Modifiserte Drop Tower slagtester for American Football Hjelmer

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

Motivasjon
Hovedmålet med dette modifiserte dråpe tårn testmetode er å nærmere representere on-feltet virkningene av amerikansk fotball hjelm system og fremme forbedret sikkerhetsstandarder. Den innebar testmetode kan gi kunnskap om hjelmer systematisk respons trengs for å effektivt utvikle forbedret hodeplagg for hjernerystelse forebygging. Forekomsten av hjernerystelser har vedvarende plaget kontaktsport, som for eksempel amerikansk fotball. I USA alene, har sports-relaterte hjernerystelser er anslått å oppstå 1,6 til 3,8 millioner ganger hvert år. 1 En fotballspiller kan ha mer enn 1500 hodeskader hver sesong. 2, 3 Mens omfanget av de fleste virkningene kan være under concussive, akkumulering av disse konsekvensene kan føre til langvarig hjerneskade på grunn av en innvirkning indusert nevrodegenerativ sykdom som kalles kronisk traumatisk encefalopati (CTE). 4CTE er knyttet til en opphoping av tau-protein i hjernen, som fører til hukommelsestap, atferd og personlighetsforandring, Parkinsons syndrom, og tale og ganglag unormalt at noen ganger har ført til selvmord. 5 Fotball hjelmer har gjort noen teknologiske fremskritt de siste 15 årene, men selv dagens mest avanserte hjelmer ikke helt dempe alt av hendelsen styrker på hjelmen og dermed idrettsutøvere likevel pådra hjernerystelser. En studie utført av Bartsch et al. 6 viste at i mange tilfeller hodet innvirkning doser og hodeskade risiko mens iført vintage Leather hjelmer var sammenlignbare med de på seg de brukte 21 århundre hjelmer, illustrerer behovet for forbedring i design og testing standarder for fotball hjelmer. Spesielt gjør NOCSAE sertifisering 7 ikke krever faceguard å bli inkludert i drop tester for hjelmen. Den ekstra stivhet fra than faceguard koblet til hjelmen vil dramatisk endre det generelle mekaniske respons. Denne studien innebærer en metode for å gi mer robuste hjelm sikkerhetsstandarder som ville tjene som en pådriver for å fremme sikrere hjelm design.

Bakgrunn
Hodeskader Metrics
Den eksakte biologiske mekanismer relatert til hjernerystelser fortsatt uidentifisert. Selv om mye arbeid har blitt gjort i forsøk på å kvantifisere hodeskade toleranser ved ulike skadeberegninger, har uenighet oppstått i biomedisinsk samfunnet om disse kriteriene. Disse skademekanismer er ment å forholde seg til flere enheter: lineær akselerasjon, roterende akselerasjon, effekt varighet og impuls. 8, 9, 10, 11 Flere Injury kriterier har blitt brukt for å definere en hjernerystelse som et mål på lineær akselerasjon. Den Wayne State Tolerance Curve (WSTC) 12, 13, 14 ble utviklet for å forutsi skallebrudd for bilindustrien krasjer under en frontkollisjon ved å definere en terskel kurve grense for lineær akselerasjon versus innvirkning varighet. WSTC har fungert som baser for andre skade kriterier som Severity Index (SI) 11 og hodeskader Criterion (HIC), 15 som er de to mest brukte kriteriene. SI og HIC begge måle innvirkning alvorlighetsgraden basert på vektede integraler av de lineære akselerasjons-tidsprofiler. Selv om disse kriterier definerer tersklene for lineær akselerasjon, har andre kriterier foreslått for å ta hensyn til rotasjonsakselerasjon, slik som hode Impact strømindeks. 8, 10, 16 Dagens hjelm testing standarder bruker ofte en skade kriterium basert på Wayne State Ålerance kurve (nemlig HIC eller SI) eller toppakselerasjon kriteriet eller i noen tilfeller begge. Mens noen endringer er nødvendig for å legge til vinkelakselerasjon til standard ytelseskriteriene, de lineære akselerasjonsbaserte kriterier være dominerende.

