Модифицированные тесты падения башни Impact для американского футбола касок
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
мотивация
Основная цель этого модифицированного капельного метода испытаний башни более тесно представлять на поле воздействия американской системы футбольный шлем и способствовать расширению стандартов безопасности. Повлекло за собой метод испытаний может обеспечить знание шлемов систематического реагирования, необходимые для эффективного развития усиленную головной убор для предотвращения сотрясения. Возникновение сотрясений упорно страдает контактных видов спорта, таких как американский футбол. Только в Соединенных Штатах, сотрясения спортивные связанных, по оценкам, происходит от 1,6 до 3,8 миллиона раз каждый год. 1 Футболист может иметь более 1500 головы воздействий каждый сезон. 2, 3 В то время как величина большинства воздействий может быть суб-Шокирующий, накопление этих воздействий может привести к долгосрочному повреждению головного мозга из – за воздействия вызванной нейродегенеративного заболевания , известного как хронической травматической энцефалопатии (КТР). 4КТР связано с накоплением тау-белка в головном мозге, что приводит к потере памяти, поведения и изменения личности, синдром Паркинсона, а также речи и походки аномалий, которые иногда приводит к самоубийству. 5 Футбольные шлемы сделали несколько технологических достижений за последние 15 лет, но даже сегодня самые современные шлемы полностью не смягчать все падающих сил на шлеме и , следовательно, спортсмены до сих пор несут сотрясения. Исследование , проведенное Барч и соавт. 6 показал , что во многих случаях руководитель дозы воздействия и черепно – мозговой травмой риски , в то время как в темных старинных Leatherhead шлемы были сопоставимы с теми носить широко используются 21 – го века шлемы, иллюстрирующие необходимость улучшения разработки и тестирования стандартов футбольных шлемов. В частности, сертификация NOCSAE 7 не требует большой шлем , чтобы быть включенным в испытании на падение шлема. Добавленная жесткость от тон большой шлем подключен к шлему бы кардинально изменить общую механическую реакцию. Настоящее исследование предполагает метод для обеспечения более надежных стандартов безопасности шлем, который будет служить в качестве движущей силы для содействия более безопасной конструкции шлема.
Задний план
Травмы головы Метрики
Точные биологические механизмы, связанные с сотрясениями остаются неопознанными. Хотя многое было сделано в попытке дать количественную оценку допусков травмы головы различными показателями травматизма, разногласие возникло в биомедицинской сообщества в отношении этих критериев. Эти механизмы травмы должны относиться к нескольким лицам: линейное ускорение, ускорение вращения, длительности воздействия и импульса. 8, 9, 10, 11 несколько критериев Травмы были использованы для определения контузию в качестве меры линейного ускорения. Wayne State Толерантность Кривая (WSTC) <suр класс = "Xref"> 12, 13, 14 был разработан , чтобы предсказать перелом черепа для автомобильных аварий при лобовом ударе, определив границу порога кривой для линейного ускорения по сравнению с продолжительностью воздействия. WSTC служил в качестве основы для других критериев травм , таких как индекс тяжести (SI) 11 и Травмы головы Критерий (HIC), 15 , которые являются двумя наиболее часто используемых критериев. SI и HIC как мера воздействия степени тяжести на основе взвешенных интегралов линейных профилей ускорения времени. В то время как эти критерии определяют пороговые значения для линейного ускорения, другие критерии были предложены для учета ускорения вращения, такие как индекс удар головы мощности. 8, 10, 16 Сегодняшние стандарты тестирования шлема часто используют критерий травмы , основанный на Wayne State Чтобыlerance кривая (а именно МКХ или SI), или критерий пиковое ускорение или, в некоторых случаях обоих. В то время как некоторые изменения необходимы, чтобы добавить угловое ускорение к стандартным критериям эффективности, линейные критерии ускорения на основе остаются доминирующими.
