アメリカンフットボールのヘルメットのための修正されたドロップタワー衝撃試験
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
動機
この修正された落下塔試験法の主な目的は、より密接にアメリカンフットボールのヘルメットシステムのオン・フィールドの影響を表し、強化安全基準を促進することです。伴う試験方法は、効果的に脳震盪の防止のための強化されたヘッドギアを開発するために必要なヘルメット体系的応答についての知識を提供することができます。脳震盪の発生が持続的にそのようなアメリカンフットボールのように、コンタクトスポーツを悩ませてきました。米国だけでも、スポーツ関連脳震盪は毎年160万〜3.8回発生すると推定されています。 1のサッカー選手は、1,500以上のヘッド影響各シーズンを持つことができます。 2、3、最も影響の大きさはサブ震とうかもしれないが、慢性外傷性脳症（CTE）として知られている衝撃誘発される神経変性疾患への長期的な脳損傷につながる可能性があり、これらの影響の蓄積。 4CTEは、記憶喪失、行動や人格変化、パーキンソン症候群、音声、時には自殺につながっている歩行異常につながる、脳内のタウ蛋白の蓄積にリンクされています。 5サッカーのヘルメットは、過去15年間にいくつかの技術の進歩をしたが、それでも今日の最も先進的なヘルメットは完全にヘルメットに入射力のすべてを緩和しない、したがって、選手はまだ脳震盪を負います。 BARTSCH らによって行われた研究。ヴィンテージレザーヘルメットを身に着けている間6は、多くの場合、頭部衝撃の用量および頭部外傷のリスクことが示されたフットボールヘルメットの設計および試験基準の改善の必要性を説明する、広く使用されている21世紀のヘルメットを身に着けているものと同等でした。特に、NOCSAE認定7は、ヘルメットのための落下試験に含まれるべきfaceguardを必要としません。トンから追加された剛性彼は劇的に全体的な機械的応答を変更し、ヘルメットに接続faceguard。本研究は、安全ヘルメットの設計を促進するための駆動力として役立つ、より堅固なヘルメットの安全基準を提供するための方法を伴います。
バックグラウンド
頭部外傷メトリック
脳震盪に関連する正確な生物学的メカニズムは、正体不明のまま。多くの仕事は、様々な傷害の指標によって頭部損傷公差を定量化しようとする中で行われてきたが、意見の相違は、これらの基準に関する生物医学界で生じています。直線加速度、回転加速度、衝撃の持続時間、およびインパルス：これらの傷害メカニズムは、いくつかのエンティティに関連することになっています。 8、9、10、11、いくつかの傷害基準は、線形加速度の尺度として脳震盪を定義するために使用されてきました。ウェイン州立トレランスカーブ（WSTC） <suPクラス= "外部参照"> 12、13、14は、衝撃持続時間に対して線形加速閾値曲線境界を定義することにより、正面からの衝撃の間、自動車のクラッシュのために頭蓋骨骨折を予測するために開発されました。 WSTCは、重症度指数（SI）11のような他の傷害基準の拠点を務めています 2最も一般的に使用される基準であり、頭部損傷基準（HIC）、15。 SIおよびHIC直線加速 – 時間プロファイルの重み付き積分に基づいて、両方の測定値への影響の重大度。これらの基準は、直線加速度のしきい値を定義しているが、他の基準は、このようなヘッドインパクトパワー指標として、回転加速度を説明するために提案されてきました。 8、10、16今日のヘルメットの検査基準は、多くの場合にウェイン州立基づい傷害基準を使用しますlerance曲線（すなわちHICまたはSI）やピーク加速度基準または両方のいくつかの例インチいくつかの変更は、標準的な性能基準に角加速度を追加するために必要とされる一方で、直線加速度ベースの基準が優勢のまま。
この研究では、それぞれのヘルメットを提供相対的な安全性を評価するために使用されるメトリックは、ピーク得られた加速度、SI、及びHIC値でした。これらの指標のうち唯一のSIは、アスレチック機器（NOCSAE）フットボールヘルメット規格の基準に関する現在の国家運営委員会での評価のために使用されています。 SIは、以下の式に基づいて、
