Un banc d’essai à examiner l’ajustement du casque et de conservation et de mesures biomécaniques de la tête et des lésions à la nuque en effet simulé

Bioengineering

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Summary

Utilisant un anthropométriques tête et du cou, ajustement axées sur la fibre optique active de transducteurs, tableau d’accélération de la tête et des capteurs de force/moment de cou et une double haute vitesse système de caméra, nous présentons un banc d’essai pour étudier la rétention de casque et les effets sur la biomécanique mesures de la tête et du cou des blessures secondaires au choc de la tête.

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Yu, H. Y., Knowles, B. M., Dennison, C. R. A Test Bed to Examine Helmet Fit and Retention and Biomechanical Measures of Head and Neck Injury in Simulated Impact. J. Vis. Exp. (127), e56288, doi:10.3791/56288 (2017).

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Abstract

La sagesse conventionnelle et la langue dans les normes de test et de certification internationale casque suggèrent que casque approprié et rétention en cas de choc sont des facteurs importants pour protéger le porteur de casque de lésion induite par l’impact. Ce manuscrit a pour but d’étudier les mécanismes de la lésion induite par l’impact dans des scénarios différents casque fit grâce à l’analyse des impacts casqués simulés avec un dispositif de test anthropométriques (ATD), un ensemble de transducteurs accélération fausse tête et le cou de force / transducteurs de moment, un système de caméra double haute vitesse et des capteurs de force à casque-fit développés dans notre groupe de recherche basé sur les réseaux de Bragg à fibres optiques. Pour simuler les impacts, une fausse tête instrumenté et cou flexible tombent le long d’un rail de guidage linéaire sur une enclume. Le banc d’essai permet la simulation de choc de la tête à des vitesses jusqu'à 8,3 m/s, sur les surfaces d’impact qui sont plates et inclinées. La fausse tête est dotée d’un casque et plusieurs scénarios d’ajustement peuvent être simulés par des ajustements spécifiques de contexte à l’index de position de casque et/ou de la taille du casque. Afin de quantifier la rétention de casque, le mouvement du casque sur la tête est quantifié à l’aide d’analyse post-hoc de l’image. Afin de quantifier la tête et du cou des blessures potentielles, biomécaniques mesures fondées sur la fausse tête accélération et cou force/moment sont mesurés. Ces mesures biomécaniques, par comparaison avec les courbes de la tolérance humaine établie, peuvent estimer le risque de lésions cérébrales diffuses doux et/ou de grave potentiellement mortelles et blessures de cou d’osteoligamentous. À notre connaissance, le banc d’essai présenté est le premier développé spécifiquement pour évaluer les effets biomécaniques sur blessure de tête et du cou par rapport au casque s’adapter et de rétention.

Introduction

Plus les preuves épidémiologiques suggèrent casques de vélo protègent contre les blessures à la tête pour les cyclistes de tous âges1. La littérature biomécanique présente le thème cohérent qui soutient de la tête casquée relativement moins graves blessures de tête/cerveau secondaires à l’impact, par rapport à la non protégés de tête (non casqué)2. Certaines recherches suggèrent que casque pauvre fit est associée à un risque accru de blessure à la tête3, ce qui implique que les casques sont plus efficaces quand s’adapte correctement. Selon les critères utilisés pour définir le casque bon ajustement, incorrecte port du casque s’est avéré pour être aussi haut que 64 % chez les cyclistes casqués3. Malgré des preuves épidémiologiques suggérant que casque s’adapter est pertinent dans la gravité ou la probabilité de blessure à la tête lors d’un choc, il y a un minimum de travail expérimental évaluant dans un cadre de laboratoire contrôlées ou non correcte casque monter ou rétention de casque a un effet significatif sur les mesures biomécaniques des blessures. L’un lié étude examine l’effet de taille de casque de moto lors des impacts casqués simulée avec un modèle éléments finis4. Un autre apparenté étude examine l’effet du dimensionnement de casque pendant des effets expérimentaux5 lors de l’utilisation de film sensible de la pression de quantifier les forces fit en casques de football. L’effet des systèmes de rétention dans les impacts de casque de vélo et moto ont été étudiés6,7, mais aussi un scénario fit vers l’arrière pour préadolescents6.

Notre travail propose méthodes pour étudier l’effet de casque de vélo monter sur le risque de blessures avec les capteurs de force casque monter, simulé une anthropométrique tête et cou, et des caméras stéréoscopiques à grande vitesse, les impacts. Les objectifs de nos méthodes proposées sont à ajustement de quantifier et d’évaluer le risque de blessures dans des scénarios différents impacts réalistes. Contrairement aux procédés associés, notre travail explore casque de cycliste en forme, où le port du casque approprié est varié. Semblables aux précédentes méthodes, tête cinématique sont déterminés ; Cependant, chargement du cou et des déplacements de la tête-casque sont aussi évalués. Bien que l’épidémiologie des blessures au cou dans le cyclisme suggère que les blessures au cou sont rares, ils ont tendance à être associées plus graves répercussions tête et hospitalisation8,9. Les preuves sont contrastées sur si oui ou non port du casque réduit les taux de cou blessure8 et aucune des études épidémiologiques citées quantifier les aspects du casque s’adapter. Considérant le fait que les lésions à la nuque dans le cyclisme a tendance à être associées à des accidents plus graves et ce casque s’adapter n’a pas été examinée en épidémiologie des blessures cou, méthodes pour l’examen des blessures de la tête et du cou sont précieux dans la recherche en biomécanique. Ces méthodes expérimentales pourraient servir à des études biomécaniques qui viennent compléter les études épidémiologiques qui ne peuvent au total cas pour casque s’adapter ou la gravité de l’impact.

Dans notre travail, on a élaboré une nouvelle méthode de surveillance des mouvements relatifs entre la tête et le casque lors de l’impact. La capacité de suivre ou non le casque se déplace sur la tête peut donner un aperçu précieux dans la stabilité du casque et l’exposition de la tête non protégée des blessures lors de l’impact. Dans une étude sur le casque s’adapter, stabilité du casque et l’exposition tête sont particulièrement utiles pour évaluer les performances du casque. Contrairement aux travaux connexes, impact différent et fit scénarios mettant l’accent sur divers casque positionnement seront également testés.