В этом исследовании, метрики, используемые для оценки относительной безопасности, что каждый шлем при условии, были вершиной результирующие значения ускорений, SI и СВД. Из этих показателей только SI используется для оценки в текущем Национального рабочего комитета по стандартам для стандартов Спортивное оборудование (NOCSAE) Футбольный шлем. СИ основан на следующем уравнении,
(1)
где А поступательное ускорение центра тяжести (CG) головки, а Т длительность разгона. 11, 17 SI рассчитывали по то стандартах NOCSAE 18, где расчет ограничен 4 G порога по результирующей кривой ускорения. Значения СВД рассчитывали по следующему уравнению,
(2)
где а поступательное ускорение CG головы и т 1 и т 2 представляют собой начальное и конечное время, соответственно, интервала , при котором HIC достигает максимального значения. Все значения КТГ рассчитаны в данном исследовании , были МКХ 36, где продолжительность интервала времени ограничена 36 мс.
NOCSAE Футбол Стандарты испытаний шлем
NOCSAE Обзор
В 1969 NOCSAE была сформирована для разработки стандартов производительности для американского футбола шлемов / faceguards и другое спортивное оборудование с целью снижения спортивных травм. 17 Стандарты футбол шлем NOCSAE были разработаны доктором Фойгта Ходжсон 9 Wayne State University , чтобы уменьшить травмы головы путем установления требований к ослаблению воздействия и структурной целостности для футбольных шлемов / faceguards. Эти стандарты включают в себя футбольный шлем тест сертификации и ежегодные процедуры ресертификации для шлемов. В 2015 году NOCSAE реализована программа обеспечения качества, требующую использования конкретного Американского национального института стандартов (ANSI) аккредитованного органа по сертификации шлема.
Метод испытания NOCSAE
NOCSAE Футбольный шлем Стандарт не включает в себя тестирование шлемов с faceguards, поскольку это требует их удаления перед проводятся шлем капель. Стандарты 17 испытаний NOCSAE шлем используют двухпроводной падение дробилку , которая опирается на силу тяжести , чтобы ускорить муляжа комбинацию шлем требуемых скоростей удара. NOCSAE модель головы инструментальными шIth трехосные акселерометры в центре тяжести. Сочетание муляж головы и шлем затем упал на определенных скоростях на стальную наковальню, покрытый толстым эбонитовое Модульный Эластомер Программист (MEP) площадку 12,7 мм. При ударе, мгновенное ускорение записывается и значения SI вычисляются. Эти значения СИ сравнивают с годен / не годен критерий по множеству необходимых местах воздействия и скоростей и температур, в том числе окружающей среды и высоких температур воздействия. Если полученное значение SI для любого удара нарушает порог, то шлем не будет проходить тест.
Отдельный стандартный метод испытаний используется для сертификации футбол большой шлем. Стандарт NOCSAE футбол Большой шлем включает в себя анализ структурной целостности, а также оценку влияния характеристик затухания, большой шлем и подбородочный ремень их системы крепления. Каждое измерение воздействия должно быть ниже 1200 SI, чтобы пройти тест, без контакта лица и без меняническое отказ любого компонента, как это определено стандартом NOCSAE. 19
Существует предлагаемый дополнительный тест NOCSAE (линейный Ударный (LI)) 20 , который включает в себя шлем с Большой шлем, но он не подходит для сертификации футбольный шлем , потому что он не может признать влияние короны. LI использует пневматическую барана, чтобы воздействовать на шлем, расположенный на NOCSAE муляжа оснащен гибридной III фиктивной шеи, установленной на линейном столе подшипника для того, чтобы вызвать угловое ускорение. По этой причине тест LI является дополнительным испытанием на текущий двухпроводной NOCSAE процедуры испытания падение и не является заменой. 20, 21 Вместо испытаний LI, мы предлагаем просто добавить еще два сценария к текущей процедуре испытаний падение двухпроводной.