（1）
Aはヘッドの重心（CG）の並進加速度であり、Tは 、加速期間です。 11は 、17 SIは、Tを算出しました。計算は、得られた加速度曲線に沿って4 Gのしきい値によって制限されNOCSAE規格18、O。 HIC値は、次式により算出しました
（2）
ヘッドのCGの並進加速度であり、t 1およびt 2は、HICが最大値となる間隔で、それぞれ、最初と最後の時間である場合。本研究で算出すべてのHIC値は、時間間隔の持続時間は36ミリ秒に制限されHIC 36でした。
NOCSAEフットボールヘルメットのテスト基準
NOCSAE概要
1969年NOCSAEは、スポーツ関連傷害を減少させることを目標に、アメリカンフットボールヘルメット/ faceguardsおよび他のスポーツ用品の性能基準を開発するために設立されました。 17 NOCSAEフットボールヘルメット規格はフットボールヘルメット/ faceguardsため、衝撃減衰と構造的完全性の要件を確立することにより、頭部外傷を減らすためにウェイン州立大学の博士フォークトホジソン9によって開発されました。これらのフットボールヘルメット規格が認証試験やヘルメットの年間再認証手順を含みます。 2015年には、NOCSAEは、特定の米国規格協会（ANSI）ヘルメット認定の認定を受けて体の使用を必要とする品質保証プログラムを実施しました。
NOCSAE試験方法
ヘルメット滴が行われる前に、それは彼らの除去のために呼び出すようNOCSAEフットボールヘルメット規格はfaceguardsとヘルメットのテストが含まれていません。 NOCSAEヘルメット検査基準17は、必要な衝撃速度にヘッドフォームとヘルメットの組み合わせを加速するために、重力に依存しているツインワイヤードロップインパクターを利用します。 NOCSAEのヘッドフォームは、wが計測され重心におけるi番目の三軸加速度計。ヘッドフォームとヘルメットの組み合わせは、その後12.7ミリメートル厚の硬質ゴムモジュラーエラストマープログラマー（MEP）パッドで覆われたスチール製のアンビル上に特定の速度でドロップされます。衝突時に、瞬間的な加速度を記録し、SI値を算出します。これらのSI値は/必要なインパクトの位置と速度と周囲と高温の影響を含む2つの温度、さまざまな上に基準を失敗パスと比較されます。任意の影響の結果のSI値がしきい値を違反した場合、その後、ヘルメットはテストに合格しません。
個別の標準試験法は、サッカーfaceguard認証のために使用されます。 NOCSAEサッカーfaceguard規格は、構造的完全性の分析だけでなく、faceguard、ヒゲの衝撃減衰性能を評価し、その添付ファイル・システムが含まれています。各衝撃測定は無し面接触なし私と一緒に、試験に合格するために1200 SI以下でなければなりませんNOCSAE標準によって定義された任意のコンポーネントのchanical故障、。 19
が提案追加NOCSAEテスト（リニアインパクター（LI））faceguardとヘルメットが含まれて20があるが、それは王冠への影響を認めることができないので、それがフットボールヘルメットの認定には適していません。 LIは、角加速度を誘導するためにリニアベアリングテーブルに搭載されたハイブリッドIIIダミー首を搭載したNOCSAEのヘッドフォーム上に配置ヘルメットに影響を与えるために、空気圧ラムを使用しています。このためLIテストは、追加の電流ツインワイヤNOCSAE落下試験手順へのテストではなく、代替品です。 20は 、その代わりにLI試験の21は 、単純に現在のツインワイヤ落下試験手順にさらに2つのシナリオを追加することを提案します。
