Modifierade Drop Tower Impact Tester för amerikansk fotboll Hjälmar

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
Huvudsyftet med denna modifierade dropptorn testmetoden är att närmare representera på fältet effekterna av amerikansk fotboll hjälm systemet och främja förbättrade säkerhetsnormer. Det innebar testmetod kan ge kunskap om hjälmar systematisk respons som krävs för att effektivt utveckla förbättrad huvudbonader för hjärnskakning förebyggande. Förekomsten av hjärnskakningar har envist plågat kontakt sport, såsom amerikansk fotboll. I USA ensam, har idrottsrelaterade hjärnskakning uppskattats inträffa 1,6 till 3,8 miljoner gånger varje år. 1 En fotbollsspelare kan ha mer än 1.500 huvud effekter varje säsong. 2, 3 Även storleken på de flesta effekter kan vara sub-concussive, ansamling av dessa effekter kan leda till långsiktiga hjärnskador på grund av en effekt inducerad neurodegenerativa sjukdom som kallas kronisk traumatisk encefalopati (CTE). 4CTE är kopplad till en ackumulering av tau-protein i hjärnan, vilket leder till minnesförlust, beteende och personlighetsförändring, Parkinsons syndrom, och tal och gångrubbningar som ibland har lett till självmord. 5 Fotboll hjälmar har gjort några tekniska framsteg under de senaste 15 åren, men även dagens mest avancerade hjälmar inte helt lindra alla de infallande krafterna på hjälmen och därmed idrottare fortfarande ådra sig hjärnskakning. En studie genomförd av Bartsch et al. 6 visade att i många fall huvudet slag doser och huvud skaderisker iklädd vintage Leather hjälmar var jämförbara med dem som bär utbredda 21: a århundradet hjälmar, illustrerar behovet av förbättringar i utformningen och provningsstandarder fotbollshjälmar. I synnerhet, inte NOCSAE certifiering 7 inte kräva att faceguard ingå i fallprovningen för hjälmen. Den tillsatta styvhet från than faceguard ansluten till hjälmen skulle dramatiskt förändra den övergripande mekanisk respons. Den aktuella studien innebär en metod för att ge mer robusta hjälm säkerhetsstandarder som skulle fungera som en drivkraft för att främja säkrare hjälm mönster.

Bakgrund
Head Injury Metrics
De exakta biologiska mekanismerna i samband med hjärnskakningar förblir oidentifierade. Även om mycket arbete har gjorts i ett försök att kvantifiera skallskada toleranser av olika skade mått, har oenighet uppstått inom det biomedicinska samhället när det gäller dessa kriterier. Dessa skademekanismer är tänkta att relatera till flera enheter: linjär acceleration, rotationsacceleration, inverkan varaktighet och impuls. 8, 9, 10, 11 flera skadekriterier har använts för att definiera en hjärnskakning som ett mått på linjär acceleration. Wayne State toleranskurvan (WSTC) 12, 13, 14 har utvecklats för att förutsäga skallfraktur för fordons kraschar under en frontalkollision genom att definiera en tröskel kurva gräns för linjär acceleration kontra påverkan varaktighet. WSTC har tjänat som grund för andra skadekriterier som Severity Index (SI) 11 och chefen Injury Criterion (HIC), 15 som är de två vanligaste kriterier. SI och HIC både mäta inverkan svårighetsgrad baserad på viktade integraler av de linjära accelerationstidsprofiler. Även om dessa kriterier fastställa gränsvärden för linjär acceleration, har andra kriterier föreslagits att redogöra för rotationsacceleration, såsom chefen Impact Ström index. 8, 10, 16 Dagens hjälm teststandarder använder ofta en skada kriterium baserat på Wayne State Tilllerance Curve (nämligen HIC eller SI) eller toppacceleration kriteriet eller i vissa fall båda. Medan vissa ändringar behövs för att lägga till vinkelacceleration till standardprestationskriterier accelerationsbaserade kriterier förblir dominerande.

