræfter på hjelmen og dermed atleter stadig pådrage hjernerystelse. En undersøgelse foretaget af Bartsch et al. 6 viste, at i mange tilfælde hovedet indvirkning doser og risici hoved skade, mens iført vintage Leatherhead hjelme var sammenlignelige med dem, der bærer de udbredte 21. århundredes hjelme, der illustrerer behovet for forbedring i design- og prøvningsstandarder for fodbold hjelme. Især betyder NOCSAE certificering 7 ikke kræver Faceguard der skal indgå i drop test for hjelmen. Den tilføjede stivhed fra than Faceguard tilsluttet hjelmen ville dramatisk ændre den overordnede mekaniske respons. Den foreliggende undersøgelse indebærer en metode til at give mere robuste hjelm sikkerhedsstandarder, der ville tjene som en drivkraft til at fremme sikrere hjelm designs.

Baggrund
Hoved Skade Metrics
De nøjagtige biologiske mekanismer relateret til hjernerystelse forblive uidentificerede. Mens meget arbejde der er blevet gjort i forsøget på at kvantificere skader i hovedet tolerancer af forskellige skade målinger, har uenighed opstået i biomedicinske samfund med hensyn til disse kriterier. Disse skade mekanismer formodes at forholde sig til flere enheder: lineær acceleration, roterende acceleration, varighed effekt og impuls. 8, 9, 10, 11 Adskillige Skade kriterier er blevet anvendt til at definere en hjernerystelse som et mål for lineær acceleration. Den Wayne State Tolerance Curve (WSTC) 12, 13, 14 blev udviklet til at forudsige kraniebrud til automotive nedbrud under en frontalkollision ved at definere en tærskel kurve grænse for lineær acceleration versus virkningen varighed. WSTC har fungeret som grundlaget for andre kriterier skade såsom Severity Index (SI) 11 og chefen Injury Criterion (HIC), 15, som er de to mest almindeligt anvendte kriterier. SI og HIC både foranstaltning indvirkning sværhedsgrad baseret på vægtede integraler af de lineære acceleration tid profiler. Mens disse kriterier fastsætte tærskler for lineær acceleration, er andre kriterier blevet foreslået at tage højde for roterende acceleration, såsom hovedhøjde Power indeks. 8, 10, 16 Dagens hjelm prøvningsstandarder bruger ofte en skade kriterium baseret på Wayne State Tillerance Curve (nemlig HIC eller SI) eller peak acceleration kriteriet eller i nogle tilfælde begge. Mens nogle ændringer er nødvendige for at tilføje kantede acceleration til standard præstationskriterier, de lineære acceleration-baserede kriterier fortsat dominerende.

I denne undersøgelse, at de målinger, der anvendes vurdere den relative sikkerhed, at hver hjelm forudsat var Den resulterende maksimale accelerationer, SI, og HIC-værdier. Af disse målinger kun SI bruges til evaluering i den nuværende nationale Operating udvalg for standarder for Athletic udstyr (NOCSAE) fodbold hjelm standarder. SI er baseret på den følgende ligning,

ligning 1 (1)

hvor A er det translatoriske acceleration af tyngdepunktet (CG) af hovedet, og t er accelerationen varighed. 11 blev 17 SI beregnet i henhold to NOCSAE standarder 18, hvor beregningen er begrænset af en 4 G tærskel langs den resulterende acceleration kurven. HIC-værdier blev beregnet ved følgende ligning,

ligning 1 (2)

hvor a er den translationelle acceleration af CG af hovedet, og t 1 og t 2 er de indledende og afsluttende gange, henholdsvis, af det interval, hvorved HIC opnår en maksimal værdi. Alle HIC-værdier beregnet i denne undersøgelse var HIC 36, når varigheden af tidsintervallet er begrænset til 36 ms.

NOCSAE Football Helmet Test Standards
NOCSAE Oversigt
I 1969 blev NOCSAE dannet for at udvikle præstationsnormer for amerikansk fodbold hjelme / faceguards og andet sportsudstyr med et mål om at reducere sports-relaterede skader. 17 NOCSAE fodbold hjelm standarder blev udviklet af Dr. Voigt Hodgson 9 Wayne State University til at reducere hovedskader ved om krav til effekt dæmpning og strukturel integritet for fodbold hjelme / faceguards. Disse fodbold hjelm standarder omfatter en certificering test og årlige recertificering procedurer for hjelme. I 2015 NOCSAE implementeret et kvalitetssikringsprogram kræver brug af en bestemt American National Standards Institute (ANSI) akkrediteret organ for hjelm certificering.

NOCSAE testmetoden
Den NOCSAE Football Helmet Standard omfatter ikke test af hjelme med faceguards da det kræver deres fjernelse før hjelm dråber udføres. De NOCSAE hjelm prøvningsstandarder 17 udnytte en twin-wire drop slaglegemet, der bygger på tyngdekraften til at fremskynde Hovedblokken og hjelm kombination for at de nødvendige konsekvensanalyser hastigheder. Den NOCSAE Hovedblokken er instrumenteret wed triaksiale accelerometre på tyngdepunktet. Kombinationen Hovedblokken og hjelm derefter faldt på bestemte hastigheder på en stål ambolt dækket med en 12,7 mm tyk hård gummi Modular Elastomer Programmør (MEP) pad. Ved anslaget, er den øjeblikkelige acceleration registreret og SI-værdier beregnes. Disse SI værdier sammenlignes mod en bestået / ikke bestået kriterium over en bred vifte af nødvendige effekt placeringer og hastigheder og to temperaturer, herunder ambient og høj temperatur påvirkninger. Hvis den resulterende SI værdi for enhver påvirkning misligholder tærsklen, så hjelmen vil ikke bestå testen.