フットボールヘルメットの認定のためのNOCSAEの標準的な試験方法は、現在6所定の衝撃ロカを含みションと1のランダムなインパクト位置。フロント（F）、フロントボス（FB）、横（S）、リア（R）、リアボス（RB）、およびトップ（T）：所定のインパクトの位置は、以下を含みます。ランダムなインパクト位置試験は、ヘルメットの定義された許容可能なインパクトエリア内の任意の点から地域を選択してもよいです。当社の修正NOCSAEの落下塔のテストのためのインパクトの位置は、フロントトップ（FT）とフロントトップボス（FTB）インパクトの位置と命名したもので、以前に定義されたフロントとフロントボスインパクトの位置を交換するなどがあります。私たちのフロントトップとフロントトップボスインパクト位置も落下試験のためのfaceguardを含むラクロスヘルメット用NOCSAE標準のフロントと右フロントボスインパクトの場所、と同じです。交換前と前側ボスの位置を含む22ヘルメットシェル衝撃位置は、 図1に示されています。 また、私たちの本研究の修正されたヘルメット試験方法は2 faceguard IMPACを含みFGフロント命名されたトンの場所とFGボトム。 2 faceguardインパクトの位置は現在のNOCSAE faceguardの認証手続きに必要な衝撃の場所と同じです。本研究の改変NOCSAE衝撃試験用の8インパクトの位置は、 図2に示されています。
図1：フットボールヘルメットのためのおおよそのインパクト場所。 6は現在NOCSAE落下試験ヘルメットの衝撃位置、フロント（F）、フロントボス（FB）、横（S）、トップ（T）、リア（R）、および背面ボス（RB）、および2つの提案された衝撃の場所を必要と、フロントトップ（FT）、およびフロントトップボス（FTB）。注：保護ヘッドギアのためのNOCSAEの標準的な試験方法は、フロントトップとフロントトップボス衝撃の場所が含まれていません（赤いテキストで示されている）と、この研究のために、彼らはフロントとフロントボスインパクトの位置を交換してください。 （画像NOCSAEのDOCから変更された。001-13m15b） <ahref = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg"ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図2：8 の衝撃位置を示すNOCSAE落下試験の設定を変更しました。フロントトップ、フロントトップボス、サイド、Faceguard（FG）フロント、リア、リアボス、トップ、およびFaceguardボトム（FB）。注：NOCSAE標準はfaceguardの添付ファイルが含まれていませんし、ここでフロントトップとフロントトップボスは、標準的なフロントとフロントボスインパクトの位置を交換してください。 （NOCSAEのDOCから変更されたイメージ。002-11m12） この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
NOCSAEフットボールヘルメット規格がhのfaceguardを含めたことがないのに対し、ヘルメットのデザインは次第に、過去10年間で変更されましたフットボールヘルメットの性能仕様を評価する際にelmet。 、最近改正は/最低速度の影響（3.46メートル/秒）のために300 SIの値を失敗パスを含むようになされているが、/ 1200 SIの限界に失敗し、一般的パスは、以前は1997年に1997年17から変更されていませんNOCSAEは/基準を合否1500 SIを使用していました。ホジソンら。 （1970）は、540のSI値が非ヘルメットをかぶった死体の衝撃試験でリニア頭蓋骨骨折を生産しているが1,000より大きいのSI値は、命に危険であることが示されています。 23最近のほとんどのフットボールヘルメットは全てではないが、SI 540以下も1200 SIの制限の下を通過することが示されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
カップルはフットボールヘルメットとfaceguardドロップ衝撃試験をNOCSAE報告の方法論は、現代のフットボールヘルメットの優れた性能特性を評価するためのユニークな技術を提供しています。現代のフットボールヘルメットのこの優れた性能特性を評価するための最も重要なステップは、次のとおりです。1）が正しく機械試験装置をセットアップします。 2）正確に較正手順を行います。 3）?…
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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