I denna studie, att de mätvärden som används bedöma den relativa säkerheten som varje hjälm som var den högsta resulterande accelerationen SI, och HIC-värden. Av dessa mått endast SI används för utvärdering i den nuvarande nationella Operating Kommittén för standarder för Athletic Equipment (NOCSAE) fotboll hjälm standarder. SI bygger på följande ekvation,

ekvation 1 (1)

där A är translatorisk acceleration av tyngdpunkten (CG) av huvudet, och t är varaktigheten acceleration. 11, var 17 SI beräknas enligt to NOCSAE standarder 18, där beräkningen begränsas av en 4 G tröskel längs den resulterande accelerationskurvan. HIC-värdena beräknades med följande ekvation,

ekvation 1 (2)

där en är translationell acceleration av CG av huvudet, och t 1 och t 2 är de inledande och avslutande gånger, respektive, av det intervall som HIC uppnår ett maximalt värde. Alla HIC-värden beräknas i denna studie var HIC 36, där varaktigheten av tidsintervallet är begränsad till 36 ms.

NOCSAE Fotboll Hjälm Test Standards
NOCSAE Översikt
1969 NOCSAE bildades för att utveckla prestandakrav för amerikansk fotboll hjälmar / faceguards och annan sportutrustning med ett mål att minska idrottsrelaterade skador. 17 NOCSAE fotboll hjälm standarder har utvecklats av Dr. Voigt Hodgson 9 av Wayne State University att minska skallskador genom att fastställa krav för inverkan dämpning och strukturell integritet för fotbolls hjälmar / faceguards. Dessa fotboll hjälm standarder omfattar ett certifieringstest och årliga omcertifiering rutiner för hjälmar. År 2015 genomförde NOCSAE ett kvalitetssäkringsprogram som kräver användning av en specifik American National Standards Institute (ANSI) ackrediterat organ för hjälm certifiering.

NOCSAE Testmetod
Den NOCSAE fotbollhjälm standard ingår inte testning av hjälmar med faceguards eftersom det kräver att de tas bort innan hjälm droppar genomförs. De NOCSAE hjälm teststandarder 17 utnyttjar en dubbelvira droppe kroppen som förlitar sig på allvar att påskynda huvudformen och hjälm kombination med de erforderliga slaghastigheter. Den NOCSAE Huvudet är instrumenterad wed treaxliga accelerometrar på tyngdpunkten. Huvudformen och hjälm Kombinationen sedan tappas vid specifika hastigheter på en stål städ täckt med en 12,7 mm tjock hårdgummi Modular Elastomer programmerare (MEP) pad. Vid påverkan, är den momentana acceleration registreras och SI-värden beräknas. Dessa SI värden jämförs mot en godkänd / underkänd kriteriet över en mängd olika nödvändiga platser bedömningar och hastigheter och två temperaturer, inklusive omgivningstemperatur och höga effekter temperatur. Om det resulterande SI värde för någon inverkan bryter tröskeln, då hjälmen inte kommer att passera testet.

Ett separat standardtestmetod används för fotboll faceguard certifiering. Den NOCSAE fotboll faceguard standarden innehåller strukturell integritet analys samt bedöma effekterna dämpnings prestanda faceguard, hakrem, och deras fästsystem. Varje mätning inverkan måste vara lägre än 1200 SI att klara provet, utan ansiktskontakt och ingen migkaniska fel på någon komponent, såsom definieras av NOCSAE Standard. 19

Det finns ett förslag till ytterligare NOCSAE test (linjär slag (LI)) 20 som innefattar hjälmen med faceguard, men det är inte lämpligt för fotboll hjälm certifiering eftersom det inte kan erkänna en krona inverkan. LI använder en pneumatisk kolv för att påverka en hjälm placerad på en NOCSAE huvudformens utrustad med en hybrid III dummy hals monterad på ett linjärt lager bordet för att inducera vinkelaccelerationen. Av denna anledning LI-testet är ett ytterligare test för att den aktuella dubbelvira NOCSAE droppe testförfarande och inte en ersättare. 20, 21 i stället för de LI tester, föreslår vi att helt enkelt lägga till ytterligare två scenarier till den aktuella fallprovet förfarande dubbelvira.

Den NOCSAE standard testmetod för certifiering av fotbollshjälmar omfattar för närvarande sex skriven inverkan locaningar och en slumpmässig plats inverkan. De föreskrivna slag platser inkluderar följande: Front (F), Front Boss (FB), Side (S), bakre (R), bakre Boss (RB), och Top (T). Den slumpmässiga påverkan läge test kan välja en region från vilken punkt som helst inom den definierade acceptabla träffytan av hjälmen. Platserna för våra modifierade NOCSAE droppe torn islagsprovningar inkluderar ersätter de tidigare definierade Front och Front Boss slag platser med vad som anges som Front Top (FT) och Front Top Boss (FTB) slag platser. Våra Front Top och Front Top Boss slag platser är identiska med de och höger front Boss platser effekten av de NOCSAE standarden för Lacrosse Hjälmar, vilket även inkluderar faceguard för falltester. 22 hjälmskalet platser konsekvens, inklusive de ersatta Front och Front Boss platser, visas i figur 1. Dessutom modifierade hjälmen testmetoden av vår nuvarande studie omfattar två faceguard IMPACt platser som namngavs FG Front och FG Bottom. De två faceguard påverkar platser är identiska med de nödvändiga platser för de nuvarande NOCSAE faceguard certifieringsförfaranden bedömningar. De åtta slagplatser för de modifierade NOCSAE tester av föreliggande studie konsekvens visas i figur 2.