I denne studien, til de verdiene som brukes vurdere relativ sikkerhet at hver hjelm gitt var peak resulterende akselerasjoner, SI, og HIC verdier. Av disse beregningene bare SI brukes for evaluering i det aktuelle National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment (NOCSAE) fotball hjelm standarder. SI er basert på den følgende ligning,

ligning 1 (1)

hvor A er den translatoriske akselerasjon av tyngdepunktet (CG) av hodet, og t er akselerasjonen varighet. 11, ble 17 SI beregnet i henhold to NOCSAE krav 18, hvor beregningen er begrenset av en 4 N terskel langs den resulterende akselerasjonskurve. HIC-verdier ble beregnet ved den følgende ligning,

ligning 1 (2)

hvor en er den translatoriske akselerasjon av CG av hodet, og t 1 t og 2 er de begynnelses- og slutt-tider henholdsvis intervallet ved hvilken HIC oppnår en maksimal verdi. Alle HIC-verdier beregnet i denne studien var HIC 36, hvor varigheten av tidsintervallet er begrenset til 36 ms.

NOCSAE Fotball Hjelm Test Standards
NOCSAE oversikt
I 1969 ble NOCSAE dannet for å utvikle ytelsesstandarder for amerikansk fotball hjelmer / faceguards og annet sportsutstyr med et mål om å redusere sports-relaterte skader. 17 De NOCSAE fotball hjelm standarder ble utviklet av Dr. Voigt Hodgson 9 av Wayne State University for å redusere hodeskader ved å etablere krav til effekt demping og strukturell integritet for fotball hjelmer / faceguards. Disse fotball hjelm standarder inkluderer sertifisering teste og årlig resertifisering prosedyrer for hjelmer. I 2015, NOCSAE implementert et kvalitetssikringsprogram som krever bruk av en bestemt American National Standards Institute (ANSI) akkreditert organ for hjelm sertifisering.

NOCSAE testmetoden
Den NOCSAE Fotball Hjelm Standard inkluderer ikke testing av hjelmer med faceguards som det krever fjerning før hjelm dråper er gjennomført. De NOCSAE hjelm tester standarder 17 benytter en twin-ledning dråpe anslags som er avhengig av tyngdekraften til å akselerere headform og hjelm kombinasjon til de nødvendige konsekvens hastigheter. Den NOCSAE headform er instrumentert wed treaksede akselerometre på tyngdepunktet. Den headform og hjelm kombinasjonen deretter falt på bestemte hastigheter på en stål ambolt dekket med en 12,7 mm tykk hard gummi Modular Elastomer Programmerer (MEP) pad. Ved støt, er den momentane akselerasjon registreres og SI-verdier beregnes. Disse SI verdier blir sammenlignet mot en bestått / ikke bestått kriterium over en rekke nødvendige konsekvens steder og hastigheter og to temperaturer, inkludert ambient og høy temperatur konsekvenser. Hvis den resulterende SI verdi for noen innvirkning bryter grensen, så hjelmen vil ikke bestå testen.

En egen standard testmetode brukes til fotball faceguard sertifisering. Den NOCSAE fotball faceguard standard omfatter strukturell integritet analyse samt vurdere effekten demping ytelsen til faceguard, hakestropp, og deres festesystemer. Hver effekt måling må være under 1200 SI å bestå testen, uten ansiktskontakt og ikke megmekaniske svikt av en komponent, som definert av NOCSAE Standard. 19

Det er en foreslått ekstra NOCSAE test (Linear Impactor (LI)) 20 som inkluderer hjelmen med faceguard, men det er ikke hensiktsmessig for fotball hjelm sertifisering fordi det ikke kan innrømme en krone innvirkning. LI benytter en pneumatisk sylinder for å påvirke en hjelm plassert på en NOCSAE headform utstyrt med en hybrid III dummy hals som er montert på en lineær bærende bord for å indusere vinkelakselerasjon. Av denne grunn LI-testen er en ytterligere test for å dagens dobbeltvire-NOCSAE slipp testprosedyre og ikke en erstatning. 20, 21 i stedet for de LI tester, foreslår vi å bare legge til to scenarier til dagens twin-ledning dråpe testprosedyre.

Den NOCSAE standard testmetode for sertifisering av fotball hjelmer inkluderer i dag seks skrevet innvirkning locasjoner og en tilfeldig effekt plassering. De foreskrevne innvirkning steder inkluderer følgende: Front (F), Front Boss (FB), Side (S), bak (R), Rear Boss (RB), og Top (T). Den tilfeldige plassering innvirkning test kan velge et område fra ethvert punkt innenfor det definerte område akseptabel påvirkning av hjelmen. Konsekvens steder for våre endrede NOCSAE slipp tårn testene inkluderer erstatter de tidligere definerte Foran og Front Boss innvirkning steder med det som ble kåret som Front Top (FT) og Front Top Boss (FTB) slag steder. Våre Front Topp og front Top Boss innvirkning steder er identiske med de fremre og Høyre foran Boss innvirkning steder i NOCSAE standard for Lacrosse hjelmer, som også inkluderer den faceguard for drop-tester. 22 hjelmskallet innvirkning steder, inkludert erstattet Foran og Front Boss steder, er avbildet i figur 1. I tillegg er modifisert hjelm testmetoden for vår nåværende studien omfatter to faceguard IMPACT steder som ble kåret til FG Front og FG Bottom. De to faceguard påvirker steder er identiske med de nødvendige konsekvens steder for dagens NOCSAE faceguard sertifisering prosedyrer. De åtte slag stedene for de modifiserte NOCSAE slagtester med denne undersøkelsen er vist i figur 2.

