Testes de queda Torre de impacto modificadas para American Football Helmets

Bioengineering

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

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Abstract

Introduction

Motivação
O principal objectivo deste método de ensaio torre de queda modificado é representar mais de perto os impactos sobre-campo do sistema Capacete de futebol americano e promover padrões de segurança aprimorados. O método de teste implicava pode fornecer o conhecimento de capacetes de resposta sistemática necessária para desenvolver eficazmente chapelaria melhorada para prevenção de concussão. A ocorrência de abalos tem persistentemente atormentado esportes de contato, como futebol americano. Nos Estados Unidos sozinho, concussões relacionadas com o desporto foram estimados para ocorrer de 1,6 a 3,8 milhões de vezes a cada ano. 1 Um jogador de futebol pode ter mais de 1.500 impactos na cabeça a cada temporada. 2, 3 Embora a magnitude da maioria dos impactos podem ser sub-concussive, a acumulação destes impactos pode levar a danos cerebrais de longo prazo devido a uma doença neurodegenerativa impacto induzida conhecida como encefalopatia traumática crônica (CTE). 4CTE está ligada a um acúmulo da proteína tau no cérebro, levando à perda de memória, comportamento e mudança de personalidade, síndrome de Parkinson, e fala e anormalidades da marcha que às vezes tem levado ao suicídio. 5 Capacetes de futebol fizeram alguns avanços tecnológicos nos últimos 15 anos, mas os capacetes mais avançados, mesmo de hoje não mitigar completamente todas as forças incidentes sobre o capacete e, portanto, os atletas ainda incorrer concussões. Um estudo conduzido por Bartsch et al. 6 mostraram que, em muitos casos, a cabeça doses de impacto e os riscos de lesões na cabeça, enquanto usando capacetes leatherhead do vintage foram comparáveis aos vestindo as 21 capacetes amplamente utilizados do século XXI, que ilustram a necessidade de melhoria nos padrões de projeto e teste de capacetes de futebol. Em particular, a certificação NOCSAE 7 não exige a faceguard para ser incluído nos testes de queda para o capacete. A rigidez adicionado a partir de tele Viseira ligado ao capacete mudaria dramaticamente a resposta mecânica geral. O presente estudo envolve um método para fornecer mais robustas normas de segurança capacete que serviriam como uma força motriz para promover projetos mais seguros capacete.

fundo
Head Injury Metrics
Os mecanismos biológicos exatos relacionados ao concussões permanecem não identificados. Enquanto muito trabalho tem sido feito na tentativa de quantificar tolerâncias lesão na cabeça em várias métricas de lesão, o desacordo tem surgido na comunidade biomédica em relação a estes critérios. Estes mecanismos de lesão devem se relacionar com várias entidades: aceleração linear, aceleração de rotação, a duração do impacto e impulso. 8, 9, 10, 11 Vários critérios de prejuízo foram utilizados para definir uma concussão como uma medida de aceleração linear. A Curva de Tolerância Wayne State (WSTC) 12, 13, 14 foi desenvolvido para prever fratura de crânio para colisões de automóveis em caso de colisão frontal, definindo um limite curva de gatilho para a aceleração linear em relação a duração do impacto. WSTC tem servido como as bases de outros critérios de lesão, como o Índice de Severidade (SI) 11 eo critério Head Injury (HIC), 15, que são os dois critérios mais usados. O SI e HIC tanto gravidade impacto medida baseada no integrais ponderados dos perfis em tempo de aceleração linear. Enquanto estes critérios de definir limites para a aceleração linear, outros critérios foram propostos para explicar a aceleração de rotação, tais como o índice de Cabeça força de impacto. 8, 10, 16 padrões de teste capacete de hoje costumam usar um critério de lesões com base na Wayne State ParaCurva lerance (ou seja, HIC ou Si) ou o critério de pico de aceleração ou em alguns casos, ambos. Enquanto algumas modificações são necessárias para adicionar aceleração angular com os critérios de desempenho padrão, os critérios baseados em aceleração linear permanecer dominante.

Neste estudo, as métricas usadas para avaliar a segurança relativa que cada capacete fornecidos eram os picos resultantes acelerações, valores SI, e HIC. Dessas métricas apenas o SI é usado para avaliação na atual Comitê Operacional Nacional sobre Padrões para padrões Athletic Equipment (NOCSAE) capacete de futebol. O SI é baseado na seguinte equação,

equação 1 (1)

em que A é a aceleração de translação do centro de gravidade (CG) da cabeça, e T é a duração de aceleração. 11, 17 SI foi calculado de acordo com tO padrões NOCSAE 18, em que o cálculo é limitada por um limiar de 4 L ao longo da curva de aceleração resultante. Os valores de HIC foram calculados pela seguinte equação,

equação 1 (2)

onde a é a aceleração de translação do centro de gravidade da cabeça, e T 1 e T 2 são os tempos inicial e final, respectivamente, do intervalo em que HIC atinge um valor máximo. Todos os valores de HIC calculado neste estudo foram de HIC 36, em que a duração do intervalo de tempo é limitado a 36 ms.