Figur 1
Figur 1: Ungefärliga slag platser för fotbollshjälmar. De sex krävs för närvarande NOCSAE fallprovningen hjälm platser slag fram (F), Front Boss (FB), Side (S), Top (T), bakre (R), och bakre Boss (RB), och de två föreslagna slag platser , Front Top (FT), och Front Top Boss (SMT). Obs: NOCSAE standard testmetod för skyddande huvudbonad omfattar inte Front Top och Front Top Boss slag platser (anges i röd text) och för denna studie ersätter de främre och Front Boss slag platser. (Bild modifierad från NOCSAE DOC. 001-13m15b)

figur 2
Figur 2: Modifierad NOCSAE falltest inställning visar åtta slag platser. Front Top, Front Top Boss, Side, Faceguard (FG) främre och bakre, bakre Boss, Top, och Faceguard Bottom (FB). OBS: NOCSAE standarden omfattar inte faceguard fäste och här Front Top och Front Top Boss ersätta de vanliga Front och Front Boss slag platser. (Bild modifierad från NOCSAE DOC. 002-11m12) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Hjälm mönster har successivt förändrats under de senaste tio åren, medan NOCSAE fotboll hjälm standarder aldrig har inkluderat faceguard med hELMET utvärderingen av fotboll hjälm prestandaspecifikationer. Medan nyligen en ändring har gjorts för att inkludera en pass / misslyckas värde av 300 SI för låga hastighetseffekter (3,46 m / s), den allmänna pass / misslyckas gräns på 1200 SI har inte ändrats sedan 1997. 17 Före 1997, den NOCSAE använde en 1500 SI godkänd / underkänd kriterium. Hodgson et al. (1970) har visat att SI-värden som är större än 1000 är en fara för liv, medan SI-värden av 540 har producerat linjära skallfrakturer i icke-hjälm avlidna slagprovningar. 23 De flesta moderna fotbollshjälmar har visat att passera väl under 1200 SI gräns, men inte alla under 540 SI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Obs: Protokollet för den presenterade testmetoden avser följande NOCSAE dokument (finns på http://nocsae.org/): NOCSAE DOC.002-13m13: "standardutförande SPECIFIKATION FÖR nytillverkade fotboll hjälmar" 18. NOCSAE DOC.011-13m14d: "Tillverkare PROTOKOLL GUIDE FÖR PRODUKT urvalet för att testa NOCSAE Standards" 24. NOCSAE DOC.087-12m14: "standardmetod för IMPACT TEST OCH Prestationskravet för FOTBOLL FACEGUARDS" 25. NOCSAE DOC.100-96m14: "Felsökning på testutrustning och slagprovning" 26. NOCSAE DOC.101-00m14a: "utrustning kalibreringsprocedurer" 27