Figur 1
Figur 1: Omtrent innvirkning steder for fotball hjelmer. De seks som kreves for tiden NOCSAE falltest hjelm innvirkning steder, Front (F), Front Boss (FB), Side (S), Top (T), bak (R), og bak Boss (RB), og de to foreslåtte konsekvens steder , Front Top (FT), og Front Top Boss (FTB). Merk: NOCSAE standard testmetode for beskyttende hodeplagg inkluderer ikke Front Top og Front Top Boss konsekvens steder (markert med rød tekst) og for denne studien de erstatte Foran og Front Boss innvirkning steder. (Bilde modifisert fra NOCSAE DOC. 001-13m15b)

Figur 2
Figur 2: Modifisert NOCSAE drop test oppsett som viser åtte slag steder. Front Topp, Front Top Boss, Side, Faceguard (FG) foran, bak, bakre Boss, Topp, og Faceguard Bunn (FB). Merk: NOCSAE standard inkluderer ikke faceguard vedlegg og her Front Top og Front Top Boss erstatte vanlige Foran og Front Boss innvirkning steder. (Bilde modifisert fra NOCSAE DOC. 002-11m12) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Hjelm design har gradvis endret seg i det siste tiåret, mens NOCSAE fotball hjelm standarder aldri har tatt den faceguard med hELMET i å vurdere ytelsesspesifikasjonene fotball hjelm. Mens nylig en endring er blitt gjort for å inkludere en bestått / ikke bestått verdi av 300 SI for laveste hastighet konsekvenser (3,46 m / s), den generelle bestått / ikke bestått grense på 1200 SI har ikke endret seg siden 1997. 17 Før 1997 den NOCSAE brukt en 1500 SI bestått / ikke bestått kriterium. Hodgson et al. (1970) har vist at SI-verdier på mer enn 1000 er en fare for liv, mens SI verdier av 540 har produsert lineære skallen sprekker i ikke hjelm, avdød slagtester. 23 De fleste moderne fotball hjelmer har vist seg å passere godt under 1200 SI grensen, men ikke alle under 540 SI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Merk: Protokollen for presenterte testmetoden viser til følgende NOCSAE dokumenter (tilgjengelig på http://nocsae.org/): NOCSAE DOC.002-13m13: "STANDARD PERFORMANCE spesifikasjon for nyprodusert FOTBALL HJELMER" 18. NOCSAE DOC.011-13m14d: "Produsenter PROSEDYRER GUIDE FOR PRODUKT utvalgs for testing for å NOCSAE STANDARDER" 24. NOCSAE DOC.087-12m14: "standard metode for IMPACT TEST OG YTELSE KRAV FOR FOOTBALL FACEGUARDS" 25. NOCSAE DOC.100-96m14: "Troubleshooting Guide teste utstyr og IMPACT TESTING" 26. NOCSAE DOC.101-00m14a: "utstyr kalibreringsprosedyrer" 27