En separat standard testmetode anvendes til fodbold Faceguard certificering. Den NOCSAE fodbold Faceguard standard omfatter strukturel integritet analyse samt vurdere virkningen dæmpning ydeevne Faceguard, hagerem, og deres fastgørelsessystemer. Hver måling effekt skal være under 1200 SI at bestå prøven, med ingen facial kontakt og ingen migniske svigt i en komponent, som defineret af NOCSAE Standard. 19

Der er en foreslået yderligere NOCSAE test (linearslaglegeme (LI)) 20, der omfatter hjelmen med Faceguard, men det er ikke hensigtsmæssigt til fodbold hjelm certificering, fordi det ikke kan indrømme en krone effekt. LI anvender en pneumatisk vædder at påvirke en hjelm placeret på en NOCSAE attraphovedets udstyret med en hybrid III-dukkens hals monteret på et lineært leje tabel for at inducere vinkelacceleration. Af denne grund LI testen er en yderligere prøve til den aktuelle twin-wire NOCSAE drop testprocedure og ikke en erstatning. 20, 21 i stedet for lithium tests, foreslår vi at blot tilføje yderligere to scenarier til den aktuelle twin-wire drop testprocedure.

Den NOCSAE standard testmetode for certificering af fodbold hjelme omfatter i øjeblikket seks foreskrevne virkning locationer og en tilfældig effekt placering. De foreskrevne indvirkning steder omfatter følgende: Front (F), Front Boss (FB), Side (S), Bag (R), Rear Boss (RB), og Top (T). Den tilfældige effekt placering testen kan vælge en region fra ethvert punkt inden for det definerede acceptable konsekvenser område af hjelmen. Placeringerne effekt for vores modificerede NOCSAE drop tårn Undersøgelserne omfatter udskiftning af tidligere definerede Front og Front Boss impact steder med hvad der blev nævnt som det Front Top (FT) og Front Top Boss (FTB) indvirkning steder. Vores Front Top og Front Top Boss impact steder er identiske med de forreste og højre Front Boss indvirkning steder i NOCSAE standard for Lacrosse Hjelme, som også omfatter den Faceguard for drop tests. 22 hjelmskal steder virkningen, herunder de udskiftede Front og Front Boss steder, er afbildet i figur 1. Derudover ændrede hjelm testmetode af vores nuværende Undersøgelsen omfatter to Faceguard impact steder, der var nævnt FG Front og FG Bund. De to Faceguard påvirkninger placeringer er identiske med de nødvendige konsekvensanalyser steder for de nuværende procedurer Faceguard certificering NOCSAE. De otte impact placeringer for de modificerede NOCSAE slagprøver ifølge den foreliggende undersøgelse er vist i figur 2.

figur 1
Figur 1: Anslået indvirkning steder for fodbold hjelme. De seks øjeblikket kræves NOCSAE drop test hjelm steder konsekvensanalyser, Front (F), Front Boss (FB), Side (S), Top (T), Rear (R), og Rear Boss (RB), og de to foreslåede impact steder , Front Top (FT), og Front Top Boss (FTB). Bemærk: NOCSAE standard testmetode for beskyttende hovedbeklædning omfatter ikke Front top og Front Top Boss impact steder (angivet i rød tekst) og for denne undersøgelse, de erstatter impact steder Front og Front Boss. (Billede modificeret fra NOCSAE DOC. 001-13m15b)

Figur 2
Figur 2: Modificeret NOCSAE drop test setup viser otte impact steder. Front Top, Front Top Boss, Side, Faceguard (FG) Front, Rear, Rear Boss, Top, og Faceguard Bottom (FB). Bemærk: NOCSAE standarden omfatter ikke Faceguard tilknytning og her Front top og Front Top Boss erstatte standard Front og Front Boss impact steder. (Billede modificeret fra NOCSAE DOC. 002-11m12) Klik her for at se en større version af dette tal.

Hjelm design har gradvist ændret sig i det seneste årti, mens NOCSAE fodbold hjelm standarder aldrig har medtaget Faceguard med hElmet ved evalueringen af ​​fodbold hjelm kravspecifikationer. Mens for nylig en ændring er gjort til at omfatte en bestået / ikke bestået værdi på 300 SI for de laveste hastighed virkninger (3,46 m / s), den generelle bestået / ikke bestået grænse på 1200 SI har ikke ændret sig siden 1997. 17 Før 1997, den NOCSAE brugte en 1500 SI bestået / ikke bestået kriterium. Hodgson et al. (1970) har vist, at SI-værdier på mere end 1000 er en fare for liv, mens SI værdier på 540 har produceret lineære kraniebrud i ikke-hjelmklædte kadaver slagprøver. 23 De fleste moderne fodbold hjelme har vist at passere et godt stykke under 1200 SI grænse, men ikke alle under 540 SI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Bemærk: Protokollen for den præsenterede testmetode henviser til følgende NOCSAE dokumenter (findes på http://nocsae.org/): NOCSAE DOC.002-13m13: "STANDARD PERFORMANCE SPECIFIKATION FOR nyfremstillede fodbold hjelme" 18. NOCSAE DOC.011-13m14d: "Producenter PROTOKOLSIDE GUIDE TIL vareprøve VALG til test for at NOCSAE standarder" 24. NOCSAE DOC.087-12m14: "STANDARD METODE TIL IMPACT TEST OG PERFORMANCE KRAV TIL FODBOLD FACEGUARDS" 25. NOCSAE DOC.100-96m14: "FEJLFINDING FOR testudstyr og IMPACT TEST" 26. NOCSAE DOC.101-00m14a: "UDSTYR kalibrering" 27