NOCSAE Futebol padrões de teste Capacete
NOCSAE Overview
Em 1969 NOCSAE foi criada para desenvolver padrões de desempenho para capacetes de futebol / faceguards e outros equipamentos esportivos americana com o objetivo de reduzir lesões relacionadas ao esporte. 17 Os padrões de capacete de futebol NOCSAE foram desenvolvidos pelo Dr. Voigt Hodgson 9 de Wayne State University para reduzir as lesões na cabeça, estabelecendo requisitos para a atenuação do impacto e integridade estrutural para o futebol capacetes / faceguards. Estas normas capacete de futebol incluem um teste de certificação e os procedimentos de recertificação anuais para capacetes. Em 2015, NOCSAE implementado um programa de garantia de qualidade que exige o uso de um instituto específico American National Standards (ANSI) organismo acreditado para a certificação do capacete.

Método de Teste NOCSAE
O NOCSAE Capacete de Futebol Norma não incluir o ensaio de capacetes com faceguards como ele chama para a sua remoção antes gotas capacete são conduzidas. Os padrões de teste capacete NOCSAE 17 utilizam um pêndulo queda twin-fio que se baseia na gravidade para acelerar o simulador da cabeça e combinação de capacete para as velocidades de impacto necessários. O simulador da cabeça NOCSAE é instrumentado wacelerômetros triaxiais om no centro de gravidade. A combinação falsa cabeça e capacete é então caiu em velocidades específicas sobre uma bigorna de aço coberta com uma almofada de 12,7 mm de espessura de borracha dura Modular Elastomer Programmer (MEP). Com o impacto, a aceleração instantânea é registado e os valores de SI são calculados. Estes valores SI são comparadas com uma aprovação / reprovação critério sobre uma variedade de locais necessários impacto e velocidades e duas temperaturas, incluindo ambiente e impactos de alta temperatura. Se o valor SI resultante para qualquer impacto viola o limite, então o capacete não vai passar no teste.

Um método de teste padrão separado é usado para a certificação de futebol faceguard. O padrão NOCSAE faceguard futebol inclui análise estrutural integridade, bem como avaliar o desempenho de atenuação do impacto do faceguard, barbicha e os seus sistemas de fixação. Cada medição do impacto deve ser inferior a 1.200 SI para passar no teste, sem contato facial e não mefalha mecânica de um componente, tal como definido pela Norma NOCSAE. 19

Há um teste NOCSAE adicional proposto (Linear Impactor (LI)) 20, que inclui o capacete com o faceguard, mas não é adequado para a certificação do capacete de futebol, porque ele não pode admitir um impacto coroa. O LI utiliza um macaco pneumático para um capacete de impacto posicionada em uma falsa cabeça NOCSAE equipado com um pescoço manequim híbrido III montado sobre uma mesa de rolamento linear a fim de induzir a aceleração angular. Por esta razão, o teste LI é um teste adicional para o procedimento de teste de queda de corrente twin-wire NOCSAE e não uma substituição. 20, 21 Em vez de os testes LI, propomos simplesmente adicionar mais dois cenários com o actual procedimento de teste de queda twin-fio.

O método de teste padrão NOCSAE para a certificação dos capacetes de futebol atualmente inclui seis loca impacte prescritoções e um local de impacto aleatória. Os locais de colisão previstos incluem o seguinte: Frente (F), chefe frontal (FB), Side (S), Traseira (R), chefe traseira (RB) e Top (T). O teste de localização impacto aleatória pode selecionar uma região a partir de qualquer ponto dentro da área de impacto aceitável definido do capacete. Os locais de impacto para os nossos testes torre NOCSAE gota modificados incluem substituir os locais de impacto frontal e chefe Frente previamente definidos com o que foi nomeado como a Frente Top (FT) e os locais de impacto frontal Top Boss (FTB). Nossos locais de impacto frontal superior e frontal Chefe superior são idênticos aos locais de impacto frontal e direito do chefe Frente da norma NOCSAE para capacetes do Lacrosse, que incluem também o faceguard para testes de queda. 22 Os locais de impacto capacete shell, incluindo os locais da frente e chefe Frente substituídos, estão representados na Figura 1. Além disso, o método de ensaio capacete modificada do nosso presente estudo inclui dois IMPAC faceguardlocalizações t que foram nomeadas a Frente FG e FG inferior. Os dois impactos locais Viseira são idênticos aos locais de impacto necessários para os actuais procedimentos de certificação faceguard NOCSAE. Os oito locais de impacto para os ensaios de impacto NOCSAE modificadas do presente estudo são mostrados na Figura 2.