1. Test Setup

  1. Konstruera NOCSAE dubbelvira droppe vagnsaggregat enligt definitionen i avsnitt 15.1 i NOCSAE DOC. 001, 18 såsom visas i fig 5. Bekräfta detalla komponenterna i utrustningen är ordentligt fastsatta.
  2. Fäst storlek "large" NOCSAE huvudformen till släppvagnenheten genom att rikta in Huvudet krage med det önskade läget på huvudformens rotator justerings och genom att dra åt huvudformen gängade låsringen.
    Obs: Om huvudformen är ny eller reparerad, se avsnitt 5 av NOCSAE DOC. 100. 26
  3. Säkert fästa treaxlig accelerometer till accelerometern plåten vid tyngdpunkt huvudformen. Placera accelerometern i mitten av accelerometern plattan rada upp båda hålen i accelerometern med hålen i accelerometer plattan. Använda en Allen skruvmejsel sätter båda skruvarna och dra åt dem i en medurs tills accelerometern är säkert monterad till accelerometern plattan.
  4. Konfigurera datainsamlingssystemet enligt tillverkarens specifikationer. 28
    1. Connect kablarna för datainsamling enheten.
      1. Anslut accelerometer kabeln till trevägs koaxial splitter, sedan ansluta en koaxialkabel till varje utgång av koaxial splitter.
      2. Anslut den fria änden av varje koaxialkabel från tre-vägs koaxial splitter till en sensor ingångsport för kanalerna 1, 2 och 3 ligger på baksidan av förstärkarmodulen.
      3. Anslut en koaxialkablar från utgångarna på förstärkaren modulen (kanalerna 1, 2 och 3) till ingångar på framsidan av datainsamlingssystem (kanaler 1, 2, och 3, respektive).
      4. Anslut split änden av RS-232-kabel till den bakre kontakten på datainsamlingssystem.
      5. Anslut återstående RS-232-kabel till COM-port 1 i Personal Computer (PC).
    2. Slå på Personal Computer (PC) och inloggning.
    3. Ladda ner och installera datainsamlingssystemprogramvaran på datorn.
    4. Slå på datainsamlingsenhet:Anslut varje komponenter 120 volts uttag till en strömkälla, sedan vända förstärkaren vippströmbrytare till läge "på".
    5. Dubbelklicka på programikonen datainsamling på skrivbordet för att öppna programmet.
    6. Observera en prompt ber att kontrollera modulstatus, klicka på "ja".
    7. Ladda Test Setup fil. Klicka på "Inställningar" -fliken, bläddra ner till "Öppna" och välj sedan "Test Setup".
      1. Bläddra i datorn katalogen, lokalisera och välja testinstallationsfilen märkt "NOCSAE1.TSF". Klicka på "Load".
    8. Ange sensorinformation för accelerometrar.
      1. Klicka på den gula Sensor Input ikonen för kanal 3 i den aktiva modulen.
      2. Sätt i kalibreringsvärdet (mV / G) för z-axeln accelerometer i "CAL Value" textrutan.
      3. Klicka på "PREV" -knappen.
      4. Upprepa steg 1.4.8.1 - 1.4.8.3 för y-axeln accelerometer (kanal 2) och för the x-axeln accelerometer (kanal 1).
      5. Klicka på den gröna "Return" ikonen för att avsluta sensor.
    9. Klicka på den gröna "Spara" -ikonen och sedan namnge Test Setup som "NOCSAE-JUPITER".
    10. Klicka på "Spara".

2. Hjälm Framställning

  1. Välj hjälmen modell för att testa effekt. För hjälm certifiering väljer prov för att testa enligt NOCSAE DOC.011. 24 Test provet i enlighet med tabell 1 och såsom avbildas i figurerna 1 och 2.
  2. Välj motsvarande faceguards för varje vald hjälm modell. Till skillnad från NOCSAE standarden, genomföra grundtester hjälm slag med baslinjen faceguard för sådan hjälm.
  3. Med hjälp av en stjärnskruvmejsel, säkert fästa rätt faceguard och alla faceguard specifik hårdvara till varje hjälm ut för testning. I motsats till NOCSAE standardtest metod, testa alla hjälmar med faceguards bifogas.
  4. Skick hjälmar i temperaturerna enligt tabell 1, NOCSAE DOC. 002 7, och NOCSAE DOC.087 25 genom att utsätta dem för en laboratoriemiljö eller klimatkammare. Genomför initiala hjälm fallprov vid rumstemperatur.
    1. Flytta valda hjälmar till en laboratoriemiljö, 72 ° C, ± 5 ° F (22 ° C, ± 2 ° C), åtminstone 4 timmar före testning.
    2. Om alla omgivande effekter temperatur har utförts, utsätta hjälmen till rade temperatur, enligt tabell 1, för fyra men inte längre än 24 timmar. 7
      Obs: Minst två men högst fyra slag platser som resulterar i den högsta uppmätta SI-värdena för omgivande temperaturen sjunker kommer att testas vid hög temperatur.