1. Test Setup

  1. Konstruer NOCSAE twin-ledning dråpe bærerenhet som definert i § 15.1 av NOCSAE DOC. 001, 18 som vist på figur 5. Kontroller atalle komponenter i forsamlingen er godt festet.
  2. Fest størrelse "large" NOCSAE headform til drop bærerenheten ved å justere headform krage med ønsket posisjon på headform rotator adjuster og ved å stramme headform gjengede låseringen.
    Merk: Hvis headform er ny eller reparert, se § 5 NOCSAE DOC. 100. 26
  3. Sikkert feste triaxial akselerometer til akselerometeret plate som ligger i sentrum av alvoret i headform. Plasser akselerometeret i sentrum av akselerometeret plate kø begge hullene i akselerometer med hullene i akselerometer plate. Ved hjelp av en Allen skrutrekker sett begge skruene og stram dem med urviseren til akselerometeret er forsvarlig montert på akselerometer plate.
  4. Konfigurer datainnsamlingssystemet i henhold til produsentens spesifikasjoner. 28
    1. Connectionst kablene for datainnsamling forsamlingen.
      1. Koble akselerometer kabelen til den tre-veis koaksial splitter, deretter koble en koaksial kabel til hver utgang fra den koaksiale splitter.
      2. Koble den frie enden av hver koaksialkabel fra den tre-veis koaksial splitteren til en sensor inngangsport for kanalene 1, 2 og 3 som ligger på baksiden av forsterkermodulen.
      3. Koble en koaksial kabler fra utgangsportene til forsterker modul (kanal 1, 2 og 3) til innganger på forsiden av datainnsamlingssystemet (kanal 1, 2 og 3, henholdsvis).
      4. Koble delt slutten av RS-232 kabelen bak kontakten datainnsamlingssystemet.
      5. Koble gjenværende RS-232-kabel til COM-port 1 av Personal Computer (PC).
    2. Slå på Personal Computer (PC) og innlogging.
    3. Last ned og installer datainnsamling systemprogramvaren på datamaskinen.
    4. Slå på datainnsamling forsamlingen:Plugg i hvert komponenter 120 volt stikkontakt til en strømkilde, må du snu forsterker vippebryteren til "på" -posisjon.
    5. Dobbeltklikk datainnsamlingsprogram ikonet på skrivebordet for å åpne programvaren.
    6. Observere en melding ber om å sjekke modulen status, klikk på "ja".
    7. Laste Test Setup File. Klikk på "Oppsett" -kategorien, bla ned til "Open" og velg deretter "Test Setup".
      1. Bla gjennom datamaskinen katalogen, finne og velge den testen setup-filen merket "NOCSAE1.TSF". Klikk på "Load".
    8. Skriv inn sensorinformasjon for akselerometre.
      1. Klikk på den gule Sensor Input ikonet for kanal 3 i den aktive modulen.
      2. Sett inn kalibreringsverdien (mV / G) for z-aksen akselerometer inn i "CAL Value" tekstboksen.
      3. Klikk på "PREV" -knappen.
      4. Gjenta trinn 1.4.8.1 - 1.4.8.3 for y-akse akselerometer (kanal 2) og for the x-aksen akselerometer (kanal 1).
      5. Klikk på "Return" -ikonet grønt for å avslutte sensor.
    9. Klikk på "Lagre" -ikonet grønt og deretter navnet på testoppsettet som "NOCSAE-Jove".
    10. Klikk på "lagre".

2. Hjelm Forberedelse

  1. Velg hjelm modell for påvirkning testing. For hjelm sertifisering, velger prøver for testing i henhold til NOCSAE DOC.011. 24 Test prøven i henhold til tabell 1 og som vist i figurene 1 og 2.
  2. Velg tilsvar faceguards for hver valgt hjelm modell. Til forskjell fra den NOCSAE standard, gjennomføre basis hjelm slagtester med referanse faceguard for en slik hjelm.
  3. Ved hjelp av en Philips skrutrekker, fest riktig faceguard og alle faceguard bestemt maskinvare til hver hjelm valgt for testing. I motsetning til den NOCSAE standard test-metod, teste alle hjelmer med faceguards vedlagt.
  4. Tilstand hjelmer i temperaturene i henhold til tabell 1, NOCSAE DOC. 002 7, og NOCSAE DOC.087 25 ved å utsette dem til et laboratorium miljø eller miljøkammeret. Gjennomføre innledende hjelm slipp tester ved romtemperatur.
    1. Flytt valgte hjelmer i et laboratoriemiljø, 72 ° F ± 5 ° F (22 ° C ± 2 ° C), minst 4 timer før testing.
    2. Dersom alle omgivelsestemperatur konsekvensene har blitt gjennomført, utsett hjelmen til den betingede temperatur, i henhold til tabell 1, for 4, men ikke lenger enn 24 timer. 7
      Merk: Minst to, men ikke mer enn fire slag steder som resulterer i den høyeste registrerte SI verdier for omgivelsestemperaturen synker vil bli testet ved høy temperatur.