Стандартный метод испытаний NOCSAE для сертификации футбольных шлемов в настоящее время включает в себя шесть предписанного удара Locaных и одно случайное расположение воздействия. Места, предписанные воздействия включают в себя следующее: Front (F), Front Boss (FB), Side (S), задний (R), сзади Boss (RB) и Top (T). Испытание расположение случайное воздействие может выбрать регион из любой точки в пределах определенной приемлемой зоне воздействия шлема. Места воздействия для наших модифицированных испытаний башни NOCSAE падение включать в себя замену ранее определенные места воздействия Передняя и Front Boss с тем, что был назван в качестве Front Top (FT) и местах воздействия Front Top Boss (ПТБ). Наши места удара спереди сверху и спереди Top Boss идентичны местах воздействия и правого фронтальных Boss стандарта NOCSAE для Лакросс касок, которые также включают большой шлем для испытаний на падение. 22 Места удара шлем оболочки, в том числе замененных местах передние и передний Boss, изображены на рисунке 1. Кроме того, модифицированный шлем метод испытания нашего настоящего исследования включает в себя два Impac Большой шлемт мест, которые были названы FG фронт и FG донизу. Два места влияет на большой шлем идентичны требуемых местах воздействия для текущих процедур сертификации NOCSAE Большой шлем. Места восемь последствий для модифицированных ударных испытаний NOCSAE настоящего исследования показаны на рисунке 2.
Рисунок 1: Приблизительное место удара для футбольных шлемов. Шесть в настоящее время требуется места NOCSAE падение тест шлема воздействия, передние (F), Front Boss (FB), боковые (S), верхняя (T), задний (R), и задний Boss (РБ), а также два места воздействия намечаемой , Front Top (FT) и Front Top Boss (ПТБ). Примечание: стандартный метод испытаний NOCSAE для защитных касок не включает в себя переднюю верхнюю и места удара спереди Top Boss (показано красным цветом) и для этого исследования, они заменяют места удара Передние и Front Boss. (Изображение изменен из NOCSAE DOC. 001-13m15b) <aHREF = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg" целевых = "_blank"> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2: Modified NOCSAE испытательной установки падение , показывая восемь мест воздействия. Front Top, Front Top Boss, Сиде, Большой шлем (FG) спереди, сзади, сзади Boss, верхнее и нижнее Большой шлем (FB). Примечание: стандарт NOCSAE не включает вложения и большой шлем здесь спереди сверху и спереди Top Boss заменить стандартные места удара Передние и Front Boss. (Изображение изменен из NOCSAE DOC. 002-11m12) Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Шлем конструкции прогрессивно изменились за последнее десятилетие, в то время как стандарты футбол шлем NOCSAE никогда не включали в себя большой шлем с чELMET в оценке технических характеристик производительности футбол шлем. Хотя, в последнее время поправка была сделана включать годен / не годен значение 300 SI для низких скоростей воздействий (3,46 м / с), общий зачет / незачет лимит 1200 SI не изменился с 1997 года 17 До 1997 года , NOCSAE использовал 1500 SI Pass / Fail критерия. Ходжсон и др. (1970) показал, что значения СИ из более чем 1000 представляет опасность для жизни, в то время как значения SI 540 произвели линейные переломы черепа в не шлемах трупной испытаний на удар. 23 Большинство современных футбольных шлемов показали пройти значительно ниже предела 1200 SI , но не все ниже 540 SI.
Protocol
Representative Results
Discussion
Сообщил, что методология пары NOCSAE испытания воздействия футбол шлем и падение предлагает большой шлем уникальную методику для оценки лучших технических характеристик современных футбольных шлемов. Наиболее важные шаги для оценки этого более высокую производительность, характерные …
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
- Langlois, J. A., Rutland-Brown, W., Wald, M. M. The epidemiology and impact of traumatic brain injury: a brief overview. J Head Trauma Rehabil. (5), 375-378 (2006).