Actuellement, bon casque s’adapter est subjective et non spécifique défini. Généralement, bon casque fit se caractérise par la stabilité et la position. Le casque doit être résistant au mouvement une fois fixé sur la tête et doit être positionné telle que les sourcils ne sont pas couverts et le front n’est pas trop exposé. En outre, environ un doigt largeur de l’espace doit s’insérer entre le menton et jugulaire3. Mesures de quantification casque monter ne sont pas répandus ; autres que de force, méthodes peuvent comparer casque ajustement fondé sur la comparaison de géométrie de la tête et le casque. Une de ces méthodes est l’indice de forme casque proposé par Ellena et al. 10. notre méthode proposée pour quantifier l’ajustement du casque, capteurs de force fit, crée un moyen objectif de comparer les scénarios différents casque monter sous forme de moyenne et écart-type des forces exercées sur la tête. Ces fit forcer les valeurs représentent l’étanchéité d’un casque, ainsi que la variation de l’étanchéité expérimentés sur la tête. Ces capteurs fournissent une comparaison quantifiée des forces qui peuvent être faites entre les différents scénarios d’ajustement. Un casque hermétique sécurisée montrerait des forces plus élevées alors qu’un casque lâche montrerait des forces inférieures. Cette méthode de mesure de force fit est similaire à l’indice moyen d’ajustement proposé par Jadischke5. Cependant, les méthodes de Jadischke utilisent film sensible de la pression. Les capteurs optiques, que nous présentons enrégistrer discrète force fit autour de la tête ou le casque.

Pour la certification des casques, un casque est fixé sur une fausse tête instrumentée, qui est alors déclenché à une certaine hauteur pour être supprimé. La tête et le casque est ensuite soumis à une chute en chute libre dans un piton lors de l’enregistrement des accélérations linéaires. Bien qu’il n’est généralement pas utilisé dans les normes de l’industrie de casque, une Assemblée de cou et de tête Hybrid III (factice) ont été utilisées dans ce travail, avec une tour de chute guidées pour simuler les impacts. Contrairement à des normes qui utilisent généralement la cinématique linéaire, la matrice d’accéléromètre fausse tête autorise également la détermination de la cinématique de rotation, un paramètre clé pour prédire le risque de traumatismes crâniens diffus, dont11 de la commotion cérébrale . Par mesure d’accélération linéaire et de rotation accélération et vitesse, estimations de graves traumatismes crâniens focales et diffuses peuvent être faites en comparant des cinématique à plusieurs méthodes d’évaluation proposé blessure axée sur la cinématique dans la littérature 12 , 13. alors que la fausse tête a été initialement développée pour un essai de collision automobile, son utilisation dans l’évaluation du casque et l’estimation du risque de blessure à la tête casquée impact est bien documenté2,14. L’installation de simulation d’impact comprend également un peson de cou supérieur, permettant ainsi les forces et moments liés à la blessure au cou doivent être mesurés. Risque de blessure de cou peut alors être estimé en comparant la cinétique du cou aux données d’évaluation des blessures de dommage automobile données12,13.

Une méthode de suivi de mouvement de casque par rapport à la tête lors de l’impact avec la vidéo à haute vitesse est également proposée. Actuellement, aucune des méthodes quantitatives n’existent pour évaluer la stabilité du casque lors de l’impact. La norme de casque de vélo15 Consumer Product Safety Commission (CPSC) réclame un test de stabilité positionnel, mais n’est pas représentative d’un impact. En outre, si le casque se détache la fausse tête est le seul résultat mesuré par le test. Quel que soit l’exposition de la tête à l’injure, un casque peut néanmoins passer aussi longtemps qu’il reste sur la fausse tête lors des essais. La méthode proposée de suivre le mouvement du casque est semblable au casque Position Index (HPI)15 et mesure la distance entre le bord du casque et le front. Ce déplacement de la tête-casque est suivi à l’aide des séquences vidéo à grande vitesse tout au long d’un impact afin d’obtenir une représentation sous forme d’exposition de stabilité et de la tête de casque lors de l’impact. À l’aide de transformation linéaire directe (DLT)16 et les méthodes de décomposition de valeur unique (SVD)17 , marqueurs sont suivies de deux caméraspour déterminer l’emplacement de point dans un espace tridimensionnel, puis le déplacement relatif entre le casque et la tête.

Plusieurs paramètres de gravité et fit impact sont étudiés. Les scénarios d’impact comprennent deux vitesses d’impact, deux ayant une incidence sur les surfaces de l’enclume et effets torse et unième tant la tête la première. Outre une surface enclume plat typique, une incidence oblique enclume est aussi simulée pour induire une composante de la force tangentielle. Un impact de torse et unième, par opposition à un impact de la tête la première, est inclus afin de simuler un scénario dans lequel épaule un coureur impact sur le sol avant de la tête, de même effectuée dans précédents travaux18. Enfin, ces scénarios quatre casque s’adapter sont étudiées : un ajustement régulier, un ajustement surdimensionné, un ajustement vers l’avant et un ajustement vers l’arrière. Contrairement aux travaux précédents, positionnement de casque sur la tête est un paramètre étudié, ainsi que le casque fit et le dimensionnement de casque.

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Protocol

1. casque Fit scénarios Arrangement

  1. définir monter des scénarios à étudier sur une tête du dispositif d’essai anthropométriques et le cou (Hybrid III 50e centile) avec un tour de tête de 575 mm.
    NOTE : Un exemple de quatre scénarios d’ajustement est présenté dans le tableau 1 avec positions casque correspondant à la Figure 1. Les scénarios d’ajustement avant et arrière étaient fondés sur des définitions d’utilisation casque correct d’études épidémiologiques antérieures, qui précise la position adéquate casque pas couvrant les sourcils ou exposer le front 3.
  2. Pour chaque scénario, marquer chaque position du casque sur la tête pour s’assurer que le scénario du casque s’est constamment répété.
  3. Utiliser un casque certifié CPSC, disponibles en tailles universelles et extra-large, pour tous les scénarios.
    Remarque : Selon le guide forme fabricant fourni, une taille universelle mieux correspond à la circonférence de la tête factice.
    1. Pour chaque scénario, gardez autre la forme de paramètres compatibles. Plus précisément, serrer la jugulaire pour laissez environ un doigt largeur d’espace sous le menton et serrer à la main la molette réglable pour maintenir une sécurité maximale.

2. Entrer vigueur mesure

  1. fit organiser cinq capteurs sur la peau de la fausse tête, positionné sur la face avant, arrière, gauche, droite et de haut ( Figure 2).
    Remarque : Les capteurs sont une version modifiée de Bragg grating capteurs de force développées au sein de la recherche groupe 19 , 20 , 21 , 22, optimisés pour mesurer les forces fit sur une plage de 0 à 50 N. Les capteurs modifiés ont une épaisseur et un diamètre de 2,6 mm et 14 mm respectivement.
  2. Prendre une mesure de référence avec les capteurs sur la tête casquée non sans charge. Prendre cette mesure de référence avant chaque mesure de force fit.
  3. Place le casque sur les données de force factice et mesure de 3 s à un taux de 2,5 kHz. Répétez le même scénario fit six fois pour des mesures répétées.
  4. Répéter la même procédure de mesure pour tous les scénarios.
  5. Capteur de force de convertir des données de déplacement longueur d’onde pour forcer les mesures en multipliant les longueurs d’onde mesurées par le transducteur par la constante prédéterminée d’étalonnage pour l’ajustement.

3. Tour de chute pour la Simulation de l’Impact

  1. simuler impact à la tête casquée en linéairement guidant la fausse tête pour frapper un impact surface 19 , 23. L’équipement requis pour ce faire est contexte spécifique, tel que décrit ci-après.
    1. Monter une tour de chute comprendra un cardan goutte réglable, une tête de dispositif d’essai anthropométriques et cou et une surface d’impact variable.
      Remarque : Le montage de la baisse totale masse est d’environ 11 kg. La masse ajoutée des comptes cardan pour l’exclusion du corps humain comme une masse apparente torse pour mieux simuler un impact réaliste 24.
    2. Organiser 9 accéléromètres uniaxial dans un 3-2-2-2 configuration au sein de la fausse tête de permettre linéaire et les accélérations angulaires de la fausse tête à déterminer dans le centre de gravité 25.
    3. Organiser un portail spécialement conçu de vitesse sur le tour d’impact pour mesurer la vitesse d’impact immédiatement avant l’impact.
  2. Recueillir tête données de force/moment d’accélération et le cou en utilisant le système d’acquisition de données. Filtrer les tensions analogiques, échantillonnées à 100 kHz pour tous les canaux. Avant le système d’acquisition de données, notamment un filtre passe-bas de l’anti-aliasing de matériel avec une fréquence de 4 kHz 26.
  3. Organiser le scénario d’impacts.
    1. Pour tous les impacts, retirer la visière du casque pour permettre pour une meilleure visibilité au cours du suivi de mouvement. L’effet de la visière lors de l’impact est censé pour être négligeable en raison de sa fixation desserrée.
    2. Organiser toutes les gouttes pour impact sur le front. C’est un point commun d’impact en cyclisme 27, bien que d’autres scénarios peuvent aussi être simulés.
    3. Simuler six scénarios d’impact différent en faisant varier un impact vitesse, surface d’impact et les répercussions tête baissée ou torse en premier selon le tableau 2.
    4. Relance la fausse tête à la hauteur appropriée, correspondant aux spécifié vitesses d’impact. Laisser tomber la tête factice d’une hauteur appropriée, typiquement 0,82 m et 1,83 m, pour atteindre des vitesses de 4 m/s et 6 m/s, respectivement.
      NOTE : Ajouter de la hauteur nécessaire pour surmonter les pertes par frottement. Deux vitesses d’impact de 4 m/s et 6 m/s peuvent être choisis en fonction hors normes et la documentation précédente 28.
    5. Organiser la surface d’impact.
      1. Arranger un plat ou a 45° angle enclume ( Figure 4). L’enclume plate simule tombe sur une surface plane, alors que l’enclume inclinée simule les effets avec une composante de la vitesse tangentielle.
      2. Couvre tous les deux des surfaces des enclumes en bande abrasive pour simuler une surface en asphalte. Ajustez la position de l’enclume si nécessaire entre les impacts pour le casque à heurter contacte uniquement la surface plane de l’enclume.
  4. Organiser la tour de chute tête baissée ou torse-premier impact. Simuler les impacts fois tête baissée et torse en premier, avec des impacts de torse semblables à la combinaison chargement impact configuration présentée à Smith et al. 18
    1. pour simuler un effet de la tête la première, n’ajustez pas la tour de la goutte.
    2. Pour simuler le torse frappant le sol avant de la tête, placez un bloc en bois sur le parcours du cardan de la goutte. Placez ce bloc de bois à une hauteur telle que la tête est d’environ 25 mm loin ayant une incidence sur l’enclume à l’impact du torse. La tête continuera à frapper l’enclume au moyen de la flexion du cou seulement.
    3. D’une couche de mousse pour minimiser les vibrations de la tour de chute ( Figure 5).
    4. Contrairement aux impacts de la tête la première, régler l’angle du cou torse et unième impacts.
      Remarque : Ce réglage de l’angle cou permet la tête à l’impact de l’enclume sur le front après flexion, afin que le point d’impact est comparable à l’affaire de l’impact de la tête la première ( Figure 6). En plus des effets de front, ce scénario de torse et unième serait certainement pertinent en cas de chocs latéraux ainsi. Effets fois tête baissée et torse en premier, ce système de cardan permet un mouvement de la tête et du cou le long de la piste après le choc.
  5. De déclencher le système d’acquisition de données, caméras à haute vitesse (voir la section 4) et drop de la fausse tête simultanément. Répéter le même impact et configuration de scénario fit 3 fois avec nouveaux casques chaque fois.
    Remarque : Les caméras haute vitesse devra être mis en place en même temps que la tour de chute, décrites dans la section 4.
  6. Chacun des quatre scénarios fit soumettre à chacun des 6 impact de différents scénarios. Effectuer un total de 72 gouttes après 3 essais de chaque configuration.
  7. Post-traiter les données cinématiques et cinétiques de fausse tête.
    1. Signaux analogiques de filtre pour l’accélération et la force/moment ultérieurement à l’aide d’un filtre de Butterworth 4 ème ordre en post-traitement afin de répondre aux indusEssayez la pratique suggérée 26. Filtrer les accélérations tête et cou forces selon la fréquence de canal classe (CFC) 1000. Filtrer des moments de cou selon les CFC de 600.

4. Motion Capture à l’aide d’un système à grande vitesse double caméra

Remarque : enregistrement marqueur postes de deux caméras à haute vitesse permettent postes de marqueur en trois dimensions à déterminer avec la méthode DLT 16 dans post-traitement. Pour déterminer les déplacements de la tête-casque, suivre les marqueurs sur la fausse tête et le casque lors de l’impact.

  1. Organiser des caméras à haute vitesse autour de la tour de la goutte.
    1. Arrange deux caméras à grande vitesse autour de la chute de tour à capture synchronisée d’images du mouvement casque et la tête lors de l’impact.
      1. Placer une caméra principale à côté de la tour de chute et un appareil esclave à environ 45° du maître ( Figure 7). Installer un éclairage de 250 W entre les caméras pour permettre une exposition suffisante.
  2. Configurer les caméras à haute vitesse.
    1. Equip chaque caméra avec objectif macro 100 mm f/2.0, selon le champ de vision requis ou un 50 mm f/1.4. Mis les ouvertures sur les lentilles à f/8.0.
      Remarque : Cette ouverture permet suffisamment de netteté dans la profondeur de champ souhaitée. Le champ de vision requis variait de 30 à 60 cm, selon le scénario d’impacts.
    2. Configurer les deux caméras pour enregistrer à 1280 x 800 pixels à une cadence de 1000 images par seconde ou plus rapide. Ainsi, le temps d’exposition maximal par image sera 600 µs.
    3. De synchroniser les deux caméras dans les cadres et l’horloge interne. Mettre en place un déclencheur afin que les deux caméras déclenchent simultanément.
  3. Calibrer l’espace en prenant une image fixe d’une image de calibration de chaque caméra.
    Remarque : Pour la méthode de transformation linéaire directe (DLT), l’espace doit être initialement étalonné.
    1. Transition entre une cage de calibrage avec 17 emplacements de point d’étalonnage connus dans le champ de vision de deux caméras et une seule image de chaque caméra. Un minimum de 11 points communs doit être visible depuis les deux caméras.
    2. Trouver les coordonnées à deux dimensions de chaque marqueur avec le logiciel de suivi.
      Remarque : Une machine (CMM) à mesurer tridimensionnelle détermine la localisation des points de la cage d’étalonnage avant étalonnage DLT.
    3. à l’aide d’une série de calculs effectués avec les marqueurs de calibrage ' coordonnées (dite de la DLT) 16, transformer n’importe quel deux emplacements de marqueur dimensions en coordonnées en trois dimensions par rapport à la cage de calibration système de coordonnées en post-traitement.
  4. Afin de quantifier le déplacement du casque, suivre la distance entre un point situé sur le front de la fausse tête et le bord du casque à l’aide du logiciel de suivi de.
    NOTE : Étant donné que ces points ne sont pas visibles depuis les deux caméras, suivre un ensemble de trois marqueurs visibles sur chacun la fausse tête et casque à la place. Les points sur le front et le casque peuvent ensuite être suivis indirectement.
  5. Place suivi de marqueurs sur la fausse tête de mouvement et de prendre un cliché de référence de la fausse tête de chaque caméra.
    1. Pour cette méthode de repérage par marqueur indirect, prendre une image de référence fausse tête avec chaque appareil. Veiller à ce que cette image de référence se compose de trois marqueurs et un repère défini sur la tête.
    2. Maximiser la distance entre les marqueurs à l’aide de trois emplacements de point de référence tout en restant dans les deux caméras ' champ de vues.
      Remarque : Maximisation de la distance permet pour une meilleure précision en diminuant le marqueur indirect suivi de sensibilité aux erreurs de suivi. Les trois marqueurs permettant la reconstruction tridimensionnelle du mouvement en post traitement, ainsi que l’estimation de l’emplacement de front.
    3. Tenir le marqueur de référence entre les yeux sur le front bas et les autres marqueurs répartis sur la fausse tête. Veiller à ce que ces trois autres marqueurs sont visibles depuis les deux caméras tout au long d’un impact ( Figure 8).
  6. Place suivi de marqueurs sur le casque de mouvement et de prendre des images de référence du casque de chaque caméra comme pour la référence de la fausse tête (section 4.5).
    1. Veiller à ce que la référence est composée de voir au moins quatre marqueurs de suivi de mouvement. Tenir un marqueur sur le bas du casque bord comme référence et répandre les trois autres marqueurs sur le casque. Veiller à ce que ces trois marqueurs sont visibles depuis les deux caméras tout au long d’un impact. Prendre une seule image de chaque caméra pour la référence du casque ( Figure 9).
  7. Déclencher le système d’acquisition de données, caméras à haute vitesse et drop de la fausse tête en même temps, comme décrit à la section 3.
    Remarque : La tour de chute devra être mis en place en même temps que les caméras à haute vitesse. Après avoir pris des images de référence, on peut effectuer une goutte d’eau.
    1. Arrange le casque monter scénario. Enregistrement de la goutte. Signaler un déclencheur pour les caméras manuellement lors de l’impact. Organiser l’enregistrement afin que 3 s est enregistré avant le déclencheur et 8 s est enregistré après le déclenchement. Manuellement, examiner et support des images de caméra synchronisée pour contenir l’impact seulement.

5. Marqueur de suivi et de post-traitement tête-casque

  1. suivre les marqueurs de casque et la tête tout au long de l’impact, à l’aide de logiciel de caméra spécifique.
    1. Track six points par goutte : trois sur le casque et la tête ( Figure 10). Avec le logiciel, déterminer les coordonnées en pixels bidimensionnel transitoire de chaque marqueur.
  2. La méthode DLT permet de calculer les coordonnées tridimensionnelles des marqueurs sur chenilles pendant une chute.
    NOTE : Les données d’étalonnage de la cage de l’étalonnage et les données de chute de deux caméras, la méthode DLT permet de déterminer les coordonnées tridimensionnelles des marqueurs sur chenilles pendant une chute.
  3. Permet de calculer les coordonnées 3D dimensionnelles de la fausse tête Front et casque ras bord la méthode SVD (décomposition en valeurs singulières) 17. La différence entre ces deux points est le déplacement de la tête-casque.
    1. Utilisez la méthode SVD pour estimer l’emplacement d’une référence point sur chaque bord fausse tête Front et casque de marqueurs chenilles.
    2. Utiliser la méthode SVD pour trouver la matrice de transformation des trois marqueurs entre le cadre de référence et chaque image d’une goutte. Cette transformation peut être appliquée pour trouver le casque ou le front emplacements bord.
  4. Effectuer ce suivi indirect sur le casque et la tête. Le déplacement entre le bord du front et le casque peut alors être surveillé ( Figure 11).

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Representative Results

Mesure de Force fit
Pour chaque scénario, fit force mesure a été réalisée à chaque emplacement du capteur (Figure 12) et un t-test, les variances inégales, a été réalisé pour déterminer l’importance (p < 0,05). L’écart moyen dans l’ensemble de toutes les mesures est ± 0,14 forces fit N. supérieur indiquent un ajustement plus serré.

Cinématique de tête et de cou données cinétiques
L’accélération linéaire tête résultante, accélération angulaire de la tête, tête vitesse angulaire, force cou supérieur et moment de cou supérieur depuis un menu typique apparaissent (Figure 13 à la Figure 17). Les valeurs résultantes ont été calculés en prenant la norme absolue de le x, yet z, vecteurs de direction (Figure 3). Un critère de blessure cou calculé à partir de cou force axiale et moment13, Nij, a également été calculé tout au long de l’impact (Figure 18). D’après les résultats de cinématiques, les différents événements de l’impact peuvent également être identifiés. Par exemple, tête de contact avec l’enclume dans les torse et unième impacts peut être observé comme le pic important dans l’accélération linéaire qui en résulte (Figure 13). En accélération angulaire, deux ensembles de sommets pourraient être observées (Figure 14). Le premier pic survient à la suite de l’impact du torse tandis que le second pic se produit à la suite du cou pour atteindre la flexion maximale. Dans l’ordre, les événements de l’impact sont l’impact du torse, suivi par contact avec la tête avec l’enclume, puis le cou, atteignant la flexion maximale. Ces événements peuvent également être observés dans la vidéo à haute vitesse (Figure 6).

Mouvement relatif de tête-casque
L’amplitude du vecteur entre le front et le casque brim, indiquant le mouvement relatif de tête-casque, est illustré à la Figure 19 pour deux scénarios. Modification relative au déplacement peut être un indicateur de mouvement de casque par rapport à sa situation antérieure à l’impact.

Figure 1
Figure 1 : casque fit scénarios. Casque Fit scénario des comparaisons sur la fausse tête montrant (a) Comparaison entre ajustement normal et mal positionne correspond à (b) scénario ajustement normal (c) surdimensionné scénario fit (d) avant de monter scénario (e ) scénario fit vers l’arrière. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Fiber Bragg (FBG) de râper cinq capteurs sur la tête avec capteur situé sur la face avant, arrière, gauche, droite et haut. Chaque capteur (en bas à gauche) a une épaisseur et un diamètre de 2,6 mm et 14 mm, respectivement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Assemblée tour goutte avec axe de coordonnées associé. cou et (un) tour de Drop Global Assembly avec tête casquée (b), instrumentée fausse tête capteur. Axe de coordonnée cellule cou de charge est également indiqué. tête de correspondants (c) coordonne axe. Accélérations tête et cou charges sont mesurés par rapport à l’axe de coordonnée illustré, avec des magnitudes positifs dans les sens de l’axe. Des moments sont basées sur la règle de la main droite.

Figure 4
Figure 4 : Interchangeables (un) plat et (b), angle de 45 ° enclume surfaces couverts en bande abrasive. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Tête première (un) et configurations de torse premiers (b) incidence scénario goutte. Pour un scénario d’impacts torse en premier, un bloc de bois sert à arrêter l’Assemblée goutte pour simuler un effet de torse. La visière du casque a été également supprimée avant toutes les simulations de l’impact. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 : séquence d’images lors d’un impact de torse et unième. Dans un premier impact de torse, le cardan de la goutte est arrêté, permettant à la tête à l’impact de l’enclume, suivie par la flexion du cou. En revanche, un impact de la tête la première autorise un déplacement linéaire complet de la cardan de goutte pour la tête doit contacter l’enclume en premier.

Figure 7
Figure 7 : arrangement double caméra haute vitesse chute tour. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 8
Figure 8 : tête de référence des marqueurs pour le suivi de mouvement image. Trois marqueurs sur la tête sont suivies lors de l’impact, tandis qu’un quatrième marqueur définit le point de front utilisé pour calculer le déplacement de la tête-casque. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 9
Figure 9 : casque référence image marqueurs pour le suivi de mouvement. Trois marqueurs sur le casque sont suivis au cours de l’impagir tandis qu’un quatrième marqueur définit le point de craquer de casque permettant de calculer le déplacement de la tête-casque. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 10
Figure 10 : suivi des marqueurs lors du impact. Trois marqueurs sont suivies sur la fausse tête et le casque. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 11
Figure 11 : Vecteur de déplacement tête-casque entre bord de front et le casque qui est suivi tout au long de l’impact.

Figure 12
Figure 12 : casque monter les forces exercées sur la fausse tête selon différents scénarios fit. Barres d’erreur représentant l’écart-type sont également indiqués. Des différences significatives (p < 0,05) entre fit force scénarios sont indiquées (*). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 13
Figure 13 : accélération linéaire de résultante tête Centre de gravité (COG) pour un torse premier impact sur une enclume plate à 6 m/s. Un ajustement régulier (trait plein) et le scénario d’ajustement vers l’arrière (en pointillé) sont comparées. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 14
Figure 14 : accélération d’angulaire résultante tête Centre de gravité (COG) pour un torse premier impact sur une enclume plate à 6 m/s. Un ajustement régulier (trait plein) et le scénario d’ajustement vers l’arrière (en pointillé) sont comparées. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 15
Figure 15 : une vitesse angulaire tête Centre de gravité (COG) qui en résulte pour un torse premier impact sur une enclume plate à 6 m/s. Un ajustement régulier (trait plein) et le scénario d’ajustement vers l’arrière (en pointillé) sont comparées. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 16
Figure 16 : force cou supérieur qui en résulte pour un torse premier impact sur une enclume plate à 6 m/s. Un ajustement régulier (trait plein) et le scénario d’ajustement vers l’arrière (en pointillé) sont comparées. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 17
Figure 17 : moment cou supérieur qui en résulte pour un torse premier impact sur une enclume plate à 6 m/s. Un ajustement régulier (trait plein) et le scénario d’ajustement vers l’arrière (en pointillé) sont comparées. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 18
Figure 18 : Nij pour un torse premier impact sur une enclume plate à 6 m/s. Un ajustement régulier (trait plein) et le scénario d’ajustement vers l’arrière (en pointillé) sont comparées. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 19
Figure 19 : déplacement de tête-casque transitoire pour un torse premier impact sur une enclume plate à 6 m/s. Un ajustement régulier (trait plein) et le scénario d’ajustement vers l’arrière (en pointillé) sont comparées. Le changement relatif au déplacement, à la différence de déplacement absolu, est également montré. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Scénario adapté Taille de casque Position de casque
Normale (Figure 1 b) Universal Normal
Surdimensionné (Figure 1C) XL Normal
Vers l’avant (Figure 1D) Universal Vers l’avant
Vers l’arrière (Figure 1e) Universal Vers l’arrière

Tableau 1 : casque Fit des scénarios à l’étude. Les scénarios d’ajustement sont basées sur les définitions du casque correcte utilisation de précédentes études épidémiologiques spécifiant casque bonne position3.

Scénario d’impacts Vitesse d’impact Surface d’impact Tête/tronc première
1 Faible (4 m/s) Plat Tête
2 Haut (6 m/s) Plat Tête
3 Faible Coudé Tête
4 Haute Coudé Tête
5 Faible Plat Torse
6 Haute Plat Torse

Tableau 2 : Impact des scénarios à simuler.

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Discussion

Ici, les méthodes d’instruction casque rentre dans "tête casquée magnétique" impacts sont présentés. Ajustement de casque a été quantifiée avec capteurs de force fit, impacts ont été simulés avec un ATD fausse tête et le cou sur une tour de chute guidée et mouvement de casque a été repérée avec la vidéo à haute vitesse. Impact différent scénarios ont été simulés sous différents scénarios apte à étudier les effets des mesures biomécaniques du casque s’adapter.

Les capteurs du casque s’adapter sont propres à distinguer les différences dans les forces fit entre différents casque monter des scénarios (Figure 12). Tendances en forces fit entre différents scénarios d’ajustement ne correspondent pas fortement aux performances du casque. Un casque s’adapter avec faible stabilité (par exemple vers l’arrière en forme, comme illustré à la Figure 1) est censé pièce forces fit beaucoup plus faibles. Malgré les quantités accrues de mouvement casque (fit reculer, Figure 19), un arrière ajustement casque expositions significativement plus faibles correspondent des forces au lieu de seul un capteur par rapport à un ajustement régulier. Ce résultat suggère que l’étanchéité casque sur la tête ne soit pas le seul déterminant de la fit qui garantit la stabilité dynamique du casque sur la tête. Dans cette étude, les forces de la fit ont été mesurés avec la tête inversée. Les forces pourraient également nous avons mesurés avec la tête dans une position qui se traduirait par des forces plus élevées mesurées au sommet tête que celles rapportées dans cette étude l’endroit. Toutefois, le protocole de la comparaison de forme des forces entre les différents scénarios d’ajustement vise à quantifier les variations relatives de force fit. Que la tête soit debout ou inversée, les changements relatifs aux forces sont les mêmes.

Le banc d’essai et méthodes présentées sont capables de déterminer la cinématique linéaire et angulaire, y compris l’accélération et de vitesse ainsi que de forces de cou et de moments pendant la durée de l’impact. Contemporary biomécaniques blessures mesures se fondent sur la cinématique et le temps de frappe. Par exemple, le critère de blessure à la tête (HIC) intègre une accélération linéaire au fil du temps,12, alors que le critère de blessure du cerveau (BrIC) repose sur la pointe de vitesse angulaire11. Autres mesures axées sur la cinématique des blessures incluent le modèle d’accélération généralisée pour cerveau lésions seuil (GAMBIT)29, basé sur l’accélération linéaire et accélération angulaire maximale et la puissance de choc de la tête (hanche), qui comprend linéaire et accélération angulaire, durée et considérations directionnelle30. Par ailleurs, cou forces et moments servent à calculer les cou blessure critère Nij12. Comme ce protocole expérimental est capable de mesurer tous pertinente cinématique et cinétique, il est possible de calculer des mesures biomécaniques blessure qui présentent un intérêt. Risque potentiel de blessure peut décider selon la littérature associée à chaque mesure de la blessure. En conséquence, le programme d’installation s’est avérée capable de détecter des modifications dans des mesures biomécaniques de blessure tête et du cou, basé sur le casque s’adapter. Par conséquent, le banc d’essai peut être utilisé pour étudier l’ajustement et de conservation et de leur relation avec traumatisme crânien focal et diffuse et osteoligamentous blessure au cou. Par exemple, dans un torse-premier impact sur une enclume plate à 6 m/s, un ajustement régulier et scénario fit vers l’arrière ont été comparés. Pour l’ajustement régulier scénario, accélérations linéaires résultants de pic, pic angulaire accélérations et changement de vitesses angulaires étaient respectivement 158,2 g, 4647.5 rad/s2et 22.39 rad/s. Par rapport à l’ajustement régulier, un scénario d’ajustement arrière présentait des valeurs plus élevées de 177,9 g, 6246.4 rad/s2 et 45,91 rad/s, ce qui suggère un risque plus élevé de traumatisme crânien (Figure 13 à la Figure 17) avec des valeurs de p t-test de 0,012, 0.070, et 0,005, respectivement. Parce que l’intégration du bruit dans l’accélération angulaire a créé un décalage en vitesse angulaire, la variation de la vitesse angulaire est signalée à la place pour tenir compte de ce décalage. Pour le même scénario de l’impact, le critère de blessure cou (Nij) dépendait du moment et de la force de cou. Un casque ordinaire s’adapter, scénario, un pic Nij de 1,23 a été déterminée, tandis qu’un casque en arrière ajustement mesuré 1,28 (Figure 18) avec une valeur p t-test de 0,099. Encore une fois, une valeur plus élevée de Nij suggère un plus grand risque de blessure au cou.