1. Test Setup

  1. Construct NOCSAE twin-wire drop slædeanordningen som defineret i afsnit 15.1 i NOCSAE DOC. 001, 18 som afbildet i figur 5. Kontroller, atalle dele af samlingen er sikkert fastgjort.
  2. Fastgør størrelse "store" NOCSAE attraphovedets til drop slædeanordningen ved at justere attraphovedets krave med den ønskede position på det kunstige rotator justering og ved at stramme modelhovedets gevind låseringen.
    Bemærk: Hvis det kunstige er nyt eller repareret, se afsnit 5 i NOCSAE DOC. 100. 26
  3. Fastgør den triaksiale accelerometer til accelerometer pladen placeret tyngdepunkt attraphovedets. Placer accelerometer i midten af ​​accelerometer plade foring op begge huller i accelerometer med hullerne i accelerometer plade. Brug af en Allen skruetrækker indsætte to skruer og stram dem i urets retning, indtil accelerometeret er sikkert monteret på accelerometer pladen.
  4. Konfigurer dataregistreringssystemets henhold til producentens specifikationer. 28
    1. forbint kablerne til datafangst forsamling.
      1. Slut accelerometer kabel til tre-vejs coaxial splitter, og tilslut et koaksialkabel til hver udgang koaksial splitter.
      2. Slut den frie ende af hver koaksialkabel fra tre-vejs coaxial splitter til en sensor indgangsport for kanalerne 1, 2 og 3 er placeret på bagsiden af ​​forstærkeren modulet.
      3. Tilslut en koaksialkabler fra udgangsportene i forstærkeren modulet (kanal 1, 2 og 3) til input tilslutninger på forsiden af ​​dataopsamlingssystem (kanal 1, 2, og 3, henholdsvis).
      4. Tilslut den split ende af RS-232-kabel til den bageste stik dataindsamlingssystemet.
      5. Slut resterende RS-232-kabel til Com Port 1 af den personlige computer (PC).
    2. Tænd for Personal Computer (PC) og login.
    3. Hent og installer dataopsamlingssystem software på computeren.
    4. Tænd for datafangst samling:Tilslut hver komponenter 120 volt stikkontakt til en strømkilde, derefter vende forstærkeren vippekontakt til "on" position.
    5. Dobbeltklik på programmet ikonet dataopsamling placeret på skrivebordet for at åbne softwaren.
    6. Overhold en prompt beder om at kontrollere modul status, skal du klikke på "Ja".
    7. Læg Test Setup fil. Klik på fanen "Setup", rul ned til "Open" og vælg derefter "Test Setup".
      1. Gennemse computeren biblioteket, finde og vælge den test setup fil mærket "NOCSAE1.TSF". Klik på "Load".
    8. Indtast oplysninger sensor til accelerometrene.
      1. Klik på den gule Sensor Input ikon for kanal 3 i det aktive modul.
      2. Sæt kalibreringen værdi (mV / G) for z-aksen accelerometer i "CAL Value" tekstfeltet.
      3. Klik på knappen "PREV".
      4. Gentag trin 1.4.8.1 - 1.4.8.3 for y-aksen accelerometer (kanal 2) og for the x-aksen accelerometer (kanal 1).
      5. Klik på den grønne "Return" ikonet for at afslutte sensor.
    9. Klik på den grønne "Gem" ikonet og derefter navngive Test Setup som "NOCSAE-JOVE".
    10. Klik på "gem".

2. Hjelm Forberedelse

  1. Vælg hjelmen model til test virkninger. For hjelm certificering vælge prøver til test i henhold til NOCSAE DOC.011. 24 Test prøven ifølge tabel 1 og som vist i figur 1 og 2.
  2. Vælg tilsvarende faceguards for hver udvalgt hjelm model. Forskellige fra NOCSAE standard, foretage base-hjelm slagprøver med baseline Faceguard for en sådan hjelm.
  3. Ved hjælp af en Philips skruetrækker, fastgøre den korrekte Faceguard og alle Faceguard specifik hardware til hver hjelm udvalgt til test. I modsætning til NOCSAE standard test method, teste alle hjelme med faceguards vedlagt.
  4. Tilstand hjelme i temperaturerne ifølge tabel 1, NOCSAE DOC. 002 7, og NOCSAE DOC.087 25 ved at udsætte dem for et laboratoriemiljø eller miljømæssig kammer. Foretage indledende hjelm faldprøver ved omgivelsestemperatur.
    1. Flyt udvalgte hjelme til et laboratorium miljø, 72 ° F, ± 5 ° F (22 ° C, ± 2 ° C), mindst 4 timer forud for testen.
    2. Hvis der er foretaget alle omgivende temperatur påvirkninger, udsætte hjelmen til den betingede temperatur, i henhold til tabel 1, for 4, men ikke længere end 24 timer. 7
      Bemærk: Mindst to og højst fire impact steder, der resulterer i den højeste registrerede SI-værdier for omgivende temperaturfald vil blive testet ved høj temperatur.