3. Kalibrering

  1. Utfør Headform Kalibrering: Hver headform må kalibreres før testing med triaxial akselerometer, 3 "kalibrering MEP pad og slipp steder / hastigheter som er identifisert av den årlige NOCSAE Kalibrering Pad kvalifisering Report for den spesifikke kalibrering MEP pad.
    1. Trygt feste 3 "Kalibrering MEP pad til ambolten med en sekskantnøkkel.
    2. Bruke den årlige NOCSAE Kalibrering Pad kvalifisering Rapporter, velg en innvirkning beliggenhet og tilsvarende effekt hastighet.
    3. Bruke headform rotator montering og ambolt linjalen justere headform og ambolt til den ønskede virkningen orientering (front, side eller øverst). Se tabell 1, vedlegg 2 NOCSAE DOC. 001, 18 og NOCSAE DOC. 100. 26
      1. Fjern taper-loc bolt fra headform rotator montering og orientere headform adjuster å justere skruehull til ønsket posisjon. Sett og sikkert fasten taper-loc bolt.
      2. Løsne headform gjengede låseringen og roter headform nesen posisjon til ønsket retning. Stram headform gjengede låseringen.
      3. Løsne de to bunnplate-ambolt bolter og skyv ambolt til ønsket effekt plassering er oppnådd. Stram basis Plater-ambolt bolter og sikre at alle tilkoblingene er festet.
    4. Fest utløsningssystem for å slippe vognsammenstillingen. Løfte rulletransportsammenstillingen til høyden på frigjøringssystemet. Sentrer utgivelsen systemet til festepunktet på rullebærerenheten deretter snu på bryteren for elektromagnetisk utløser systemet til "On" posisjon.
    5. Hev slippe vognsammenstillingen til den bestemte høyde bestemmes for å oppnå den ønskede anslagshastigheten. Merk: Spesifikke høyder kan variere for hvert system på grunn av friksjons variasjoner. Andre konsekvenser kan måtte gjennomføres varierende høyde for å sikre korrekt inngående hastighet er enchieved.
    6. Klar til datainnsamling system for registrering av en hendelse (i henhold til produserer spesifikasjoner 28).
      1. Laste Test Setup File. Klikk på "Test" -kategorien, og klikk deretter på "Collect data".
      2. Bla gjennom datamaskinen katalogen, finne og velge den testen setup-filen merket "NOCSAE-JoVE.TSF". Klikk på "Load".
      3. Klikk på "OK".
      4. Skriv en testbeskrivelse "Beskrivelse" i dialogboksen og trykk deretter på "Tab" -tasten.
      5. Gi en fem karakter test ID, Type "JoVE1" og klikk "Fortsett".
      6. Klikk "Fortsett".
      7. Observer instrumentering oppvarmingen opp. Når telleren har nådd 15 s, klikk på "Fortsett".
      8. Observer systemet automatisk utfører akselerometer kalibrering. Når alle boksene er farget grønn, klikk på "fortsett".
    7. Bruke utgivelsen system, slippe vognen forsamlingeny og utløse datainnsamling system for å registrere hendelsen ved samtidig å vippe begge vippebrytere plassert på utgivelsen systemets strømkontrollboksen.
    8. Beregn og registrere den resulterende SI verdi. Sørg for at resultatet er 1200 SI ± 2%.
    9. Gjenta trinnene 3.4.2-3.4.8 inntil resultater er oppnådd for hver av de tre nødvendige slag steder.
      Merk: Kalibrerings pads bør rekvalifisert årlig på laboratoriet spesifisert av NOCSAE.
  2. Utfør en systemsjekk og opprettholde resultatene. (se § 18, NOCSAE DOC.001 18)

4. Testing Prosedyre

  1. Utfør en systemsjekk og opprettholde resultatene.
  2. Utveksle MEP pad brukes til kalibrering for MEP testputen.
  3. Velg innvirkning plassering og hastighet for testing i henhold til tabell 1.
    Merk: Konsekvenser må gjennomføres fra laveste rullehastigheten til det høyeste. Omgivelsestemperatur påvirker should bli gjennomført før betingede konsekvenser.
  4. Riktig justere headform orientering og ambolt posisjon til å oppnå den ønskede virkningen plassering, som vist i figur 1 og 2 og i henhold til fremgangsmåten i del 3.
  5. Velg hjelm for testing.
  6. Riktig passer til den valgte hjelm til headform henhold til hjelm produsenter monteringsanvisningen og NOCSAE prosedyrer. Juster og sikkert feste hjelmer Hakestropp til headform.
    Merk: På grunn av ytterligere begrensninger i faceguard, kan en lett påføring av talkum hjelpe til montering av hjelmen til headform.
  7. Fest mekanisk utløsningssystem for å slippe vognsammenstillingen.
  8. Hev slippe vognsammenstillingen til den bestemte høyde bestemmes for å oppnå den ønskede anslagshastigheten.
  9. Klar til datainnsamling system for registrering av en hendelse. Gjenta trinn 3.4.1 via 3.4.8.
  10. Ved hjelp av den mekaniske utløsningssystemet slippe Carrialder montering og samtidig utløse datainnsamlingssystem for å registrere hendelsen.
  11. Umiddelbart etter anslag, rekord SI, HIC, og topp akselerasjon resultater.
  12. Sammenlign registrerte resultatene til bestått / ikke bestått kriteriene. Avviker fra NOCSAE Standard, sett bestått / ikke bestått verdi på 700 SI for alt 5,46, 4,88 og 4,23 m / sek konsekvenser. Opprettholde bestått / ikke bestått kriterium på 300 SI for alle 3,46 m / sek konsekvenser.
  13. Gjenta trinn 04.03 til 04.11 fram til resultater oppnås for alle nødvendige konsekvenser.
    Merk: Det er akseptabelt å teste alle hjelmer for en gitt effekt plassering før du skifter headform orientering og ambolt posisjon.
  14. Utfør en systemsjekk ved gjennomføring av testing og vedlikeholde resultatene.
  15. Datavalidering: Sammenlign pre-test og post-test kontrollerer systemet og sikre at enhver variasjon er 7% eller mindre.