3. Kalibrering

  1. Utför huvudattrapp Kalibrering: Varje Huvudet måste kalibreras innan tester med treaxlig accelerometer, tre "kalibrerings MEP pad och släpp platser / hastigheter som identifierats av den årliga NOCSAE kalibrerings Pad Kvalificeringsrapport för den specifika kalibrerings MEP pad.
    1. Säkert fästa tre "Kalibrering MEP pad till städet med hjälp av en insexnyckel.
    2. Använda den årliga NOCSAE kalibrerings Pad Kvalificeringsrapport, välj en anslagsläget och motsvarande anslagshastighet.
    3. Använda Formen rotator montering och städ styrskenan, justera huvudform och städ till önskad effekt orientering (front, sida, eller topp). Se tabell 1, bilaga 2 NOCSAE DOC. 001, 18 och NOCSAE DOC. 100. 26
      1. Ta bort avsmalnande loc blixt från huvudformen rotator montering och orientera huvudets justerings att anpassa bulthål till önskad position. Infoga och säkert faSten avsmalningen-loc bult.
      2. Lossa huvudformen gängade låsringen och rotera huvudformen näsa ställning till önskad riktning. Dra åt huvudformen gängade låsringen.
      3. Lossa de två grundplattstäd bultar och skjut städ tills önskad effekt plats uppnås. Dra bas plattan-städ bultar och se till att alla anslutningar sitter ordentligt fast.
    4. Fäst frigöringssystem för att släppa vagnenheten. Lyfta droppe vagnenheten till höjden av frisättningssystemet. Centrera utlösningssystemet till dess fästpunkt på drop vagnenheten sedan vända vippströmbrytare för systemet elektromagnetiska utsläpp till "På".
    5. Höj släppa vagnenheten till den specifika höjden fast beslutna att uppnå önskad effekt hastighet. Obs: Specifika höjder kan variera för varje system på grund av friktionsvariationer. Ytterligare effekter kan behöva utföras varierande höjd för att säkerställa en korrekt inkommande hastighet är enchieved.
    6. Redo datainsamlingssystem för inspelning av en händelse (enligt tillverkare specifikationer 28).
      1. Ladda Test Setup fil. Klicka på "Test" fliken och klicka sedan på "Collect Data".
      2. Bläddra i datorn katalogen, lokalisera och välja testinstallationsfilen märkt "NOCSAE-JoVE.TSF". Klicka på "Load".
      3. Klicka på "OK".
      4. Skriv en testbeskrivning "Beskrivning" i dialogrutan och tryck sedan på "Tab" -tangenten.
      5. Tillhandahålla en 5 tecken test-ID, typ "JoVE1" och klicka på "Fortsätt".
      6. Klicka på "Fortsätt".
      7. Observera instrumentering uppvärmningen. När räknaren har nått 15 sekunder, klicka på "Fortsätt".
      8. Observera systemet automatiskt utför accelerometer kalibrering. När alla rutor är färgade gröna, klicka på "Fortsätt".
    7. Använda utlösningssystemet, släpp vagnen assembly och utlösa datainsamlingssystem för att spela in händelsen genom att samtidigt vända båda vippströmbrytare placerade på utlösningssystemet effektkontrollboxen.
    8. Beräkna och registrera den resulterande SI värde. Se till att resultatet är 1200 SI ± 2%.
    9. Upprepa steg 3.4.2-3.4.8 tills resultat erhålls för vart och ett av de tre nödvändiga slag platser.
      Obs: Kalibrerings kuddar bör kvalificeras årligen på laboratoriet anges av NOCSAE.
  2. Utför en systemkontroll och bibehålla resultat. (se avsnitt 18, NOCSAE DOC.001 18)

4. Testa ordningen

  1. Utför en systemkontroll och bibehålla resultat.
  2. Byt ut MEP dynan som används för kalibrering för MEP testdyna.
  3. Välj plats effekter och hastighet för att testa enligt tabell 1.
    Obs: Effekter måste utföras från lägsta droppe hastighet till den högsta. Omgivningstemperatur effekter should genomföras före konditionerade effekter.
  4. Korrekt justera huvudets orientering och städ position för att uppnå önskad effekt plats, som visas i figur 1 och 2 och i enlighet med anvisningarna i avsnitt tre.
  5. Välj hjälm för testning.
  6. Korrekt passa den valda hjälmen huvudformen enligt hjälmtillverkare monteringsanvisningar och NOCSAE förfaranden. Justera och säkert fästa hjälmar hakrem till huvudformen.
    Obs: På grund av de ytterligare begränsningar av faceguard, kan en lätt tillämpning av talk underlätta montering av hjälmen till huvudformen.
  7. Fäst mekaniska frigöringssystem för att släppa vagnenheten.
  8. Höj släppa vagnenheten till den specifika höjden fast beslutna att uppnå önskad effekt hastighet.
  9. Redo datainsamlingssystem för inspelning av en händelse. Upprepa steg 3.4.1 till 3.4.8.
  10. Med användning av utlösningssystemet mekanisk släppa carriålder montering och samtidigt utlösa datainsamlings system för att registrera händelsen.
  11. Omedelbart efter påverkan, rekord SI, HIC, och toppacceleration resultat.
  12. Jämför de registrerade resultaten godkänd / underkänd kriterier. Till skillnad från NOCSAE Standard, ställa in en pass / misslyckas värde av 700 SI för alla 5,46, 4,88 och 4,23 m / s effekter. Bibehålla godkänt / underkänt kriterium på 300 SI för alla 3,46 m / sek effekter.
  13. Upprepa steg från 4,3 till 4,11 tills resultat erhålls för alla nödvändiga konsekvenser.
    Obs: Det är acceptabelt att testa alla hjälmar för en viss inverkan läge innan du ändrar Formen orientering och städ läge.
  14. Utför en systemkontroll efter avslutad provning och bibehålla resultat.
  15. datavalidering: Jämför förtest och efter provet systemkontroller och se till att varje förändring är 7% eller mindre.