3. Kalibrering

  1. Udfør attraphoved Kalibrering: Hver attraphovedets skal kalibreres før test ved hjælp af triaksiale accelerometer, 3 "kalibrering MEP pad og slip steder / hastigheder som identificeret af den årlige NOCSAE Calibration Pad Kvalifikation Rapport for den specifikke kalibrering MEP pad.
    1. Fastgør 3 "Calibration MEP pad til ambolten ved hjælp af en unbrakonøgle.
    2. Brug af årlige NOCSAE Calibration Pad Kvalifikation Report, vælge en placering virkning og den tilsvarende anslagshastighed.
    3. Brug af Hovedblokken rotator samling og ambolt styreskinne, justere Hovedblokken og ambolt til den ønskede virkning orientering (front, side eller top). Se Tabel 1, bilag 2 i NOCSAE DOC. 001, 18 og NOCSAE DOC. 100. 26
      1. Fjern konus-loc bolt fra det kunstige rotator samling og orientere modelhovedets justeringsanordningen at tilpasse bolt-huller til den ønskede position. Indsæt og sikkert faSten konus-loc bolt.
      2. Løsn modelhovedets gevind låsering og drej det kunstige næse position til den ønskede retning. Spænd modelhovedets gevind låseringen.
      3. Løsn de to bundplade-ambolt bolte og skub ambolt indtil den ønskede placering effekt er opnået. Stram base-plade-ambolt bolte og sikrer alle forbindelser er sikkert fastgjort.
    4. Vedhæfte release system til at droppe slædeanordningen. Løft drop slædeanordningen til højden af ​​frigørelsessystemet. Centrer release systemet til fastgørelsespunkt på drop slædeanordningen derefter vende vippekontakten for systemet elektromagnetiske udledning til "On" position.
    5. Hæv drop slædeanordningen til den specifikke højde fast besluttet på at opnå den ønskede virkning hastighed. Bemærk: Specifikke højder kan variere for hvert system på grund af friktion variationer. Yderligere virkninger kan være nødvendigt at udføre varierende højde for at sikre korrekt indgående hastighed er enchieved.
    6. Klar det datafangst system til registrering af en begivenhed (i henhold til fremstiller specifikationer 28).
      1. Læg Test Setup fil. Klik på "Test" fanen, og klik derefter på "Collect data".
      2. Gennemse computeren biblioteket, finde og vælge den test setup fil mærket "NOCSAE-JoVE.TSF". Klik på "Load".
      3. Klik på "OK".
      4. Skriv en test beskrivelse "Beskrivelse" dialogboksen, og tryk derefter på "Tab" -tasten.
      5. Giv en 5 tegn test-ID, Skriv "JoVE1" og klik på "Fortsæt".
      6. Klik på "Fortsæt".
      7. Overhold instrumentering opvarmning op. Når tælleren har nået 15 s, skal du klikke på "Fortsæt".
      8. Overhold systemet automatisk udfører accelerometer kalibrering. Når alle kasser er farvet grøn, klik på "fortsæt".
    7. Ved hjælp af release-system, drop vognen assembly og udløse datafangst system til registrering af begivenheden ved samtidig at spejlvende både vippekontakter placeret på release systemet magt styreboks.
    8. Beregn og registrere den resulterende SI-værdi. Sørg resultatet er 1200 SI ± 2%.
    9. Gentag trin 3.4.2-3.4.8 indtil resultater opnås for hver af de tre krævede impact steder.
      Bemærk: Kalibrering pads skal rekvalificeres årligt på laboratoriet specificeret af NOCSAE.
  2. Udfør en systemkontrol og vedligeholde resultater. (se afsnit 18, NOCSAE DOC.001 18)

