Testes de queda Torre de impacto modificadas para American Football Helmets
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
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) <sup class = "xref"> 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,
(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,
(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: 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) <ahref = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg" target = "_ blank"> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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.
Protocol
Representative Results
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…
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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