Figur 1
Bord 1:Fotboll hjälm droppe testmatris som visar nödvändiga konsekvenser för droppe hastighet (m / s) och islagspunkten. (Tabell modifierad från NOCSAE DOC. 002-13m13) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En detaljerad kvantitativ analys av resultaten för denna metod presenterades av Rush et al. (lämnas) En sammanfattning av resultaten och tillhörande effektiviteten av en kombination faceguard skal hjälm testmetod visas i dropptestresultat med hjälp av Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, och Xenith X2 hjälmar som exempel. Var och en av dessa hjälmar (storlek "large") med faceguards visas olika resultat jämfört med hjälmar utan faceguards. Figur 3 tomter jämförelsevis SI värdena för varje exempel hjälm med och utan faceguard för Front Top, Front Top Boss, topp, sida, bak och bak Boss slag platser med en kollisionshastighet på 5,46 m / s. Medan medelvärdet SI värdet för vart och ett av dessa tre på varandra följande effekter (90 ± 15 s) var långt under NOCSAE 1200 SI tröskel varje hjälm visas ett unikt läge beroende gensvar när faceguard fästes. Tabell 2 visar vidare betydelsen av dessa samma slagprov genom att visa Mean skillnader (MD) med Root Squared Fel (RSE) för Head Injury Criterion (HIC), Severity Index (SI), och högsta resulterande acceleration (G) värden för med och utan faceguard konfigurationer. Här, var en minsta kvadratregression genom variansanalys användes för P-värdesberäkningar som visar signifikanta skillnader (p <0,05) för hjälmar med och utan faceguards fästa vid provning. Förutom förändringar i HIC, SI, och Peak G, olikheter i impulsiva reaktioner observerades när de faceguards sattes till dessa hjälm exempel. Figur 4 visar släppa testresultat av Xenith X2 hjälm med faceguard och utan faceguard på 4,88 m / s, visar en skillnad i acceleration tidshistorik profil för varje uppmätt axel (X, Y och Z). Det observerades också att resultaten var starkt beroende av Hjälm, påverkan lokalijon, och anslagshastighet.

Figur 3
Figur 3: Drop test. Representativa droppe testresultat av Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, och Xenith X2 hjälmar på 5,46 meter per sekund; visar Severity Index (SI) per inverkan plats för utan faceguard (NOCSAE Standard) och med faceguard (w / FG) hjälm konfigurationer med standardfel. Obs: FG Front och FG Bottom direkt faceguard effekter visas inte. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4: NOCSAE falltest. Resultat av Xenith X2 hjälm (Top) med faceguard och utan faceguard på 4,88 m / s, showing en skillnad i acceleration-tidshistorikprofil för varje uppmätt axel (X, Y och Z). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Tabell 2: Representant falltest. Resultaten av Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, och Xenith X2 hjälmar på 5,46 m / s. Visar medeldifferens (MD) i Head Injury Criterion (HIC), Severity Index (SI), och högsta resulterande acceleration (G: s) värden med och utan faceguard konfigurationer över Front Top (FT), Front Top Boss (SMT), Top ( T), Side (S), bakre (R), och bakre Boss (RB) slag platser. Notera: Visade värden representerar Mean skillnader och Root Squared fel (RSE) i förhållande till den utan faceguard konfiguration för tre på varandra följande effekter med mellanrum 90 ±15 s. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5: Schematisk av dubbelvira droppe testrigg. Den schematiska visar varje komponent i den mekaniska enheten med ingivningsmängder begränsningar. Varje komponent betecknas med ett nummer som motsvarar en del beskrivning som anges i listan över Materials. Se listan över Materials. (Bild från NOCSAE DOC. 001-13m15b) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den rapporterade metod som par NOCSAE fotboll hjälm och faceguard fallslagprov erbjuder en unik teknik för att bedöma bättre prestanda hos moderna fotbollshjälmar. De mest kritiska stegen för utvärdering av detta bättre prestanda kännetecknande för moderna fotboll hjälmar är följande: 1) korrekt inrätta den mekaniska testenheten; 2) korrekt genomför kalibreringsprocedurer; och 3) ordentligt fästa hjälmen / faceguard till huvudformen.