figura 1
Figura 1: locais de impacto aproximado para capacetes de futebol. Os seis actualmente exigida locais NOCSAE capacete teste de queda de impacto, frente (F), Front Boss (FB), laterais (S), Top (T), fundos (R), e do chefe traseira (RB), e os dois locais de impacto propostas , Front Top (FT), e Front Top Boss (FTB). Nota: o método de teste padrão NOCSAE para capacetes de protecção não inclui frontal superior e os locais de impacto frontal Chefe superior (indicada no texto vermelho) e para este estudo que substituem os locais de impacto frontal e chefe Frente. (Imagem modificado a partir NOCSAE DOC. 001-13m15b)

Figura 2
Figura 2: Modificado configuração de teste de queda NOCSAE mostrando oito locais de impacto. Frente Top, Front Top Boss, Side, Viseira (FG) dianteira, traseira, chefe Traseira, Superior e Inferior Viseira (FB). Nota: o padrão NOCSAE não inclui anexo faceguard e aqui frontal superior e frontal Chefe superior substituir os locais de impacto padrão da frente e chefe Frente. (Imagem modificado a partir NOCSAE DOC. 002-11m12) Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

designs de capacete mudaram progressivamente na última década, que as normas de capacete de futebol NOCSAE nunca incluiu a faceguard com o hELMET para avaliar as especificações de desempenho capacete de futebol. Embora, recentemente uma alteração foi feita para incluir um passe valor de 300 SI para os mais baixos impactos velocidade (3,46 m / s), o passe geral / falham limite de 1.200 SI / falha não mudou desde 1997. 17 Antes de 1997, o NOCSAE usou um 1500 SI aprovação / reprovação critério. Hodgson et ai. (1970) mostrou que os valores SI superior a 1.000 é um perigo para a vida, enquanto os valores de SI de 540 produziram fraturas no crânio lineares nos testes de impacto de cadáveres não-capacete. 23 A maioria dos modernos capacetes de futebol têm mostrado que passar bem abaixo do limite de 1.200 SI, mas não todos abaixo de 540 SI.

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Protocol

Nota: O protocolo para o método de ensaio apresentado refere-se os seguintes documentos NOCSAE (disponível em http://nocsae.org/): NOCSAE DOC.002-13m13: "especificação de desempenho PADRÃO PARA capacetes de futebol recentemente fabricadas" 18. NOCSAE DOC.011-13m14d: "Os fabricantes de guia de procedimentos para seleção da amostra PRODUTO PARA ENSAIO DE NOCSAE padrões" 24. NOCSAE DOC.087-12m14: "método padrão de TESTE DE IMPACTO E REQUISITO DE DESEMPENHO PARA O FUTEBOL FACEGUARDS" 25. NOCSAE DOC.100-96m14: "GUIA DE SOLUÇÃO DE PROBLEMAS PARA EQUIPAMENTOS DE TESTE E IMPACTO TESTE" 26. NOCSAE DOC.101-00m14a: "procedimentos de calibração de equipamentos" 27

