修改落塔冲击试验为美国橄榄球头盔
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
动机
这个修改后的落塔试验方法的主要目标是要更紧密地代表美国橄榄球头盔系统对场的影响，促进提高安全标准。该entailed试验方法可以提供头盔，有效地开发脑震荡预防头饰增强系统需要应对的知识。脑震荡的发生一贯困扰接触的运动，比如美式足球。仅在美国，与体育有关的脑震荡被估计将要发生，每年1.6至3.8万次。 1橄榄球运动员可以有超过1500个每个赛季头的影响。 2，3虽然大多数影响的程度可能是次震荡，这些影响是由于被称为慢性创伤性脑病（CTE）的冲击引起的神经变性疾病的积累可能导致长期的脑损伤。 4CTE被链接到tau蛋白在大脑中积聚，导致记忆丧失，行为和人格改变，帕金森氏综合征，和语音和步态异常已有时会导致自杀。 5橄榄球头盔已经在过去15年中取得了一定的技术进步，但即使是当今最先进的头盔并不能完全缓解所有的事件力量在头盔上，因此，运动员仍然招致脑震荡。通过BARTSCH 等人进行的一项研究。 6表明，在许多情况下，头部撞击剂量和在穿着老式Leatherhead的头盔是可比的那些穿着广泛使用的21 世纪的头盔，示出了用于在设计和测试标准橄榄球头盔的改进的需要头部受伤的风险。特别是，NOCSAE认证7不需要面甲要包括在该头盔的跌落试验。从t附加的刚度他面甲连接到头盔将极大地改变整个机械响应。本研究需要一种方法，以提供更强大的头盔安全标准，将作为驱动力来促进安全头盔设计。
背景
颅脑损伤指标
有关脑震荡的确切生物学机制仍然不明。虽然很多工作已经在试图通过各种损伤指标来量化颅脑损伤容限已经完成，意见分歧已经出现在关于这些标准的生物医学界。这些损伤的机制都应该涉及到一些实体：直线加速，旋转加速度，冲击持续时间和冲动。 8，9，10，11的几个损伤标准已经用于定义一个震荡线性加速度的量度。韦恩州立公差曲线（WSTC） <suP类=“外部参照”> 12，13，14被开发通过定义线性加速度随冲击持续时间的阈值的曲线边界正面碰撞时，预测为汽车撞车颅骨骨折。 WSTC曾担任其他伤害的标准，例如严重程度指数（SI）11基地 而头部伤害指数（HIC），15这是两种最常用的标准。的SI和HIC基于所述线性加速度 – 时间曲线加权积分两个量度影响严重性。而这些标准定义了线性加速度的阈值，其他的标准，已经提出以考虑转动加速度，如头部冲击功率索引。 8，10，16今天的头盔测试标准通常使用基于韦恩州立要伤害标准lerance曲线（即HIC或SI）或峰值加速度标准或在某些情况下，这两个。虽然需要一些修改角加速度添加到标准的性能标准，基于线性加速度标准仍然占主导地位。
在这项研究中，使用的指标来评估的相对安全性，所提供的每个头盔是峰值所得加速度，SI和HIC值。这些指标中，只有SI是用于当前全国工作委员会标准田径设备（NOCSAE）橄榄球头盔的标准评价。在SI是基于以下等式，
（1）
其中A是重力的头部的中心（CG）的平移加速度，和t是加速度的持续时间。 11，17 SI计算根据：õNOCSAE标准18，其中，计算由沿所得加速度曲线的4G阈限定。的HIC值通过下列公式计算，
（2）
其中a是头部的重心的平移加速度，和叔 1和t 2是最初和最后的时间，分别在其HIC达到最大值的时间间隔的。所有的HIC值在这项研究中分别为HIC 36，其中该时间间隔的持续时间被限制为36毫秒计算的。
NOCSAE橄榄球头盔测试标准
NOCSAE概述
1969年NOCSAE成立，以开发用于美式橄榄球头盔/ faceguards等运动设备，减少运动伤害的目标性能标准。 17 NOCSAE橄榄球头盔标准由韦恩州立大学的沃伊特霍奇森博士9人开发的建立影响衰减和结构的完整性要求橄榄球头盔/ faceguards，以减少头部受伤。这些橄榄球头盔标准包括认证测试和头盔年度换发新证手续。到2015年，实现NOCSAE需要使用特定的美国国家标准协会（ANSI）认可的机构头盔认证的质量保证计划。
NOCSAE测试方法
该NOCSAE橄榄球头盔标准不包括与faceguards头盔的测试，因为它正在开展头盔滴之前要求其删除。所述NOCSAE头盔测试标准17利用依赖于重力，以加速头模和头盔组合到所需冲击速度双线滴撞击。该NOCSAE头模的仪表W¯¯在重心i个三轴加速度计。头型和头盔的组合，然后在特定的速度下降到覆盖着厚12.7mm的硬质橡胶弹性体的模块化编程（MEP）垫钢砧。在冲击，瞬时加速度被记录和计算的SI值。这些SI值是针对一通比较/失败的标准在各种需要的撞击位置和速度以及两个温度，包括环境和高温的影响。如果任何影响所产生的SI值超出阈值，则该头盔将无法通过测试。