4. Test Procedure

  1. Udfør en systemkontrol og vedligeholde resultater.
  2. Udskift MEP pad bruges til kalibrering for MEP test pad.
  3. Vælg lokation og hastighed til test i henhold til tabel 1 effekt.
    Bemærk: Påvirkninger skal udføres fra laveste drop hastighed til den højeste. Omgivelsestemperatur påvirkninger should udføres før betingede påvirkninger.
  4. Korrekt justere attraphoved orientering og ambolt position til at opnå den ønskede placering effekt, som vist i figur 1 og 2 og i henhold til punkterne i afsnit 3.
  5. Vælg hjelm til test.
  6. Korrekt passer til den valgte hjelm til modelhovedets henhold til hjelm fabrikanter passer instruktioner og NOCSAE procedurer. Juster og sikkert fastgøre hjelmene hagerem til det kunstige.
    Bemærk: På grund af de yderligere begrænsninger af Faceguard, kan en let anvendelse af talkum støtte i montering af hjelmen til det kunstige.
  7. Fastgør systemet mekanisk frigivelse at droppe transport forsamling.
  8. Hæv drop slædeanordningen til den specifikke højde fast besluttet på at opnå den ønskede virkning hastighed.
  9. Klar det datafangst system til registrering af en begivenhed. Gentag trin 3.4.1 gennem 3.4.8.
  10. Brug af systemet mekanisk frigivelse droppe carrialder samling og samtidig udløse datafangst system til registrering af begivenheden.
  11. Umiddelbart efter sammenstødet, rekord SI, HIC, og peak acceleration resultater.
  12. Sammenlign registrerede resultater til bestået / ikke bestået kriterier. Forskellige fra NOCSAE Standard, sætte en bestået / ikke bestået værdi på 700 SI for alle 5,46, 4,88, og 4,23 m / sek virkninger. Fastholde bestået / ikke bestået kriterium på 300 SI for alle 3.46 m / sek virkninger.
  13. Gentag trin 4,3-4,11 indtil resultater opnås for alle de krævede virkninger.
    Bemærk: Det er acceptabelt at teste alle hjelme for en given påvirkning sted, før du ændrer hovedblokkens orientering og ambolt position.
  14. Udfør en systemkontrol ved afslutningen af ​​test og vedligeholde resultater.
  15. Datavalidering: Sammenlign pre-test og post-test-system kontrol og sikre, at enhver variation er 7% eller derunder.

figur 1
Tabel 1:Fodbold hjelm drop test matrix viser krævede påvirkninger ved drop hastighed (m / sek), og virkningen placering. (Tabel modificeret fra NOCSAE DOC. 002-13m13) Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En detaljeret kvantitativ analyse af resultaterne for denne metode blev præsenteret af Rush et al. (indsendt) En synopsis af resultaterne og den tilhørende effektiviteten af en koblet Faceguard-shell hjelm test metode vises i drop testresultater ved hjælp af Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, og Xenith X2 hjelme som eksempler. Hver af disse hjelme (af størrelse "store") med faceguards vises forskellige resultater i forhold til hjelme uden faceguards. Figur 3 forholdsvis plotter SI værdier for hvert eksempel hjelm med og uden Faceguard for Front Top, Front Top Boss, Top, Side, Rear, og Rear Boss impact steder på en anslagshastighed på 5,46 m / s. Mens den gennemsnitlige SI-værdi for hver af disse tre på hinanden følgende virkninger (90 ± 15 s) var langt under den NOCSAE 1200 SI tærskel, hver hjelm viste en unik beliggenhed-afhængig reaktion, når faceguard var vedlagt. Tabel 2 illustrerer yderligere betydningen af disse samme slagproever ved at vise Mean Forskelle (MD) med Root Squared Fejl (RSE) til chefen Injury Criterion (HIC), Severity Index (SI), og maksimale acceleration (G) værdier for med og uden Faceguard konfigurationer. Her blev en mindste kvadraters regression ved variansanalyse anvendes til P-værdi beregninger, der viser signifikante forskelle (p <0,05) for hjelme med og uden faceguards fastgjort under prøvningen. Ud over ændringer i HIC, SI, og Peak G, blev der observeret forskelle i impulsive reaktioner, når de faceguards blev sat til disse hjelm eksempler. Figur 4 viser drop testresultater af Xenith X2 hjelm med Faceguard og uden Faceguard på 4,88 m / s, som viser en forskel i acceleration-tid historie profil for hver målte akse (X, Y og Z). Det blev også observeret, at resultaterne var stærkt afhængige hjelm type, virkning location, og anslagshastighed.

Figur 3
Figur 3: Drop test. Repræsentative drop testresultater af Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, og ​​Xenith X2 hjelme på 5,46 meter i sekundet; viser Severity Index (SI) pr indvirkning placering for uden Faceguard (NOCSAE Standard) og med Faceguard (w / FG) hjelm konfigurationer med Standard Error. Bemærk: FG Front og FG Bottom direkte Faceguard virkninger er ikke vist. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4: NOCSAE drop test. Resultater af Xenith X2 hjelm (Top) med Faceguard og uden Faceguard på 4,88 m / s, showing en forskel i acceleration-tidsmæssige historik profil for hvert målt akse (X, Y og Z). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Tabel 2: repræsentant drop test. Resultater af Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, og ​​Xenith X2 hjelme på 5,46 m / s. Viser Mean Difference (MD) i hovedet Injury Kriterium (HIC), Severity Index (SI), og maksimale acceleration (G s) værdier for med og uden Faceguard konfigurationer tværs Front Top (FT), Front Top Boss (FTB), Top ( T), Side (S), Bag (R), og Rear Boss (RB) indvirkning steder. Bemærk: De viste værdier repræsenterer Mean Forskelle og Root Squared Fejl (RSE) i forhold til den uden Faceguard konfiguration til tre på hinanden følgende konsekvenser med intervaller 90 ±15 s. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5: Skematisk af twin-wire faldprøveopstilling. Den skematiske viser hver komponent af den mekaniske montage med instillationsperioder begrænsninger. Hver komponent er angivet med et tal, der svarer med en del beskrivelse som identificeret på listen over Materials. Se listen over materialer. (Billede fra NOCSAE DOC. 001-13m15b) Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den rapporterede metode at par NOCSAE fodbold hjelm og Faceguard drop slagprøver tilbyder en unik teknik til at vurdere bedre ydeevne for moderne fodbold hjelme. De mest kritiske trin til evaluering dette bedre ydelse karakteristisk for moderne fodbold hjelme er følgende: 1) korrekt opsætning af mekaniske test enhed; 2) nøjagtig udførelse kalibreringsprocedurer; og 3) korrekt fastgørelse af hjelmen / Faceguard til det kunstige.