Denna metod kräver ordentliga testet installation och kalibrering. Det är en naturlig variation mellan varje NOCSAE huvudformen på grund av begränsningar i tillverkningsprocessen, som omfattar porositet i polymera material. NOCSAE bekämpar denna unika variationen av en normaliseringsprocess via Formen kalibreringsprocedurer som använder och årligen omcertifierades kalibrerings MEP pad. Sålunda är det allt viktigare att ytterligare variation inte införs av ENSnder att den mekaniska provningen enheten är korrekt och säkert upprätthålls. Före testning är det viktigt gäng Huvudet krage och huvudformen rotator och släppa vagnsbultarna kontrolleras och ordentligt åtdragna. bör kontrolleras hjälmhuvudform positionering och hakrem passform före varje fallprov. Under inverkan kan hjälmen skifta, vilket är godtagbart, men kan behöva justeras.

Förutom att testa installationen och kalibrering, kräver att testa effekten ordentlig hjälm förberedelse. Faceguard val och korrekt montering av hjälm / faceguard till huvudformen är en viktig del av testproceduren. För allmän hjälm testning, bör en baslinje faceguard modell väljas och säkert fastsatt med alla faceguard specifik hårdvara. Typiskt en baslinje faceguard definieras som en som ger minimalt med ansiktsskydd, exklusive kicker-stil faceguards. På grund av variationen i modern hjälm och den extra constraiNTS av faceguard komponenten kan ytterligare förfaranden krävas för korrekt hjälmFormen fäste. Generellt bör faceguards fästas ordentligt hjälmen före insättning på huvudformen. Vissa hjälmar kan kräva partiell fastsättning av faceguard till hjälmen som sedan fästs på hjälmFormen insättning. En lätt tillämpning av talk till huvudformen kan bidra till hjälmfäste. För andra felsöknings se NOCSAE felsökningsguide för testutrustning och slagprovning (ND.087-12m14).

Testförfarandet krävs modifiering av NOCSAE standardslag platser, i syfte att ta hänsyn till tillsatsen av faceguard under testning. Platserna för de nuvarande droppe tornet slagprov omfattar utbyte av den NOCSAE standard Front och Front Boss med Front Top och Front Top Boss slag platser och integration av Faceguard Fram och Faceguard Bottom platser. Figur 3 visar SI levels på olika ställen slag inklusive de två nya föreslagna sådana. Till exempel Riddell data, som visas i figur 3, visar den grad att de två nya platser ådra de största SI nivåer som annars inte skulle ha varit kända sedan dessa två nya tester inte har krävts för NOCSAE certifiering. Inledande tester fastställt att Front Top och Front Boss var bättre lämpade slag platser eftersom de skulle påverka hjälmskalet snarare än faceguard. Dessa områden skulle vara mer realistiskt genom att tillåta direkt shell-liner effekter samtidigt inklusive begränsningar av faceguard komponenten. Direkt faceguard effekter uppnåddes genom att inkludera Faceguard Front och Faceguard Bottom effekter, som var identiska med de föreskrivna platser för NOCSAE fotboll faceguard certifierings islagsprovningar. Införandet av dessa två effekter som tillåts för en enhetlig fotboll hjälm och faceguard droppe testförfarande. Dessa faceguard effekter krävs att utbytaav test MEP med faceguard MEP och ytterligare miljöförfaranden konditione, som porträtteras i tabell 1.