Les techniques d’analyse vidéo haute vitesse s’est avéré capables de détecter des modifications dans la rétention et la stabilité dynamique. Pour le même torse-premier impact sur une enclume plate à 6 m/s, un ajustement régulier et scénario fit vers l’arrière ont été comparées en termes de déplacements de casque. Le scénario d’ajustement standard a connu une variation maximale de déplacement de la tête-casque de 6,52 cm tandis que 12,18 cm (Figure 19) a connu le scénario d’ajustement vers l’arrière avec une t-test p-valeur de 0,006. Avec presque deux fois autant mouvement casque, ces tendances donnent à penser qu’une descendante apte résultats des scénarios dans une plus grande exposition de tête et, peut-être, une plus grande exposition aux blessures de front dans un impact ultérieur après le premier.

Déplacement absolu et déplacement relatif (Figure 19) transmettent le montant facial et d’exposition de front et mouvement relatif de tête-casque, respectivement, qui sont tous deux importants lors de l’examen de maintien en poste et la stabilité dynamique. La méthode proposée de suivre les déplacements de casque par rapport à la tête permet stabilité tête de casque et de l’exposition lors de l’impact d’être représenté et peut être évaluée par rétention de casque pour les effets ultérieurs. La méthode peut montrer mouvement casque tout au long de l’impact, ce qui peut être caractérisé comme absolues déplacements et changements de déplacement (Figure 19). Un casque mal conservé exposera des déplacements plus, alors qu’un casque bien conservé présenterait moins de déplacements. Dans cette étude, déplacement absolu indique le degré d’exposition du visage et changement relatif au déplacement le mouvement relatif maximal entre le bord des sourcils et du casque (Figure 19). Cela rapporté valeur de déplacement est déterminée par la distance entre les deux marqueurs, reliés par un axe unique. Utilisant les mêmes méthodes expérimentales, il serait également possible de mesurer le déplacement relatif dans trois directions des composantes pour caractériser plus complètement ajustement et maintien en poste. Un seul composant a été choisi pour la simplicité, tout en offrant une bonne comparaison de HPI. Dans les autres conditions d’impact, par exemple en cas de chocs latéraux, plusieurs directions des composantes ou rotation de la tête-casque pourrait être particulièrement utile.

Un inconvénient avec les capteurs actuellement proposées et la mesure force fit est la résolution spatiale limitée dont les forces sont mesurées. Avec une gamme de 5-capteur, la distribution de la force à travers le casque entier ne peut pas être pleinement représentée. Parce que la conception des casques de vélo comprend souvent des évents ouverts, un capteur ne peut pas toujours communiquer avec le casque et mesurer zéro force ainsi. Une solution est de placer les capteurs de force sur le casque au lieu de la tête. Dans le protocole présenté, les capteurs de force ont été placés sur la tête pour maintenir l’uniformité et la reproductibilité de l’expérience. Avoir des capteurs placés sur le casque peut exiger un protocole différent pour les types différents de casque. Toutefois, la petite taille des capteurs et multiplexage capacité des capteurs à réseau de Bragg de la fibre (FBG) permettent un plus grand nombre de capteurs pour être facilement distribué around la tête. Capteurs supplémentaires pourraient discerner les lieux de haute et basse fit forcer les fluctuations et renseignent davantage sur la stabilité du casque. En plus de l’ampleur de la force dans la représentation de l’étanchéité, il peut également être utile d’examiner la zone de contact entre le casque et la tête. Surtout dans le cas des casques avec des évents ouverts, la zone de contact totale ou sa distribution peut être importante pour caractériser l’ajustement. Bien que les changements dans l’étanchéité globale moyenne n’étaient pas aussi apparents dans différents scénarios de positionnement du casque, des changements importants dans la distribution des forces pourraient être identifiés, comme on le voit à la Figure 12.

Comme pour tout travail biomécanique basé sur dis, il y a limites dans les méthodes présentées. Contrairement aux impacts du monde réel, les paramètres tels que la vitesse d’impact, point d’impact sur le casque et les surfaces de l’impact sont contrôlés. Par conséquent, le travail présenté ne saisiront pas la variabilité de ces paramètres à un cycliste et d’un incident à l’incident menant au choc de la tête.