Configuração 1. Teste

  1. Construir NOCSAE twin-wire montagem queda de transporte como definido na Cláusula 15.1 do NOCSAE DOC. 001, 18 conforme representado na Figura 5. Verifique setodos os componentes do conjunto estão bem presos.
  2. Anexar o tamanho "grande" NOCSAE falsa cabeça ao conjunto do carro queda, alinhando a gola falsa cabeça com a posição desejada no ajustador Cabeça de rotator, e reforçando o Cabeça de rosca anel de trava.
    Nota: Se o simulador da cabeça é novo ou reparado, consulte a Seção 5 de NOCSAE DOC. 100. 26
  3. Fixar firmemente o acelerômetro triaxial à placa acelerômetro localizado no centro de gravidade do simulador da cabeça. Colocar o acelerómetro no centro da placa de acelerómetro alinhar ambos os orifícios na acelerómetro com os furos na placa de acelerómetro. Usando uma chave de fenda Allen inserir dois parafusos e aperte-os no sentido horário até que o acelerômetro é montado firmemente à placa acelerômetro.
  4. Configurar o sistema de aquisição de dados de acordo com as especificações do fabricante. 28
    1. Connect os cabos para a montagem de aquisição de dados.
      1. Conecte o cabo acelerômetro para três vias divisor coaxial, em seguida, conectar um cabo coaxial a cada saída do divisor coaxial.
      2. Ligar a extremidade livre de cada cabo coaxial a partir de três vias divisor coaxial a uma porta de entrada do sensor para os canais 1, 2, e 3 localizado na parte posterior do módulo de amplificador.
      3. Conecte um cabo coaxial a partir dos portos do módulo amplificador (canais 1, 2 e 3) para conexões de entrada na parte frontal do sistema de aquisição de dados (canais 1, 2 e 3, respectivamente) de saída.
      4. Ligue a extremidade dividida do cabo RS-232 ao conector de trás do sistema de aquisição de dados.
      5. Ligue o cabo restantes RS-232 para porta Com 1 do computador pessoal (PC).
    2. Ligue o computador pessoal (PC) e login.
    3. Baixe e instale o software do sistema de aquisição de dados para o computador.
    4. Ligue o conjunto de aquisição de dados:Ligue cada tomada volt componentes 120 em uma fonte de energia, em seguida, virar a chave amplificador alternância para a posição "on".
    5. Clique duas vezes no ícone do programa de aquisição de dados localizado na área de trabalho para abrir o software.
    6. Observar um prompt pedindo para verificar o status do módulo, clique em "sim".
    7. Carregar o arquivo de configuração de teste. Clique na aba "Configuração", desça até "Open" e selecione "Configuração de teste".
      1. Navegue na lista de computador, localize e selecione o arquivo de configuração de teste marcado "NOCSAE1.TSF". Clique em "Load".
    8. Insira as informações do sensor para os acelerômetros.
      1. Clique no ícone do Input Sensor amarelo para o canal 3 no Módulo ativo.
      2. Insira o valor de calibração (mV / G) para o acelerômetro eixo z na caixa de texto "CAL valor".
      3. Clique no botão "PREV".
      4. Repita os passos 1.4.8.1 - 1.4.8.3 para o acelerômetro eixo y (canal 2) e para the eixo-x acelerómetro (canal 1).
      5. Clique no ícone verde "Return" para sair do sensor.
    9. Clique no ícone verde "Save" e nomeie a Configuração do teste como "NOCSAE-JoVE".
    10. Clique em "salvar".

2. Capacete de Preparação

  1. Selecione o modelo de capacete para testes de impacto. Para obter a certificação do capacete, selecione amostras para testes de acordo com NOCSAE DOC.011. 24 Testar a amostra de acordo com a Tabela 1 e como representado nas Figuras 1 e 2.
  2. Selecione faceguards correspondentes para cada modelo de capacete selecionado. Diferindo do padrão NOCSAE, realizar testes de impacto capacete de base com o faceguard linha de base para tal capacete.
  3. Usando uma chave de fenda Philips, fixar firmemente o faceguard correto e todo o hardware específico faceguard a cada capacete selecionados para o teste. Em contraste com o teste padrão meto NOCSAEd, testar todos os capacetes com faceguards anexados.
  4. Capacetes condição no temperaturas de acordo com a Tabela 1, NOCSAE DOC. 002 7 e NOCSAE DOC.087 25, expondo-os a um ambiente de laboratório ou câmara ambiental. Realizar testes capacete queda inicial à temperatura ambiente.
    1. Mover capacetes seleccionados a um ambiente de laboratório, 72 ° F, ± 5 ° F (22 ° C, ± 2 ° C), pelo menos 4 horas antes do teste.
    2. Se todos os impactos de temperatura ambiente foram conduzidos, expor o capacete e a temperatura de ar, de acordo com a Tabela 1, para 4, mas não mais do que 24 horas. 7
      Nota: Pelo menos dois, mas não mais do que quatro locais de impacto que resultam na SI mais alta registrada valoriza as quedas de temperatura ambiente será testado a altas temperaturas.