一个单独的标准测试方法用于足球甲头盔认证。所述NOCSAE足球面甲标准包括结构完整性分析以及评估所述面甲，南极的冲击衰减性能，和它们的附连系统。每一次撞击测试必须低于1200 SI通过测试，没有正面接触，也没有我任何部件的机械故障，如由NOCSAE标准定义的。 19
有一个提议增加NOCSAE测试（线性冲击器（LI））20，其中包括与面甲头盔，而是因为它不能承认冠的影响是不恰当的橄榄球头盔认证。对LI使用一个气动推杆撞击位于配备以诱导角加速度安装在一个线性轴承表的混合动力车第三虚设颈部NOCSAE头模头盔。由于这个原因，李试验是额外的试验，以目前的双网NOCSAE跌落试验过程而不是替代。 20，21相反的李测试中，我们提出简单地两个场景添加到当前双网跌落试验过程。
足球头盔认证NOCSAE标准测试方法目前包括六个规定的影响LOCAtions和单随机冲击的位置。该规定的撞击位置包括以下内容：前（F），前老板（FB），侧面（S），后（R），后老板（RB）和上衣（T）。随机冲击位置试验可以从头盔的规定的可接受影响区域内的任何点选择一个区域。我们修改NOCSAE落塔试验的撞击位置包括什么被命名为前上（FT）和前大老板（FTB）撞击位置替换先前定义的接待和前老板撞击位置。我们前面顶板和前大老板撞击位置相同，为长曲棍球头盔的NOCSAE标准和右前老板撞击位置，其中也包括跌落试验的面甲。 22头盔壳冲击地点，包括被替换的正面和前老板位置，在图1中描绘。 此外，我们目前的研究修改安全帽测试方法包括两个面甲IMPAC这被命名为FG接待和FG底部T形的位置。两个面甲的影响的位置是相同的，为当前NOCSAE面甲认证程序所需的冲击的位置。用于本研究的改性NOCSAE冲击测试八个撞击位置示于图2。
图1：橄榄球头盔近似撞击位置。这六个当前所需要NOCSAE跌落试验头盔撞击位置，前（F），前老板（FB），侧面（S），上衣（T），后（R）和后部凸台（RB），和两个建议撞击位置，前顶（FT）和前大老板（FTB）。注：安全帽的NOCSAE标准测试方法不包括前顶板和前大老板撞击位置（以红色文字显示），本研究中，他们更换前和前老板撞击位置。 （图片来自NOCSAE DOC修改。001-13m15b） <aHREF =“https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg”目标=“_空白”>点击此处查看该图的放大版本。
图2： 修改NOCSAE跌落测试设置显示8次位置。前顶，前顶boss，边，面甲（FG）正投，背投，背投老大，顶部和底部面甲（FB）。注：NOCSAE标准不包括面甲附件，这里接待顶板和前大老板取代标准的接待和前老板撞击位置。 （图片来自NOCSAE DOC修改。002-11m12） 点击此处查看该图的放大版本。
头盔设计在过去十年中已逐步改变，而NOCSAE足球头盔标准从未附带小时面甲ELMET在评价足球头盔性能规格。虽然，最近一项修正案已取得包括合格/不合格的最低速度的影响（3.46米/秒），一般通过/失败1200 SI的上限300 SI的价值自1997年17 1997年之前并没有改变，该NOCSAE使用1500 SI PASS / FAIL标准。 Hodgson 等人。 （1970年）显示，大于1000的SI值是对生命的危险，而540 SI值非头盔尸体碰撞试验已经产生线性颅骨骨折。 23最现代化的橄榄球头盔表明通过远低于1200 SI限制，但不是全部低于540 SI。
Protocol
Representative Results
Discussion
报告的方法，夫妻NOCSAE橄榄球头盔面甲并跌落冲击试验提供了一个独特的技术来评估现代足球头盔更好的性能。评价现代足球头盔这更好的性能特点，最关键的步骤如下：1）正确设置机械试验装置; 2）准确地进行校准程序; 3）正确连接头盔/面甲的头型。
这种方法需要适当的测试设置和校准程序。有由于制造过程中的限制，其中包括在聚合材料的孔隙率每NOCSAE头模之间固有可…
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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