Denne metode kræver ordentlig test setup og kalibrering. Der er iboende variabilitet mellem hver NOCSAE hovedblokkens grund af begrænsninger i fremstillingsprocessen, såsom porøsitet i de polymere materialer. NOCSAE bekæmper denne unikke variation af en normalisering proces via attraphoved kalibreringsprocedurer bruger, og årligt recertificeret kalibrering MEP pad. Således er det stadig vigtigere, at yderligere variation ikke indføres som ENSnder, at den mekaniske test samlingen er korrekt og sikkert vedligeholdt. Før testning, er det vigtigt, at gevind attraphoved krave og hovedblokkens rotator og slip bolte kontrolleres og forsvarligt strammet. Hjelm-Hovedblokken positionering og hagerem fit bør kontrolleres før hver en dråbe test. Under påvirkning, kan hjelmen skift, hvilket er acceptabelt, men kan være nødvendigt at blive justeret.

Ud over at teste procedurerne opsætning og kalibrering, afprøvning effekt kræver ordentlig hjelm forberedelse. Faceguard udvælgelse og korrekt fastgørelse af hjelm / Faceguard til modelhovedets er en kritisk del af testproceduren. For generel hjelm test, bør en baseline Faceguard model vælges og sikkert fastgjort med alle Faceguard specifik hardware. Typisk en baseline Faceguard er defineret som en, der tilbyder den minimale mængde af ansigtet beskyttelse, ikke herunder kicker-stil faceguards. På grund af variabiliteten i moderne hjelm design og den ekstra constraiNTS af Faceguard komponent, kan der kræves yderligere procedurer for korrekt hjelm-attraphoved vedhæftet fil. Generelt bør faceguards være sikkert fastgjort til før indsættelse på det kunstige hjelmen. Nogle hjelme kan kræve en delvis fastgørelse af Faceguard til hjelmen, som derefter fastgøres på hjelm-attraphoved indsættelse. En let anvendelse af talkum til modelhovedets kan støtte i hjelm vedhæftet fil. For andre fejlfinding henvises til NOCSAE fejlfinding guide for test og afprøvning af effekt (ND.087-12m14).

Den testprocedure krævede modifikation af NOCSAE standard impact steder, for at tage højde for tilsætningen af ​​Faceguard under testen. Stederne effekt for de nuværende drop tower Undersøgelserne omfatter udskiftning af NOCSAE standard Front og Front Boss med Front Top og Front Top Boss impact steder og inddragelse af Faceguard Front og Faceguard Bottom steder. Figur 3 viser SI levels ved forskellige impact steder, herunder de to nye foreslåede dem. For eksempel Riddell data, vist i figur 3, illustrerer det punkt, at de to nye placeringer pådrage størst SI niveauer, som ellers ikke ville have været kendt siden disse to nye tests ikke er nødvendig for NOCSAE certificering. Indledende test fastslået, at Front top og Front Boss var passer bedre indvirkning sites, da de vil påvirke hjelmen shell snarere end Faceguard. Disse websteder vil være mere realistisk ved at tillade direkte shell-liner virkninger, mens du stadig herunder begrænsningerne i Faceguard komponent. Direkte Faceguard virkninger blev opnået ved at inkludere Faceguard Front og Faceguard Bottom virkninger, som var identiske med de foreskrevne impact steder for NOCSAE fodbold Faceguard certificering test. Medtagelsen af ​​disse to virkninger er tilladt for en forenet fodbold hjelm og Faceguard drop testprocedure. Disse Faceguard virkninger kræves udveksleaf testen MEP med Faceguard MEP og yderligere konditionering procedurer miljømæssige, som skildret i tabel 1.

Repræsentative drop testresultater viser, at fodbold hjelme burde have faceguards fastgjort under testen. Sammenlignende drop testresultater viste, at Faceguard tilføjer en afstivende kinematisk begrænsning til skallen, der mindsker den samlede energi absorption. Figur 3 og tabel 2 viser forskelle i SI niveauer på tværs impact steder for hjelme i NOCSAE standard (uden Faceguard) og modificeret med Faceguard konfigurationer. Sammenlignet med den nuværende NOCSAE testmetode, fodbold testet med Faceguard vedhæftede hjelme viser unikke reaktioner, der er afhængige af hjelm type, som kan variere fra virkningen placering. Forskellene i disse reaktioner kan akkrediteres til de musling Faceguard koblinger, som er afhængige af unikke design af hjelmen, der testes. Den Rawlings Quantum Plus, Riddell 360 blev Schutt Ion 4D og Xenith X2 hjelme bruges til repræsentative resultater, da disse hjelme karakterisere nogle af de nyeste innovationer i hjelm teknologi. Hver af disse hjelme varierer betydeligt fra deres unikke design funktioner, herunder faceguards, Faceguard fastgørelsessystemer, Chinstrap fastgørelsessystemer og liner systemer. Som vist i tabel 2, disse repræsentative resultater viser betydelige variationer (p <0,05) i HIC, SI, og peak acceleration værdier, der er afhængige af hjelm type, effekt placering og Faceguard konfiguration. Derudover, forskelle i acceleration-tidsmæssige historik profil blev også observeret. Et eksempel på en sådan reaktion kan ses i figur 4, hvor den triaksiale acceleration respons (for X, Y og Z akserne) i Xenith X2 hjelmen på en 4,88 m / sek Top indvirkning viste en 40 G dip i X-aksen acceleration når Faceguard ikke var fastgjort. På grund af den yderligere begrænsning, atden Faceguard bringer til hjelmen skal, accelerationen dip var ikke-eksisterende for den samme effekt, når Faceguard var knyttet til skallen. Mere specifikt, da Faceguard ikke var medtaget, kunne polycarbonat shell nær nedslagsstedet flex mere og dermed absorbere mere energi. Når Faceguard var medtaget, ville polycarbonat skal ikke bøje så meget. Medtagelsen af ​​Faceguard under virkningen test er beregnet til mere nøjagtigt at efterligne på marken belastningsforhold.