3. Calibração

  1. Execute Cabeça de calibração: Cada cabeça deve ser calibrado antes do teste usando o acelerômetro triaxial, locais 3 "almofada calibração MEP e soltar / velocidades identificados pelo relatório anual NOCSAE Calibração Pad Qualificação para esse bloco de calibração MEP específico.
    1. Fixe com segurança 3 "Calibração MEP pad para a bigorna usando uma chave Allen.
    2. Usando o NOCSAE Calibração Pad Qualificação relatório anual, selecionar um local de impacto ea velocidade de impacto correspondente.
    3. Usando o conjunto do simulador da cabeça rotador e ferroviário guia de bigorna, ajuste falsa cabeça e bigorna para a orientação impacto desejado (frente, lateral ou superior). Consulte a Tabela 1, Anexo 2 do NOCSAE DOC. 001, 18 e NOCSAE DOC. 100. 26
      1. Retire o parafuso cone-loc do conjunto do simulador da cabeça rotador e orientar o ajustador falsa cabeça para alinhar bolt-buracos para a posição desejada. Inserir e segura faSten o parafuso cone-loc.
      2. Solte o Cabeça de rosca anel de trava e gire a posição falsa cabeça nariz para a orientação necessária. Aperte bem a falsa cabeça enfiada anel de trava.
      3. Soltar os parafusos da placa-bigorna duas bases e deslize bigorna até local de impacto desejado seja alcançado. Apertar os parafusos de base bigorna placa- e assegurar todas as ligações estão bem apertados.
    4. Anexar sistema de liberação para soltar conjunto do carro. Levante o conjunto gota carro para a altura do sistema de liberação. Centralizar o sistema de liberação ao seu ponto de fixação no conjunto gota transporte, em seguida, ligar o interruptor de alternância para o sistema de liberação eletromagnética à posição "On".
    5. Levante cair conjunto de carro à altura específica determinada para atingir a velocidade de impacto desejado. Nota: alturas específicas podem variar para cada sistema, devido às variações de atrito. impactos adicionais podem precisar de ser realizada variando a altura para garantir a velocidade de entrada é uma correctachieved.
    6. Pronto o sistema de aquisição de dados para registrar um evento (de acordo com as especificações fabrica 28).
      1. Carregar o arquivo de configuração de teste. Clique na guia "Test" e clique em "Recolha de dados".
      2. Navegue na lista de computador, localize e selecione o arquivo de configuração de teste marcado "NOCSAE-JoVE.TSF". Clique em "Load".
      3. Clique em "OK".
      4. Escreva uma caixa de diálogo descrição do teste "Descrição" e pressione a tecla "Tab".
      5. Fornecer um ID de teste de 5 caracteres, digite "JoVE1" e clique em "Continuar".
      6. Clique em "Continuar".
      7. Observe a instrumentação aquecendo. Quando o contador chegou a 15 s, clique em "Continuar".
      8. Observar o sistema executar automaticamente a calibração acelerômetro. Uma vez que todas as caixas são de cor verde, clique em "continuar".
    7. Usando o sistema de liberação, soltar o assembl transportey e acionar o sistema de aquisição de dados para registrar o evento lançando simultaneamente os dois interruptores localizados na caixa de controle de potência do sistema de liberação.
    8. Calcular e registrar o valor SI resultante. Certifique-se o resultado é 1.200 SI ± 2%.
    9. Repetir passos 3.4.2-3.4.8 até que os resultados são obtidos para cada um dos três locais de impacto requerida.
      Nota: almofadas de calibração devem ser requalificados anualmente no laboratório por NOCSAE.
  2. Executar uma verificação do sistema e manter os resultados. (ver ponto 18, NOCSAE DOC.001 18)

4. Procedimento de teste

  1. Executar uma verificação do sistema e manter os resultados.
  2. Trocar a almofada MEP utilizado para a calibração para o bloco de teste MEP.
  3. Escolha um ponto de impacto e velocidade para testar de acordo com a Tabela 1.
    Nota: Impactos deve ser realizado a partir de menor velocidade de queda para o mais alto. impactos de temperatura ambiente should ser realizada antes impactos condicionados.
  4. Adequadamente ajustar a posição de orientação simulador da cabeça e da bigorna para atingir o ponto de impacto desejado, tal como representado nas Figuras 1 e 2 e de acordo com os passos na secção 3.
  5. Selecione capacete para testes.
  6. Corretamente caber o capacete selecionado para o simulador da cabeça de acordo com os fabricantes de capacetes montagem instruções e procedimentos NOCSAE. Ajustar e fixar firmemente os capacetes chinstrap ao simulador da cabeça.
    Nota: Devido às limitações adicionais do faceguard, uma leve aplicação de pó de talco pode ajudar na montagem do capacete para o simulador da cabeça.
  7. Anexar sistema de liberação mecânica para soltar conjunto do carro.
  8. Levante cair conjunto de carro à altura específica determinada para atingir a velocidade de impacto desejado.
  9. Pronto o sistema de aquisição de dados para registrar um evento. Repita os passos 3.4.1 através de 3.4.8.
  10. Usando o sistema de liberação mecânica soltar o carriconjunto de idade e, simultaneamente, accionar o sistema de aquisição de dados para gravar o evento.
  11. Imediatamente após o impacto, ficha SI, HIC, e os resultados de aceleração de pico.
  12. Compare os resultados registrados para aprovação / reprovação critérios. Diferentemente da NOCSAE Padrão, definir uma aprovação / reprovação valor de 700 SI para todos 5.46, 4.88 e 4.23 impactos m / seg. Manter a aprovação / reprovação critério de 300 SI para todos os 3,46 impactos m / seg.
  13. Repita os passos 4,3-4,11 até que os resultados são obtidos para todos os efeitos requeridos.
    Nota: É aceitável para testar todos os capacetes para um determinado local de impacto antes de mudar a orientação simulador da cabeça ea posição bigorna.
  14. Executar uma verificação do sistema após a conclusão do teste e manter os resultados.
  15. validação de dados: Compare pré-teste e verificações do sistema pós-teste e assegurar que qualquer variação é de 7% ou menos.