Figur 1
Tabell 1:Fotball hjelm drop test matrise som viser nødvendige konsekvenser av fall hastighet (m / sek) og slag plassering. (Tabell endret fra NOCSAE DOC. 002-13m13) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En detaljert kvantitativ analyse av resultatene for denne metoden som er presentert av Rush et al. (innsendt) Et sammendrag av resultatene og den tilhørende effekten av en kombinert faceguard-shell hjelm testmetoder vises i dråpetestresultater ved hjelp Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, og Xenith X2 hjelmer som eksempler. Hver av disse hjelmene (størrelse "stort") med faceguards vises ulike resultater sammenlignet med hjelmer uten de faceguards. Figur 3 tomter forhold SI verdiene for hvert eksempel hjelm med og uten faceguard for Front Top, Front Top Boss, Topp, Side, bak, og bak Boss slag steder på en innvirkning hastighet på 5,46 m / s. Mens den midlere SI-verdi for hver av disse tre påfølgende støt (90 ± 15 s) var godt under den NOCSAE 1200 SI terskel, vises hver hjelm en unik plassering avhengig respons når faceguard var festet. Tabell 2 viser videre betydningen av de samme slagtester ved å vise gjennomsnittsdifferanser (MD) med Root Squared Feil (RSE) for hodeskade Criterion (HIC), Severity Index (SI), og peak resulterende akselerasjon (G) verdier for med og uten faceguard konfigurasjoner. Her ble en minste kvadraters regresjon av variansanalyse brukt for P-verdiberegninger som viser signifikante forskjeller (p <0,05) for hjelmer med og uten faceguards festet under testing. I tillegg til endringer i HIC, SI, og Peak G, ble observert forskjeller i impulsresponser når faceguards ble tilsatt til disse hjelm eksemplene. Figur 4 viser rulleprøveresultatene for Xenith X2 hjelm med faceguard og uten faceguard på 4,88 m / s, som viser en forskjell i akselerasjons-tidshistorie profil for hver målt aksen (X, Y og Z). Det ble også observert at resultatene var sterkt avhengig av hjelmtypen, slag location, og støthastighet.

Figur 3
Figur 3: Slipp test. Representative dråpe testresultater av Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, og ​​Xenith X2 hjelmer på 5,46 meter per sekund; viser Severity Index (SI) per innvirkning plassering for uten faceguard (NOCSAE Standard) og med faceguard (w / FG) hjelm konfigurasjoner med Standard Error. Merk: FG Front og FG Bottom direkte faceguard konsekvensene er ikke vist. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4: NOCSAE falltest. Resultater av Xenith X2 hjelm (Til toppen) med faceguard og uten faceguard på 4,88 m / s, visering en forskjell i akselerasjons-tidshistorie profil for hver målt aksen (X, Y og Z). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Tabell 2: Representant falltest. Resultater av Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, og ​​Xenith X2 hjelmer på 5,46 m / s. Viser Mean Difference (MD) i hodeskader Criterion (HIC), Severity Index (SI), og topp resulterende akselerasjon (G s) verdier for med og uten faceguard konfigurasjoner over Front Top (FT), Front Top Boss (FTB), Top ( T), Side (S), bak (R), og bak Boss (RB) slag steder. Merk: Viste verdier representerer Mean Forskjeller og Root Squared Feil (RSE) i forhold til uten faceguard konfigurasjon for tre påfølgende konsekvensene med intervaller 90 ±15 s. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5: Skjematisk av twin-ledning dråpe testrigg. Skjematisk viser hver komponent av mekanisk montasje med drypping begrensninger. Hver komponent er merket med et tall som svarer med en del beskrivelse som er identifisert i listen over materialer. Se listen for materialteknologi. (Bilde fra NOCSAE DOC. 001-13m15b) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den rapporterte metodikk som par NOCSAE fotball hjelm og faceguard slipp slagtester tilbyr en unik teknikk for å vurdere bedre egenskapene til moderne fotball hjelmer. De mest kritiske trinn for å vurdere dette bedre ytelse karakteristisk for moderne fotball hjelmer er følgende: 1) riktig å sette opp den mekaniske testenheten; 2) nøyaktig gjennomføre kalibreringsprosedyrer; og 3) ordentlig feste hjelmen / faceguard til headform.