Vores foreslåede testmetode anvender en strengere certificering grænse i forhold til den nuværende NOCSAE standard. I vores foreslåede testmetode til alle 5.46, 4,88, og 4,23 m / s konsekvenser, anbefaler vi, at NOCSAE udvalget oprette en ny sikker lavere SI niveau baseret på Hodgson et al. (1970) arbejde.

Hvis nogen resulterende SI-værdi for nogen effekt er større end disse respektive tærskler, så testen er fast besluttet på at være en fiasko. repræsentative resÜLTS (figur 3) viser, at SI-værdier for 5,46 m / s af alle testede i denne undersøgelse hjelme ligger langt under de nuværende 1200 SI NOCSAE bestået / ikke bestået kriterium for sådanne påvirkninger. Yderligere skade målinger af HIC og maksimale acceleration er medtaget i tabel 2, endnu ingen certificering grænser blev givet på disse målinger. Fremtidige hjelm certificering grænser bør undersøge ansættelse af flere skader metrisk bestået / ikke bestået kriterier.

Den sidste faktor for en forbedret hjelm test standard ville være at offentliggøre standard testresultater på en måde, der ville tillade en spiller at træffe en informeret beslutning om hjelm valg. For mange spillere, udseende er ofte den vigtigste faktor, når der vælges en fodbold hjelm / Faceguard kombination. Tungere grill-typen Faceguard er også blevet mere dominerende på fodboldbanen i dag formentlig af denne grund. Disse tungere faceguards flytte tyngdepunktet af atleter hovedet og tilføje en ekstra moment arm inducerer en mere skadelig moment under skrå hjelm til hjelm virkninger. Således er det stadig mere vigtigt at forstå den systematiske respons af hjelme og for spilleren at vide, hvordan disse tungere faceguards påvirker hjelm ydeevne. Fremtidig hjelm certificering bør pålægge fabrikanterne at vise størrelse og Faceguard-specifik hjelm testresultater.

Disse rapporterede testprocedurer tjener som en effektiv løsning, der giver mulighed for at vurdere bedre ydeevne karakteristika for nuværende og fremtidige fodbold hjelm systemer. Den testmetode defineret heri er beregnet til at være en ændring af den nuværende NOCSAE twin-wire drop testprocedure, som i sagens natur begrænser performance test af hovedbeklædning til lineære acceleration-baserede kriterier skade. Mens øjeblikket i brug og let tilgængelige, kan denne dobbelte-wire testanordning ikke måle vinkelacceleration. Sammenlignet med de eksisterende metoder, dette rapporterede fodbold hjelm testmetode giver et mere ACCURAte repræsentation af en hjelm ydeevne og dets evne til at mindske på feltet virkninger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PCB Triaxial Accelerometers PCB Model 353B17
TDAS2 Data Acqusition System Diversified Technical Systems, Inc.  TDAS2 Or an equivalent Data Acquisition System
Current Source (Amplifier)  Dytran Instruments, Inc. 4114B1 Or equivalent
Velocity gate and flag CADEX SB203 Or an equivalent velocimeter
Selected Football Helmet(s)/faceguard assem. including chinstrap and faceguard hardware
Height Gauge
Torque wrench Snap-on QD21000 range to 200 in/lb minimum, 5% accuracy
Twin-wire Guide Assembly
Drop Carriage  SIRC 1001
1/2" MEP Testing Pad SIRC 1006
1/8" Faceguard Testing Pad SIRC 1007
3" MEP Calibration Pad SIRC 1005 Including Annual NOCSAE Calibration Pad Qualification Report
3/8" Hook-eye Turnbuckle SIRC 1043 Forged Steel with a 6" take-up
1/8" Wire Rope Thimble  SIRC 1044
1/8" Spring Music Wire  SIRC 1045
1/8" Wire Rope, Tiller Rope Clamp, Bronze  SIRC 1046
3/8" 16 x 3“ Eye Bolt  SIRC 1041
3/8" Forged Eye Bolt SIRC 1040
Right Angle DC Hoist Motor  SIRC 2000
Single Groove Sheave (Pulley), 3 ¾"  SIRC 2002
Top Mount Plate SIRC 2003
18" Top Channel Bracket  SIRC 2004
Wall Mount Channel Bracket, 4' x 1 5/8"  SIRC 2005
Mechanical Release System  SIRC 2006
Lift Cable, Wire Rope, 20' Coil  SIRC 2007
Anvil Base Plate  SIRC 2010
Anvil  SIRC 2011
Headform Adjuster  SIRC 2012
Headform Rotator Stem SIRC 2013
Headform Threaded Lock ring SIRC 2016
 Headform Collar  SIRC 2014
Nylon Bushing  SIRC 1803
Small Headform  SIRC 1100
Medium Headform  SIRC 1101
Large Headform SIRC 1102
Taper-Loc Bolt
DC Motor Speed Controller (Reversible)  SIRC 2001