figura 1
Tabela 1:matriz de teste de queda capacete de futebol mostrando impactos exigidos pela velocidade de queda (m / s) e local de impacto. (Tabela modificado a partir NOCSAE DOC. 002-13m13) Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Representative Results

Uma análise quantitativa detalhada dos resultados para esta metodologia foi apresentada por Rush et al. (submetido) Uma sinopse dos resultados ea eficácia associada de um faceguard-shell metodologia de testes capacete acoplado é exibido nos resultados de teste de queda utilizando Rawlings Quantum Além disso, Riddell 360, Schutt Ion 4D e capacetes X2 Xenith como exemplos. Cada um desses capacetes (de tamanho "grande") com faceguards exibida resultados diferentes quando comparados com capacetes sem os faceguards. Figura 3 comparativamente traça os valores SI de cada exemplo capacete com e sem a faceguard da Frente Top, Front Top Boss, superior, lateral, traseira e locais de impacto chefe traseira em uma velocidade de impacto de 5,46 m / s. Enquanto o valor médio SI para cada um destes três impactos consecutivos (90 ± 15 S) foi bem abaixo do limite SI NOCSAE 1200, cada capacete exibido uma resposta dependente da localização única quando o faceguard foi ligado. A Tabela 2 ilustra ainda mais a importância destes mesmos testes de impacto, mostrando diferenças médias (MD) com a raiz quadrada Erros (RSE) para o critério Head Injury (HIC), Índice de Severidade (SI), e aceleração resultante de pico (G de) valores para com e sem configurações Viseira. Aqui, uma regressão por mínimos quadrados por análise de variância foi utilizada para os cálculos de P-valor que apresentam diferenças significativas (p <0,05) para capacetes com e sem faceguards ligados durante os testes. Além de mudanças na HIC, SI, e Peak G, foram observadas diferenças nas respostas impulsivas quando os faceguards foram adicionados a estes exemplos capacete. A Figura 4 mostra os resultados do teste gota de o capacete Xenith X2 faceguard com e sem faceguard em 4,88 m / s, que mostra uma diferença no perfil história-tempo de aceleração para cada eixo medido (X, Y e Z). Observou-se também que os resultados eram fortemente dependente do tipo de capacete, loca impactoião, e velocidade de impacto.

Figura 3
Figura 3: Drop teste. resultados de teste de queda representativas de Rawlings Quantum Além disso, Riddell 360, Schutt Ion 4D e Xenith X2 capacetes em 5,46 metros por segundo; mostrando Índice de Severidade (SI) por local de impacto para sem faceguard (NOCSAE padrão) e com faceguard (w / FG) configurações capacete com erro padrão. Nota: FG frontal e inferior impactos diretos Viseira FG não são mostrados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4: teste de queda NOCSAE. Resultados do capacete Xenith X2 (Top) com faceguard e sem faceguard em 4,88 m / s, mostraing uma diferença no perfil história-tempo de aceleração para cada eixo medido (X, Y e Z). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Tabela 2: teste de queda Representante. Resultados de Rawlings Quantum Além disso, Riddell 360, Schutt Ion 4D e capacetes Xenith X2 em 5,46 m / s. Mostrando Diferença Média (MD) no Critério Injury Head (HIC), Índice de Severidade (SI), e aceleração resultante pico de valores (G) para com e sem configurações Viseira através da parte dianteira superior (FT), Front Top Boss (FTB), Top ( T), Side (S), Traseira (R), e os locais de impacto chefe traseira (RB). Nota: Os valores apresentados representam diferenças médias e raiz quadrada Erros (RSE) em relação ao sem configuração faceguard por três impactos consecutivos com intervalos de 90 ±15 s. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5: Esquema de twin-fio equipamento de teste da gota. O esquema mostra cada componente do conjunto mecânico com restrições instilação. Cada componente é denotada com um número correspondente com uma descrição da peça, conforme identificado na lista de materiais. Consulte a lista de materiais. (Imagem de NOCSAE DOC. 001-13m15b) Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

A metodologia relatou que os casais NOCSAE testes de impacto capacete de futebol e soltar faceguard oferece uma técnica única para avaliar melhores características dos capacetes de futebol modernos de desempenho. Os passos mais críticos para avaliar isso melhor característica dos capacetes de futebol modernos desempenho são as seguintes: 1) A configuração correta do dispositivo de teste mecânico; 2) a realização de procedimentos de calibração com precisão; e 3) fixar adequadamente o capacete / faceguard ao simulador da cabeça.

Esta metodologia requer procedimentos de configuração de teste e calibração adequada. Há uma variabilidade inerente entre cada simulador da cabeça NOCSAE devido às limitações no processo de fabricação, que incluem a porosidade nos materiais poliméricos. NOCSAE combate a essa variabilidade original por um processo de normalização através de procedimentos de calibração falsa cabeça usando e recertificada anualmente pad calibração MEP. Assim, é cada vez mais importante que a variação adicional não é introduzido por ensurante que o conjunto de teste mecânico é devida e seguramente mantida. Antes do ensaio, é importante o colar Cabeça de rosca e rotador falsa cabeça e soltar parafusos de transporte são verificados e bem apertados. posicionamento capacete-simulador da cabeça e apto chinstrap devem ser verificados antes de cada teste de queda. Durante o impacto, o capacete pode deslocar, o que é aceitável, mas podem precisar de ser ajustadas.

Além de testar os procedimentos de configuração e calibração, testes de impacto requer uma preparação capacete adequado. selecção Viseira e fixação correta do capacete / faceguard ao simulador da cabeça é uma parte crítica do processo de teste. Para o teste geral capacete, um modelo faceguard linha de base devem ser selecionados e firmemente ligados com todo o hardware específico faceguard. Tipicamente um faceguard linha de base é definida como uma que oferece a quantidade mínima de protecção facial, não incluindo faceguards-estilo retrocesso. Devido à variabilidade no desenho do capacete moderno eo constrai acrescentounts do componente faceguard, podem ser necessários procedimentos adicionais para fixação do capacete-simulador da cabeça adequada. Geralmente, faceguards deve ser firmemente ligado ao capacete antes da inserção para o simulador da cabeça. Alguns capacetes pode exigir penhora parcial do faceguard ao capacete que é então fixado após a inserção capacete-simulador da cabeça. Uma leve aplicação de pó de talco para o simulador da cabeça pode ajudar na fixação capacete. Por outra solução de problemas consulte o guia de solução de problemas NOCSAE para equipamentos de teste e teste de impacto (ND.087-12m14).

O procedimento de teste necessária a modificação de locais de impacto padrão NOCSAE, a fim de ter em conta a adição do faceguard durante o teste. Os locais de impacto para os actuais testes torre gota incluem a substituição do padrão NOCSAE frontal e chefe da frente com os locais de impacto frontal superior e frontal superior do chefe e inclusão de Viseira da frente e faceguard locais inferiores. A Figura 3 mostra o lev SIels em diferentes locais de impacto, incluindo os dois novos propostos. Por exemplo, os dados Riddell, mostrado na Figura 3, ilustra o ponto que os dois novos locais incorrer em maiores níveis de SI, que de outra forma não teria sido conhecidos desde não tenham sido exigidos estes dois novos testes para a certificação NOCSAE. Os testes iniciais determinaram que o Top frente e chefe da frente eram locais de impacto mais adequados, uma vez que teria um impacto casco do capacete em vez do faceguard. Estes sites seria mais realista, permitindo que os impactos directos-liner shell enquanto ainda incluindo as limitações da componente faceguard. impactos Viseira diretos foram atingidos, incluindo os impactos de fundo Viseira da frente e Viseira, que eram idênticos aos locais de colisão previstos para testes de certificação faceguard futebol NOCSAE. A inclusão desses dois impactos permitidos para um procedimento de teste unificado capacete de futebol e soltar faceguard. Esses impactos Viseira necessário trocardo MEP teste com o MEP faceguard e procedimentos adicionais condicionamento ambiental, como retratado na Tabela 1.