- Broglio, S. P., et al. Head impacts during high school football: a biomechanical assessment. J Athl Train. 44, 342-349 (2009).
- Broglio, S. P., Martini, D., Kasper, L., Eckner, J. T., Kutcher, J. S. Estimation of head impact exposure in high school football: Implications for regulating contact practices. Am. J. Sports Med. 41, 2877-2884 (2013).
- Costanza, A., et al. Review: Contact sport-related chronic traumatic encephalopathy in the elderly: clinical expression and structural substrates. Neuropathol Appl Neurobiol. 37, 570-584 (2011).
- McKee, A. C., Cantu, R. C., Nowinski , C. J., Hedley-Whyte, E. T., Gavett, B. E., Budson, A. E., Santini, V. E., Lee, H. S., Kubilus , C. A., Stern, R. A. Chronic traumatic encephalopathy in athletes: progressive tauopathy after repetitive head injury. J. Neuropathol Exp Neurol. , 709-735 (2003).
- Bartsch, A., Benzel, E., Miele, V., Prakash, V. Impact test comparisons of 20th and 21st century American football helmets: Laboratory investigation. J Neurosurg. 116, 222-233 (2012).
- NOCSAE. . Standard Performance Specification for Newly Manufactured Football Helmets. , (2013).
- Greenwald, R. M., Gwin, J. T., Chu, J. J. Head Impact Severity Measures for Evaluating Mild Traumatic Brain Injury Risk Exposure. Neurosurg. 62, 789-798 (2008).
- Newman, J. A., Yoganandan, N. . Accidental Injury: Biomechanics and Prevention. , (2015).
- Newman, J. A., Shewchenko, N., Welbourne, E. A proposed new biomechanical head injury assessment function – the maximum power index. Stapp Car Crash J. 44, 215-247 (2000).
- Gadd, C. W. Use of a weighted-impulse criterion for estimating injury hazard. SAE Technical Papers. , (1966).
- Lissner, H. R. Experimental Studies on the Relation Between Acceleration and Intracranial Pressure Changes in Man. Surgery, Gynecology and Obsterics. III, 329-338 (1960).
- Gurdjian, E. S., et al. Concussion – Mechanism and Pathology. , (1963).
- Patrick, L. M., et al. Survival by Design – Head Protection. , (1963).
- Versace, J. A review of the Severity Index. SAE Technical Papers. , (1971).
- Newman, J., et al. A new biomechanical assessment of mild traumatic brain injury. Part 2. Results and conclusions. Proceedings of International Research Conference on the Biomechanics of Impacts. , 223-233 (2000).
- NOCSAE. . Standard Performance Specification for Newly Manufactured Football Helmets. , (2011).
- NOCSAE. . Standard Test Method and Equipment used in Evaluating the Performance Characteristics of Protective Headgear/Equipment. , (2015).
- NOCSAE. . Standard Method of Impact Test and Performance Requirements for Football Faceguards. , (2011).
- NOCSAE. . Standards and Process. , (2013).
- Gwin, J. T., et al. An investigation of the NOCSAE linear impactor test method based on in vivo measures of head impact acceleration in American football. J Biomech Eng. 132, (2010).
- NOCSAE. . Standard Performance Specification for Newly Manufactured Lacrosse Helmets with Faceguards. , (2013).
- Hodgson, V. R., Thomas, L. M., Prasad, P. Testing the validity and limitations of the severity index. SAE Technical Papers. , (1970).
- NOCSAE. . Manufactureers Procedural Guide for Product Sample Selection for Testing to NOCSAE Standards. , (2014).
- NOCSAE. . Standard Method of Impact Test and Performance Requirements for Football Faceguards. , (2014).
- NOCSAE. . Troubleshooting Guide for Test Equipment and Impact Testing. , (2014).
- NOCSAE. . Equipment Calibration Procedures. , (2014).