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Langlois, J. A., Rutland-Brown, W., Wald, M. M. The epidemiology and impact of traumatic brain injury: a brief overview. J Head Trauma Rehabil. (5), 375-378 (2006).
  2. Broglio, S. P., et al. Head impacts during high school football: a biomechanical assessment. J Athl Train. 44, 342-349 (2009).
  3. Broglio, S. P., Martini, D., Kasper, L., Eckner, J. T., Kutcher, J. S. Estimation of head impact exposure in high school football: Implications for regulating contact practices. Am. J. Sports Med. 41, 2877-2884 (2013).
  4. Costanza, A., et al. Review: Contact sport-related chronic traumatic encephalopathy in the elderly: clinical expression and structural substrates. Neuropathol Appl Neurobiol. 37, 570-584 (2011).
  5. McKee, A. C., Cantu, R. C., Nowinski , C. J., Hedley-Whyte, E. T., Gavett, B. E., Budson, A. E., Santini, V. E., Lee, H. S., Kubilus , C. A., Stern, R. A. Chronic traumatic encephalopathy in athletes: progressive tauopathy after repetitive head injury. J. Neuropathol Exp Neurol. 709-735 (2003).
  6. Bartsch, A., Benzel, E., Miele, V., Prakash, V. Impact test comparisons of 20th and 21st century American football helmets: Laboratory investigation. J Neurosurg. 116, 222-233 (2012).
  7. NOCSAE. Standard Performance Specification for Newly Manufactured Football Helmets. Paper No. 002-13m13 (2013).
  8. Greenwald, R. M., Gwin, J. T., Chu, J. J. Head Impact Severity Measures for Evaluating Mild Traumatic Brain Injury Risk Exposure. Neurosurg. 62, 789-798 (2008).
  9. Newman, J. A. Accidental Injury: Biomechanics and Prevention. Yoganandan, N. Springer. (2015).
  10. Newman, J. A., Shewchenko, N., Welbourne, E. A proposed new biomechanical head injury assessment function - the maximum power index. Stapp Car Crash J. 44, 215-247 (2000).
  11. Gadd, C. W. Use of a weighted-impulse criterion for estimating injury hazard. SAE Technical Papers. (1966).
  12. Lissner, H. R. Experimental Studies on the Relation Between Acceleration and Intracranial Pressure Changes in Man. Surgery, Gynecology and Obsterics. III, 329-338 (1960).
  13. Gurdjian, E. S., et al. Concussion - Mechanism and Pathology. Proceedings of the Seventh Strapp Car Crash Conference, (1963).
  14. Patrick, L. M., et al. Survival by Design - Head Protection. The Seventh Strapp Car Crash Conference, (1963).
  15. Versace, J. A review of the Severity Index. SAE Technical Papers. (1971).
  16. Newman, J., et al. A new biomechanical assessment of mild traumatic brain injury. Part 2. Results and conclusions. Proceedings of International Research Conference on the Biomechanics of Impacts. 223-233 (2000).
  17. NOCSAE. Standard Performance Specification for Newly Manufactured Football Helmets. Paper No. 002-11m11a (2011).
  18. NOCSAE. Standard Test Method and Equipment used in Evaluating the Performance Characteristics of Protective Headgear/Equipment. Paper No. 001-11m15 (2015).
  19. NOCSAE. Standard Method of Impact Test and Performance Requirements for Football Faceguards. Paper No. ND087-11M11 (2011).
  20. NOCSAE. Standards and Process. (2013).
  21. Gwin, J. T., et al. An investigation of the NOCSAE linear impactor test method based on in vivo measures of head impact acceleration in American football. J Biomech Eng. 132, (2010).
  22. NOCSAE. Standard Performance Specification for Newly Manufactured Lacrosse Helmets with Faceguards. NOCSAE DOC (ND) 041-11m12 (2013).
  23. Hodgson, V. R., Thomas, L. M., Prasad, P. Testing the validity and limitations of the severity index. SAE Technical Papers. (1970).
  24. NOCSAE. Manufactureers Procedural Guide for Product Sample Selection for Testing to NOCSAE Standards. Paper No. 011-13m14d (2014).
  25. NOCSAE. Standard Method of Impact Test and Performance Requirements for Football Faceguards. Paper No. 087-12M14 (2014).
  26. NOCSAE. Troubleshooting Guide for Test Equipment and Impact Testing. Paper No. ND100-96M14 (2014).
  27. NOCSAE. Equipment Calibration Procedures. Paper No. 101-00m14a (2014).
  28. Diversified Technical Systems. Source: http://www.dtsweb.com (2014).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics