Las pruebas de impacto modificados Torre de las gotas para los cascos de fútbol americano
Summary
This article provides a novel technique to assess the performance characteristics of American football helmets by inclusion of faceguards during NOCSAE Standard drop tests. Additionally, two more impact locations are proposed to be added to the NOCSAE certification.
Abstract
A modified National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment (NOCSAE) test method for American football helmet drop impact test standards is presented that would provide better assessment of a helmet’s on-field impact performance by including a faceguard on the helmet. In this study, a merger of faceguard and helmet test standards is proposed. The need for a more robust systematic approach to football helmet testing procedures is emphasized by comparing representative results of the Head Injury Criterion (HIC), Severity Index (SI), and peak acceleration values for different helmets at different helmet locations under modified NOCSAE standard drop tower tests. Essentially, these comparative drop test results revealed that the faceguard adds a stiffening kinematic constraint to the shell that lessens total energy absorption. The current NOCSAE standard test methods can be improved to represent on-field helmet hits by attaching the faceguards to helmets and by including two new helmet impact locations (Front Top and Front Top Boss). The reported football helmet test method gives a more accurate representation of a helmet’s performance and its ability to mitigate on-field impacts while promoting safer football helmets.
Introduction
Motivación
El objetivo principal de este método de ensayo modificado torre de caída es representar más de cerca los impactos sobre el terreno del sistema de casco de fútbol americano y promover las normas de seguridad mejoradas. El método de ensayo implicaba puede proporcionar conocimiento de los cascos de respuesta sistemática necesaria para desarrollar con eficacia mejorada tocados para la prevención de la conmoción cerebral. La aparición de las conmociones cerebrales ha plagado persistentemente deportes de contacto, como el fútbol americano. Sólo en los Estados Unidos, las conmociones cerebrales relacionadas con el deporte se ha estimado que se produzca entre 1,6 y 3,8 millones de veces cada año. 1 Un jugador de fútbol puede tener más de 1.500 impactos en la cabeza de cada temporada. 2, 3 Si bien la magnitud de los impactos más puede ser sub-conmoción, la acumulación de estos impactos puede conducir a daño cerebral a largo plazo debido a una dolencia neurodegenerativa impacto inducido conocida como encefalopatía traumática crónica (CTE). 4CTE está vinculada a una acumulación de la proteína tau en el cerebro, lo que lleva a la pérdida de la memoria, el comportamiento y cambios en la personalidad, síndrome de Parkinson, y habla y alteraciones de la marcha que a veces ha llevado al suicidio. 5 cascos de fútbol han hecho algunos avances tecnológicos en los últimos 15 años, pero los cascos más avanzados de hoy en día aún no mitigan completamente todas las fuerzas incidentes en el casco y, por lo tanto, los atletas que incurra en las conmociones cerebrales. Un estudio realizado por Bartsch et al. 6 mostraron que en muchos casos la cabeza dosis de impacto y los riesgos de lesiones de cabeza, mientras que el uso de cascos Leatherhead época eran comparables a los que llevan los cascos 21 ampliamente utilizados del siglo XXI, que ilustran la necesidad de una mejora en los estándares de diseño y pruebas de cascos de fútbol. En particular, la certificación NOCSAE 7 no requiere la Visera para ser incluidos en los ensayos de caída para el casco. La rigidez añadida por tque Visera conectado al casco cambiaría drásticamente la respuesta mecánica en general. El presente estudio implica un método para proporcionar más robustos estándares de seguridad casco que servirían como una fuerza impulsora para promover diseños de cascos más seguros.
Fondo
Lesiones en la Cabeza Métrica
Los mecanismos biológicos exactos relacionados con conmociones cerebrales permanecen sin identificar. Mientras tanto se ha trabajado en el intento de cuantificar las tolerancias de lesiones en la cabeza varias métricas de lesiones, el desacuerdo ha surgido en la comunidad biomédica respecto a estos criterios. Se supone que estos mecanismos de lesión de relacionarse con varias entidades: la aceleración lineal, aceleración rotacional, la duración del impacto, y los impulsos. 8, 9, 10, 11 Varios criterios de lesiones se han utilizado para definir una conmoción cerebral como una medida de la aceleración lineal. La curva de tolerancia Wayne State (WSTC) <sup class = "xref"> 12, 13, 14 se desarrolló para predecir fractura de cráneo para los accidentes de automóviles durante un impacto frontal mediante la definición de un límite de curva de umbral para la aceleración lineal frente a la duración del impacto. WSTC ha servido como base para otros criterios de lesiones tales como el Índice de Gravedad (IG) 11 y la lesión en la cabeza Criterio (HIC), 15 que son los dos criterios más utilizados. El SI y HIC tanto la fuerza del impacto medida basada en las integrales ponderados de los perfiles de tiempo de aceleración lineal. Si bien estos criterios definen umbrales para la aceleración lineal, se han propuesto otros criterios para tener en cuenta la aceleración de giro, como el índice de Head potencia de impacto. 8, 10, 16 normas de ensayo casco de hoy a menudo utilizan un criterio de lesión en base al estado de Wayne ParaCurva lerancia (a saber HIC o SI) o el criterio de pico de aceleración o en algunos casos ambas. Si bien se necesitan algunas modificaciones para añadir aceleración angular de los criterios de rendimiento estándar, los criterios lineales basados en la aceleración siguen siendo dominantes.