Denne metodikken krever skikkelig test oppsett og kalibreringsprosedyrer. Det er iboende variabilitet mellom hver NOCSAE headform på grunn av begrensninger i produksjonsprosessen, som inkluderer porøsitet i de polymere materialer. NOCSAE bekjemper denne unike variasjonen av en normaliseringsprosessen via headform kalibreringsprosedyrer bruker og årlig resertifisert kalibrering MEP pad. Således er det stadig mer viktig at ytterligere endringer er innført ved ensuring at den mekaniske testenheten er riktig og forsvarlig vedlikeholdt. Før testing, er det viktig med gjenger headform krage og headform rotator og slipp boltene er sjekket og godt festet. Hjelm-headform posisjonering og hakestropp passform bør sjekkes før hver dråpe test. Under innvirkning, kan hjelmen forskyve, som er akseptabelt, men kan måtte justeres.

I tillegg til å teste oppsettet og kalibreringsprosedyrer krever innvirkning teste skikkelig hjelm forberedelse. Faceguard utvalg og riktig feste av hjelm / faceguard til headform er en viktig del av testprosedyren. For generell hjelm testing, bør en baseline faceguard modell velges og godt festet med alle faceguard spesifikk maskinvare. Vanligvis en baseline faceguard er definert som en som gir minimalt med ansiktsbeskyttelse, ikke inkludert kicker-stil faceguards. På grunn av variasjonen i moderne hjelm utforming og den tilsatte constraints av faceguard komponent, kan ytterligere prosedyrer være nødvendig for riktig hjelm-headform vedlegg. Vanligvis bør faceguards festes til hjelmen før innføring på headform. Enkelte hjelmer kan kreve delvis festing av faceguard til hjelmen som er så festet på hjelmen-headform innsetting. En lett påføring av talkum til headform kan hjelpe til med hjelm vedlegg. For andre feilsøkings refererer til NOCSAE feilsøkingsveiledningen for testutstyr og innvirkning testing (ND.087-12m14).

Testprosedyren som kreves modifikasjon av NOCSAE standard slag steder, for å ta hensyn til tilsetningen av faceguard under testing. Konsekvens steder for dagens slipp tårn testene omfatter utskifting av NOCSAE standard Front og Front Boss med Front Topp og front Top Boss innvirkning steder og inkludering av Faceguard Foran og Faceguard Bottom steder. Figur 3 viser SI levels på forskjellige slag steder, inkludert de to nye foreslåtte seg. For eksempel, de Riddell data, vist i figur 3, viser det punktet at de to nye steder medfører størst SI nivåer, noe som ellers ikke ville ha vært kjent siden disse to nye testene ikke ha vært nødvendig for den NOCSAE sertifisering. Innledende testing bestemt at Front Top og Front Boss var bedre egnet slagsider siden de ville påvirke hjelmskallet snarere enn faceguard. Disse nettstedene ville være mer realistisk ved å tillate direkte shell-liner konsekvenser samtidig herunder begrensningene i faceguard komponent. Direkte faceguard virkninger ble oppnådd ved å inkludere Faceguard Foran og Faceguard Bottom virkninger, som var identisk med de foreskrevne konsekvens steder for NOCSAE fotball faceguard sertifisering tester. Inkludering av disse to virkninger er tillatt for en enhetlig fotball hjelm og faceguard falltest prosedyre. Disse faceguard konsekvenser nødvendig å utveksleav test MEP med faceguard MEP og ytterligere miljøkondisjoneringsfremgangsmåter, som beskrevet i tabell 1.