Representativa droppe testresultat visar att fotboll hjälmar borde ha faceguards fäst vid provning. Jämförande droppe testresultat visade att faceguard lägger till en hårdnande kinematisk hinder för skalet som minskar den totala energiupptagning. Figur 3 och tabell 2 visar skillnader i SI nivåer över slag platser för hjälmar i NOCSAE standard (utan faceguard) och modifierade med faceguard konfigurationer. Jämfört med den nuvarande NOCSAE testmetod fotboll hjälmar testas med faceguard fäst visar unika svar som är beroende av Hjälm, som kan variera beroende på islagspunkten. Skillnaderna i dessa svar kan vara ackrediterade till skal- faceguard kopplingar, som är beroende av unika designfunktioner i hjälmen som testas. den Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, var Schutt Ion 4D och Xenith X2 hjälmar som används för representativa resultat, eftersom dessa hjälmar karakterisera några av de senaste innovationerna inom hjälmteknologi. Var och en av dessa hjälmar varierar avsevärt genom sina unika designfunktioner inklusive faceguards, faceguard fästsystem, chinstrap fästsystem och linjesystem. Som visas i tabell 2, dessa representativa resultat visar stora variationer (p <0,05) i HIC, SI, och toppaccelerationsvärden som är beroende av Hjälm, påverkan plats och faceguard konfiguration. Dessutom, skillnader i acceleration tid historia profil observerades också. Ett exempel på ett sådant svar kan ses i figur 4, där treaxlig accelerationssvar (för X, Y och Z-axeln) av Xenith X2 hjälmen på en 4,88 m / sek Topp inverkan uppvisade en 40 G dopp i X-axeln accelerations när faceguard inte var fäst. På grund av den ytterligare begränsningen attden faceguard tillför hjälmskalet, accelerations dip var obefintlig för samma effekt när faceguard fästes till skalet. Närmare bestämt, när faceguard inte ingick, kunde skal av polykarbonat nära träffpunkten flex mer och därmed absorbera mer energi. När faceguard ingick, skulle skal av polykarbonat inte flex så mycket. Införande av det faceguard under testning påverkan är avsedd att mer exakt efterlikna on-fältet belastningsförhållanden.

Vår föreslagna testmetoden använder en strängare certifierings gräns jämfört med nuvarande NOCSAE standard. I vår föreslagna testmetoden för alla 5.46, 4.88, och 4.23 m / s effekter, rekommenderar vi att NOCSAE kommittén skapa en ny säker lägre SI nivå baserat på Hodgson et al. (1970) arbete.

Om eventuell SI värde för någon påverkan är större än dessa respektive trösklar, då testet är fast besluten att vara ett misslyckande. representativa resÜLTS (Figur 3) visar att SI-värden för 5,46 m / s alla hjälmar testades i denna studie ligger långt under den nuvarande 1200 SI NOCSAE godkänt / underkänt kriterium för sådana effekter. Ytterligare skademått av HIC och högsta resulterande acceleration ingår i tabell 2, men inga certifieringsgränserna gavs på dessa mått. Framtida hjälm certifieringsgränserna bör undersöka anställning av flera skador metriska pass / misslyckas kriterier.

Den sista faktorn för en förbättrad hjälm teststandarden skulle vara att publicera standardtestresultat på ett sätt som skulle tillåta en spelare att göra ett välgrundat beslut om hjälm val. För många spelare är utseendet ofta den viktigaste faktorn när man väljer en fotboll hjälm / faceguard kombination. Tyngre grill-typ faceguard blir också mer dominerande på fotbollsplanen idag förmodligen av denna anledning. Dessa tyngre faceguards förskjuta tyngdpunkten för den idrottare huvudet och lägga till en extra moment arm framkalla en mer skadlig vridmoment under sned hjälm till hjälm effekter. Sålunda är det allt viktigare att förstå systematisk respons hjälmar och för spelaren att veta hur dessa tyngre faceguards påverkar hjälm prestanda. Framtida hjälm certifiering bör kräva att tillverkarna att visa storlek och faceguard specifika hjälm testresultat.

Dessa rapporterade testprocedurer fungera som en effektiv lösning som gör det möjligt förmåga att bedöma bättre prestanda för dagens och framtidens fotboll hjälmsystem. Testmetoden definieras häri är avsedd att vara en ändring av den nuvarande NOCSAE dubbelvira droppe testförfarande, som i sig begränsar funktionskontroll av huvudbonader till accelerationsbaserade kriterier skador. Även för närvarande är i bruk och lättillgänglig, kan denna dubbelviratestenheten inte mäta vinkelacceleration. Jämfört med de befintliga metoderna, rapporterade detta fotbollhjälm testmetod ger en mer Accurate representation av en hjälm prestanda och dess förmåga att mildra om-området inverkan.

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