Hybrid III a été développé pour les essais, par opposition à la recherche de casque de collision automobile. Contrairement à un Comité National d’exploitation sur les normes d’équipement sportif (NOCSAE) fausse tête31, il n’est pas conçu pour être utilisé avec un casque. En revanche, la fausse tête NOCSAE a été conçue avec taille et la forme spécifications fondées sur des têtes de cadavre pour un joueur de football adulte moyenne et certains considèrent comme aux plus anthropométrie tête avec précision approximative. Parce que la géométrie de la fausse tête joue un rôle important en experimentation casque s’adapter, la fausse tête peut avoir certaines lacunes pour les types de casque différent. En particulier, la fausse tête a des différences notables géométriques à la tête NOCSAE à la base du crâne, joues, mâchoire et le menton32,33. Parce qu’il y a un contact minime entre ces caractéristiques et les casques de vélo, des différences de forme entre la fausse tête et une tête réelle peuvent avoir une influence minimale sur la tête-casque interaction. Par conséquent, nous croyons que la fausse tête est un modèle approprié à utiliser dans les études comparatives entre les scénarios d’ajustement, comme présenté ici. Toute influence en raison de différences de forme serait plus apparent dans l’interface entre le système de cliquet de retenue et le bord inférieur de la calotte, particulièrement dans le scénario d’ajustement vers l’arrière. Associés à la tête de la fausse tête, le cou a été critiqué pour sa rigidité supérieure par rapport à un cou humain et certains formulent l’hypothèse que le manque de rigidité réaliste peut contribuer au mouvement de la tête qui diffère de celles du choc de la tête souffrance réelle de l’homme34 . Ces effets seraient considérablement plus importantes dans les impacts du torse en premier parce que la trajectoire et la cinématique de la tête sont dépendants sur le cou. Soit une incidence de torse et unième, un trop de raideur de la nuque pourrait atténuer le mouvement de la tête après le contact du torse et anormalement lente Vitesse d’impact de la tête au contact de tête. Avec peu de littérature existante étudier les impacts du torse en premier, la biofidélité des traces cinématiques sont difficiles à valider avec les impacts réels de cyclistes. Cependant, tête accélération angulaire de la trace du torse sont des scénarios comparables à semblable charge combinée interprétés par Smith et al. 18. par conséquent, les tendances en accélération angulaire et cou charge dans différents scénarios d’ajustement est à souligner, plutôt que déclarés magnitudes absolues. Pour nous, que le cou est un modèle approprié pour l’étude présentée parce que nous comparons les propositions de cinétique et tête cou entre les cas de s’adapter et, au lieu de commenter l’ampleur absolue de tête cinématique et cinétique du cou, nous constatons des changements dans ces mesures.

Une autre limitation de l’utilisation de la fausse tête en experimentation casque fit est la dissemblance de la peau de vinyle factice avec celle d’un cuir chevelu humain. Avec des variations de pratiques telles que les cheveux, l’huile et l’humidité, une simulation précise de toutes ces variables serait difficile. Bien que des efforts dans la création d’un cuir chevelu artificiel pour recherche de casque ont été poursuivis35, validations de tête casque interaction entre l’artificiel et humaine des cuirs chevelus ont été minimes. Puisqu’il est généralement admis que la peau de la tête présente un coefficient de frottement plus élevée qu’un cuir chevelu humain, rétention de casque pourrait être améliorée en tort. Avec dépendance variable à la friction de la tête-casque dans différents scénarios d’ajustement, l’effet de la peau de vinyle factice pourrait également être plus ou moins prononcé. Par exemple, un scénario d’ajustement normal peut conserver un casque en raison de la forme de la tête, alors qu’un ajustement avant peut conserver un casque en raison de la friction de tête-casque accrue de la peau de vinyle. Cependant, les déplacements de casque dépendent de la fausse tête du cuir chevelu dans cette étude. À ce titre, conclusions devraient reposer sur les changements et les tendances entre les différents scénarios d’ajustement.

Bien que quatre scénarios d’ajustement ont été étudiés, plus variables existent en qualifiant le casque s’adapter. Ces méthodes proposées pourraient permettre l’étude d’autres scénarios de casque s’adapter, comme plus de tailles ou de différents niveaux d’étanchéité de rétention à cliquet. Dans cette étude, le système de retenue de cliquet a été serré à un niveau constant de l’étanchéité, subjective pour le chercheur. Une étanchéité plus réaliste pourrait être atteint en mesurant les forces fit sur des volontaires, semblables à casque montage étude5 du Jadischke. Le système de rétention pourrait alors être disposé sur la fausse tête et serré à un niveau présentant les mêmes forces fit. Les scénarios de futurs travaux, assembler avec différentes tailles ou cliquet rétention étanchéité seront considérées.

Nous présentons un banc d’essai novateur permettant d’évaluer le casque s’adapter, rétention dynamique et les effets de ces deux mesures biomécaniques de blessure de tête et du cou. Les méthodes présentées sont capables de détecter des changements significatifs en forces fit motion relative casque tête et toutes les mesures biomécaniques contemporains de blessure de tête et du cou. Les méthodes proposées ont été utilisées pour étudier un habitué et monter vers l’arrière, pour trouver des changements significatifs à tête vitesse angulaire et le degré d’exposition au siège. Avec ces méthodes proposées, on peuvent révéler des différences dans la performance de casque en raison de l’ajustement de casque.

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Disclosures

Les auteurs n’ont aucun conflit de divulguer et ne restez pas de gagner financièrement à la publication de cet ouvrage.

Acknowledgments

Nous reconnaissons avec financement du Conseil de recherche génie (CRSNG) du Canada (435921 subventions de découverte), la Pashby Sports Safety Fund et sciences naturelles (2016 : RES0028760), la Fondation de recherche Banting (prix découverte 31214), () du NBEC Inc. (Canada) et la faculté d’ingénierie et le département de génie mécanique à l’Université de l’Alberta.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Hybrid III Headform Humanetics or Jasti-Utama N/A 50th Percentile ATD, for impact simulation
Hybrid III Neck Humanetics or Jasti-Utama N/A 50th Percentile ATD, for impact simulation
Linear Accelerometers Measurement Specialties 64C-2000-360 for head acceleration measurement
Upper Neck Load Cell mg Sensor N6ALB11A for neck load measurement
High Speed Camera Vision Research v611 for motion capture
Camera Lens Carl Zeiss N/A 50 mm f1/.4, for motion capture
Camera Lens Carl Zeiss N/A 100 mm f/2.0, for motion capture
Bicycle Helmet Bell N/A Traverse
Data Acquisition System National Instruments PXI 6251 for Hybrid III signal acquisition
Head Impact Drop Tower University of Alberta N/A Custom-designed, for impact simulation
Optical Interrogator Smart Fibres Ltd. N/A SmartScan, for optical sensor force measurement
Fit Force Sensor University of Alberta N/A Custom-designed, for measuring helmet fit forces

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References

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