Representative slipp testresultater viser at fotball hjelmer burde ha faceguards festet under testing. Sammenlign slipp testresultatene viste at faceguard legger en avstivende kinematisk begrensning til skallet som reduserer totale energiopptak. Figur 3 og Tabell 2 viser forskjeller i SI nivåer over slag steder for hjelmer i NOCSAE standard (uten faceguard) og modifisert med faceguard konfigurasjoner. I forhold til dagens NOCSAE testmetode, fotball hjelmer testet med faceguard vedlagt viser unike reaksjoner som er avhengige av hjelmtype, som kan variere fra innvirkning plassering. Forskjellene i disse svarene kan være akkreditert til shell faceguard koblinger, som er avhengig av unike utformingen av hjelmen blir testet. den Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D og Xenith X2 hjelmer ble brukt til representative resultater, da disse hjelmer karakterisere noen av de nyeste innovasjoner i hjelmen teknologi. Hver av disse hjelmene variere betydelig fra deres unike design funksjoner inkludert faceguards, faceguard festesystemer, hakestropp festesystemer og liner-systemer. Som vist i tabell 2, er disse representative resultater viser signifikante forskjeller (p <0,05) i HIC, SI, og toppakselerasjonsverdier som er avhengig av hjelmtypen, slag plassering og faceguard konfigurasjon. I tillegg forskjeller i akselerasjon-tid historie profil ble også observert. Et eksempel på en slik reaksjon kan sees i figur 4, hvor den triaksiale akselerasjonsrespons (for X, Y og Z-aksene) av Xenith X2 hjelmen på en 4,88 m / sek Høyt innvirkning vist en 40 G dip i X-aksen akselerasjon når faceguard ikke var festet. På grunn av den ekstra begrensningen somden faceguard bringer til hjelmskallet, akselerasjonen dip var ikke-eksisterende for den samme virkning når det faceguard var festet til skallet. Mer spesifikt, når det faceguard ikke ble inkludert, polykarbonat skallet i nærheten av treffpunktet kunne bøye seg mer og således absorbere mer energi. Når faceguard ble inkludert, ville polykarbonat skall ikke bøye så mye. Inkludering av faceguard under påvirkning testing er ment å mer nøyaktig etterligne on-feltet belastningsforhold.

Vårt forslag til testmetode bruker en strengere sertifisering grense i forhold til dagens NOCSAE standard. I vårt forslag til testmetode for alle 5.46, 4.88 og 4.23 m / s virkninger, anbefaler vi at NOCSAE komiteen opprette en ny trygg lavere SI nivå basert på Hodgson et al. (1970) arbeid.

Hvis en hvilken som helst resulterende SI verdi for et hvilket som helst støt er større enn disse respektive terskler, så testen er bestemt å være en svikt. representative results (figur 3) viser at SI verdier for 5,46 m / s over alle hjelmer som ble testet i denne undersøkelsen faller godt under dagens 1200 SI NOCSAE pass / fail kriterier for slike virkninger. Andre skader beregninger av HIC og topp resulterende akselerasjon er inkludert i tabell 2, men ingen sertifiserings grensene ble gitt på følgende beregninger. Fremtidige hjelm sertifiserings grensene bør undersøke ansettelse av flere skader metriske bestått / ikke bestått kriteriene.

Den siste faktoren for en forbedret hjelm test standard ville være å publisere standard testresultater på en måte som ville tillate en spiller å ta en avgjørelse på hjelm utvalg. For mange spillere, er utseende ofte den viktigste faktoren når du velger en fotball hjelm / faceguard kombinasjon. Tyngre grill-type faceguard blir også stadig mer dominerende på fotballbanen i dag antagelig på grunn av dette. Disse tyngre faceguards forskyve tyngdepunktet av idrettsutøvere hodet og legge til en ekstra moment arm indusere en mer ødeleggende moment under skrå hjelm til hjelm konsekvenser. Dermed er det stadig viktigere å forstå den systematiske responsen av hjelmer og for spilleren å vite hvordan disse tyngre faceguards påvirke hjelm ytelse. Future hjelm sertifisering bør kreve produsenter å vise størrelse og faceguard spesifikke hjelm testresultater.

Disse rapporterte testprosedyrer tjene som en effektiv løsning som gjør at evnen til å vurdere bedre egenskapene til dagens og fremtidens fotball hjelm systemer. Testmetoden er definert heri, er ment å være en modifikasjon av den aktuelle NOCSAE dobbeltvire-slipp testprosedyre, som i seg selv begrenser ytelsestesting av hodeplagg for å lineære akselerasjonsbaserte skade kriterier. Mens tiden er i bruk og lett tilgjengelig, kan dette twin-ledning testenheten ikke måle vinkelakselerasjon. I forhold til de eksisterende metoder, rapportert dette fotball hjelm test metoden gir en mer Accurate representasjon av en hjelm ytelse og dens evne til å redusere on-felt effekt.

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