En este estudio, los parámetros utilizados para evaluar la seguridad relativa que cada casco se estuvieron las aceleraciones resultantes de pico, valores SI, y de HIC. De estos indicadores sólo el SI se utiliza para la evaluación en el actual Comité Nacional de Normas de funcionamiento de las normas de equipamiento para atletismo (NOCSAE) casco de fútbol americano. El SI se basa en la siguiente ecuación,
(1)
donde A es la aceleración de traslación del centro de gravedad (CG) de la cabeza, y t es la duración de aceleración. 11, 17 de la IS se calculó de acuerdo to normas NOCSAE 18, en el que el cálculo está limitada por un umbral de 4 G a lo largo de la curva de aceleración resultante. Los valores HIC se calcularon mediante la siguiente ecuación,
(2)
donde a es la aceleración de traslación del CG de la cabeza, y t 1 y t 2 son los tiempos inicial y final, respectivamente, de la frecuencia con la que HIC alcanza un valor máximo. Todos los valores calculados de HIC en este estudio fueron HIC 36, donde la duración del intervalo de tiempo está limitado a 36 ms.
Normas de ensayo Casco de fútbol americano NOCSAE
NOCSAE general
En 1969 se formó NOCSAE para desarrollar normas de funcionamiento de cascos de fútbol americano / faceguards y otros equipos deportivos con el objetivo de reducir las lesiones relacionadas con el deporte. 17 Las normas casco de fútbol americano NOCSAE fueron desarrollados por el Dr. Voigt Hodgson 9 de la Wayne State University para reducir lesiones en la cabeza mediante el establecimiento de requisitos de atenuación de impacto y la integridad estructural de fútbol Cascos / faceguards. Estas normas incluyen un casco de fútbol americano prueba de certificación y procedimientos de rectificación anual para los cascos. En 2015, NOCSAE implementó un programa de garantía de calidad que requiere el uso de un determinado Instituto Americano de Estándares Nacionales (ANSI) organismo acreditado para la certificación casco.
Método de prueba NOCSAE
El NOCSAE casco de fútbol americano estándar no incluye los ensayos de cascos con faceguards en que exige su remoción se llevan a cabo antes de las gotas de casco. Las normas de ensayo casco NOCSAE 17 utilizan un impactador gota gemelo que se basa en la gravedad para acelerar la cabeza de ensayo y la combinación de casco para las velocidades de impacto requeridas. La forma de cabeza NOCSAE se instrumenta wacelerómetros triaxiales ITH en el centro de gravedad. La combinación de pieza y el casco se deja caer luego a velocidades específicas sobre un yunque de acero cubierto con una almohadilla de 12,7 mm de espesor de caucho duro modular elastómero programador (MEP). Tras el impacto, la aceleración instantánea se registra y valores del IE se calculan. Estos valores de IE se comparan contra un pasa / no pasa criterio sobre una variedad de lugares requeridos de impacto y las velocidades y las dos temperaturas, incluyendo ambiente y los impactos de alta temperatura. Si el valor resultante de la IS para cualquier impacto viola el umbral, el casco no pasará la prueba.
Un método de prueba estándar separado se utiliza para la certificación máscara?. La norma NOCSAE máscara? Incluye el análisis estructural integridad, así como la evaluación del rendimiento de amortiguación de impacto de la Visera, carrillera, y sus sistemas de fijación. Cada medición de impacto debe estar por debajo de 1.200 SI para pasar la prueba, sin contacto facial y no mefallo mecá- de cualquier componente, tal como lo define la Norma NOCSAE. 19
Hay una prueba NOCSAE adicional propuesto (Linear impactador (LI)) 20 que incluye el casco con la Visera, pero no es apropiado para la certificación casco de fútbol americano, ya que no puede admitir un efecto corona. El LI utiliza un pistón neumático para impactar un casco colocado en un simulador de cabeza NOCSAE equipado con un cuello maniquí Hybrid III montado en una mesa de cojinete lineal con el fin de inducir la aceleración angular. Por esta razón la prueba LI es una prueba adicional para el gemelo de procedimiento actual prueba de caída NOCSAE y no un reemplazo. 20, 21 En lugar de las pruebas de LI, se propone añadir simplemente dos escenarios más al procedimiento actual prueba de caída de doble alambre.
El método de prueba estándar para la certificación de NOCSAE cascos de fútbol actualmente incluye seis loca impacto prescritociones y un lugar de impacto al azar. Los lugares de impacto prescritos son los siguientes: frontal (F), frente Boss (FB), lateral (S), atrás (R), Jefe posterior (RB) y superior (T). La prueba de punto de impacto al azar puede seleccionar una región de cualquier punto dentro de la zona de impacto definida aceptable del casco. Los lugares de impacto para nuestras pruebas torre de caída NOCSAE modificados incluyen la sustitución de los lugares de impacto frontal y delantera de Boss previamente definidos con lo que fue nombrado como el Mejor delantero (FT) y los lugares de impacto frontal Parte superior de Boss (FTB). Nuestros lugares de impacto frontal superior y frontal superior de Boss son idénticos a los lugares de impacto frontal y delantera derecha de Boss de la norma NOCSAE de Lacrosse Cascos, que también incluyen la Visera para pruebas de caída. 22 Los lugares de impacto, bóveda, incluyendo las localizaciones del frente y de frente de Boss reemplazados, se representan en la Figura 1. Además, el método de ensayo modificado del casco de nuestro presente estudio incluye dos IMPAC faceguardt lugares que fueron nombrados el Frente FG y FG inferior. Los dos lugares impactos Visera son idénticos a los lugares de impacto requeridas para los procedimientos actuales de certificación faceguard NOCSAE. Los ocho lugares de impacto para las pruebas de impacto NOCSAE modificados de la presente estudio se muestran en la Figura 2.
Figura 1: lugares de impacto aproximados de los cascos de fútbol. Los seis que actualmente se exige ubicaciones NOCSAE casco prueba de caída de impacto, adelante (F), frente Boss (FB), secundarios (S), Top (T), atrás (R), y el jefe trasero (RB), y los dos lugares de impacto propuesto , Front Top (FT), y el Frente top Boss (FTB). Nota: el método de prueba estándar para NOCSAE casco protector no incluye frontal superior y lugares de impacto frontal Parte superior de Boss (indicado en rojo) y para este estudio que sustituye a los lugares de impacto frontal y delantera jefe. (Imagen modificada de NOCSAE DOC. 001-13m15b) <ahref = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg" target = "_ blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Modificado configuración de prueba de caída NOCSAE mostrando ocho lugares de impacto. Frente superior, frontal top Boss, lateral, Visera (FG) frontal, trasero, Jefe trasera, parte superior, inferior y Visera (FB). Nota: el estándar NOCSAE no incluye datos adjuntos faceguard y aquí frontal superior y frontal top Boss reemplazar los lugares de impacto estándar delanteros y el Frente jefe. (Imagen modificada de NOCSAE DOC. 002-11m12) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
diseños de cascos han cambiado progresivamente en la última década, mientras que las normas casco de fútbol americano NOCSAE nunca han incluido la Visera con el hELMET en la evaluación de las especificaciones de rendimiento casco de fútbol americano. Si bien, recientemente una enmienda haya sido hecha para incluir un pasa / no pasa valor de 300 SI para los impactos de velocidad más baja (3,46 m / s), el pase generales / Falla límite de 1.200 SI no ha cambiado desde 1997. 17 Antes de 1997, la NOCSAE utiliza un 1,500 SI pasa / no pasa criterio. Hodgson et al. (1970) ha demostrado que los valores de SI mayor que 1000 es un peligro para la vida, mientras que los valores de SI 540 han producido fracturas de cráneo lineales en las pruebas de impacto de cadáveres no con casco. 23 La mayoría de los cascos de fútbol modernos han demostrado que pasar por debajo del límite de 1.200 SI, pero no todas por debajo de 540 SI.
Protocol
Representative Results
Discussion
La metodología informado de que las parejas NOCSAE pruebas de impacto casco de fútbol americano y soltar faceguard ofrece una técnica única para evaluar mejor las características de rendimiento de los cascos de fútbol modernos. Los pasos más críticos para evaluar esto mejor característica de rendimiento de cascos de fútbol modernos son los siguientes: 1) establecer correctamente el dispositivo de prueba mecánica; 2) llevar a cabo con precisión los procedimientos de calibración; y 3) unir adecuadamente el ca…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge the Center for Advanced Vehicular Systems (CAVS) at Mississippi State University for providing testing facilities and Rush Sports Medical of Meridian, Mississippi for their monetary support.
Materials
| 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 | |
References
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