Os resultados representativos teste de queda mostram que capacetes de futebol deveria ter faceguards ligado durante o teste. Os resultados comparativos teste de queda revelou que o faceguard adiciona restrição cinemática de reforço para o shell que diminui a absorção total de energia. Figura 3 e Tabela 2 mostram diferenças nos níveis SI através das posições de impacto para capacetes no padrão NOCSAE (sem faceguard) eo modificado com configurações Viseira. Em comparação com o actual método de teste NOCSAE, capacetes de futebol testados com o faceguard anexo mostra originais que são dependentes do tipo de capacete, que pode variar conforme o local de impacto. As diferenças entre estas respostas podem ser credenciados para os acoplamentos Viseira shell-, que são dependentes de características únicas de design do capacete está sendo testado. o Rawlings Quantum Além disso, Riddell 360, Schutt Ion 4D e Xenith capacetes X2 foram utilizados para resultados representativos, uma vez que estes capacetes caracterizar algumas das mais recentes inovações em tecnologia de capacete. Cada um desses capacetes variam significativamente por suas características únicas de design, incluindo faceguards, sistemas de fixação faceguard, sistemas de fixação barbicha e sistemas de revestimento. Como apresentado na Tabela 2, esses resultados representativos mostram variações significativas (p <0,05) no HIC, SI e valores de aceleração de pico que são dependentes do tipo de capacete, local de impacto e a configuração faceguard. Além disso, também foram observadas diferenças no perfil histórico-tempo de aceleração. Um exemplo de uma tal resposta pode ser visto na Figura 4, onde a resposta aceleração triaxial (para X, Y e Z) do capacete Xenith X2 em um / impacto seg Topo 4,88 m exibido um 40 L mergulho na aceleração do eixo X quando o faceguard não estava ligado. Devido à limitação adicional de queo faceguard traz para o casco do capacete, o mergulho aceleração era inexistente para o mesmo impacto quando o faceguard foi anexado ao shell. Mais especificamente, quando o faceguard não foi incluído, o shell de policarbonato perto do ponto de impacto poderia flexionar mais e, portanto, absorvem mais energia. Quando o faceguard foi incluído, o shell de policarbonato não flexionar tanto. A inclusão do faceguard durante o teste de impacto tem a intenção de imitar de forma mais precisa as condições de carga no campo.

O nosso método de ensaio proposto utiliza um limite de certificação mais rigorosas em comparação com o padrão NOCSAE atual. Em nosso método de ensaio proposto para todos os 5,46, 4,88 e 4,23 m / s impactos, recomendamos que a comissão NOCSAE criar um novo nível SI inferior segura baseada em Hodgson et al. (1970) de trabalho.

Se algum valor SI resultante para qualquer um impacto é maior do que estes respectivos limiares, então o teste é determinado para ser um fracasso. res representativosÜLTS (Figura 3) mostram que SI valores de 5,46 m / s de todos os capacetes testados neste estudo cair bem abaixo dos atuais 1.200 SI NOCSAE aprovação / reprovação critério para tais impactos. Métricas de lesões adicionais de aceleração resultante HIC e de pico estão incluídas na Tabela 2, ainda há limites de certificação foram dadas sobre estas métricas. limites futuros capacete de certificação deve investigar o emprego de passagem métrica ferimentos múltiplos / reprovação critérios.

O último fator para um padrão de teste de capacete melhorado seria publicar os resultados dos testes padrão de uma forma que permitiria que um jogador para tomar uma decisão informada sobre a seleção capacete. Para muitos jogadores, a aparência é muitas vezes o fator mais importante na escolha de uma combinação capacete de futebol / faceguard. Mais pesado do tipo grade faceguard também estão se tornando mais dominante no campo de futebol de hoje, presumivelmente, por este motivo. Estes faceguards mais pesados ​​deslocar o centro de gravidade da cabeça atletas e adicione um extra de mbraço oment induzir um binário mais deletéria durante capacete oblíqua aos impactos capacete. Assim, é cada vez mais importante entender a resposta sistemática de capacetes e para o jogador saber como essas faceguards mais pesados ​​afetar o desempenho do capacete. capacete futura certificação deve exigir que os fabricantes para exibir tamanho e os resultados dos testes capacete específico da Viseira.

Estes procedimentos de teste relatados servir como uma solução eficaz que permite que a capacidade de avaliar melhores características dos sistemas de capacete de futebol atuais e futuras de desempenho. O método de ensaio aqui definido destina-se a ser uma modificação do procedimento de teste de queda de corrente NOCSAE duplo-fio, o que limita inerentemente testes de desempenho arnês de critérios de lesões lineares baseados em aceleração. Embora atualmente em uso e prontamente disponíveis, este dispositivo de teste twin-fio não pode medir a aceleração angular. Em comparação com os métodos existentes, este método de teste relatou futebol capacete dá uma mais accurarepresentação te do desempenho de um capacete e sua capacidade de mitigar o impacto em campo.

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Materials

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

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References

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