تعديل الاختبارات قطرة برج أثر لالخوذ كرة القدم الأمريكية
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
التحفيز
الهدف الرئيسي من هذا الانخفاض طريقة الاختبار برج تعديل هو تمثيل أكثر عن كثب الآثار على مجال نظام خوذة كرة القدم الأميركي وتعزيز معايير السلامة المحسنة. طريقة الاختبار ينطوي يمكن أن توفر المعرفة من الخوذات استجابة منهجية اللازمة لتطوير فعالية القبعات تعزيز للوقاية من ارتجاج في المخ. وقوع هزات ابتليت باستمرار الرياضات، مثل كرة القدم الأمريكية. في الولايات المتحدة وحدها، قدرت هزات الرياضية ذات الصلة أن تحدث 1،6-3٬800٬000 مرات كل عام. 1 يمكن للاعب كرة القدم لديها أكثر من 1500 آثار الرأس في كل موسم. 2، 3 في حين أن حجم معظم الآثار قد تكون شبه الارتجاج، وتراكم هذه التأثيرات قد يؤدي إلى تلف في الدماغ على المدى الطويل نظرا لتأثير الناجم عن مرض الاعصاب يعرف باسم اعتلال الدماغ الصدمة المزمن (كوت). 4يرتبط جنة التجارة والبيئة إلى تراكم بروتين تاو في الدماغ، مما يؤدي إلى فقدان الذاكرة والسلوك وتغير في شخصيته، ومتلازمة باركنسون، والكلام وتشوهات المشية التي أدت في بعض الأحيان إلى الانتحار. جعلت 5 خوذات لكرة القدم بعض التطورات التكنولوجية في السنوات ال 15 الماضية، ولكن خوذات الأكثر تقدما حتى اليوم لا تخفف تماما عن القوات الحادث على خوذة، وبالتالي، لا يزال الرياضيين تكبد هزات. كشفت دراسة أجراها بارتش وآخرون. أظهرت 6 أنه في كثير من الحالات رئيس جرعات تأثير ومخاطر إصابة الرأس في حين يرتدي كانت الخوذات يذرهيد خمر مماثلة لتلك التي ترتدي تستخدم على نطاق واسع 21 الخوذات القرن الحادي والعشرين، مما يدل على الحاجة إلى تحسين في تصميم واختبار معايير الخوذات كرة القدم. على وجه الخصوص، على شهادة NOCSAE 7 لا يتطلب faceguard ليتم تضمينها في الاختبارات قطرة للخوذة. صلابة وأضاف من رانه faceguard متصلا خوذة من شأنه أن يحدث تغييرا هائلا في استجابة الميكانيكية الشاملة. تنطوي هذه الدراسة وسيلة لتوفير معايير السلامة خوذة أكثر قوة من شأنها أن تكون بمثابة قوة دافعة لتعزيز تصاميم خوذة أكثر أمنا.
خلفية
إصابات الرأس القياسات
تبقى الآليات البيولوجية الدقيقة المتعلقة هزات مجهولة. بينما الكثير من العمل الذي تم القيام به في محاولة لتحديد التحمل إصابة في الرأس من قبل مختلف المقاييس الإصابة، نشأ خلاف في المجتمع الطبي الحيوي فيما يتعلق بهذه المعايير. ومن المفترض أن هذه الآليات إصابة تتصل عدة جهات: تسارع الخطي، والتسارع الدوراني، ومدة التأثير، والدافع. وقد استخدمت 8، 9، 10، 11 عدة معايير إصابة تحديد ارتجاج كمقياس للتسارع الخطي. المنحنى التسامح واين ستيت (WSTC) <suوقد وضعت ف الطبقة = "XREF"> 12، 13، 14 التنبؤ كسر في الجمجمة عن حوادث السيارات خلال تأثير مباشر عن طريق تحديد الحدود منحنى عتبة تسارع الخطي مقابل مدة التأثير. وقد شغل WSTC كما أسس معايير إصابة أخرى مثل مؤشر شدة (SI) 11 وإصابات الرأس الفرقان (الائتلاف)، و 15 وهما المعايير الأكثر شيوعا. الاشتراكية والتحالف الدولي للموئل على حد سواء قياس تأثير شدة على أساس التكامل المرجح لمحات وقت تسارع الخطي. في حين أن هذه المعايير تحدد عتبات تسارع الخطي، تم اقتراح معايير أخرى لحساب التسارع الدوراني، مثل مؤشر رئيس الأثر الطاقة. وغالبا ما تستخدم 8 و 10 و 16 معايير الاختبار خوذة اليوم معيارا إصابة استنادا إلى ولاية واين لمنحنى lerance (أي التحالف الدولي للموئل أو SI) أو معيار ذروة التسارع أو في بعض الحالات على حد سواء. بينما هناك حاجة إلى إجراء بعض التعديلات لإضافة التسارع الزاوي للمعايير الأداء القياسية، تبقى المعايير القائمة على تسريع خطي المهيمنة.
في هذه الدراسة، والمقاييس المستخدمة لتقييم سلامة النسبية أن كل خوذة المقدمة كانت ذروة الناتجة تسارع والقيم الاشتراكية، والتحالف الدولي للموئل. من هذه المقاييس يستخدم فقط SI للتقييم في لجنة التشغيل الوطنية الحالية على معايير معايير معدات رياضية (NOCSAE) خوذة لكرة القدم. ويستند SI على المعادلة التالية،
(1)
حيث A هو تسارع متعدية من مركز الجاذبية (م) من الرأس، و t هي مدة التسارع. 11، تم احتساب 17 SI وفقا رس معايير NOCSAE 18، حيث يتم حساب محدود عتبة G 4 على طول منحنى التسارع الناتجة. تم حساب القيم الائتلاف بالمعادلة التالية،
(2)
حيث هو تسارع متعدية المجموعة الاستشارية للرئيس، ور 1 و ر 2 هي الأوقات الأولية والنهائية، على التوالي، من الفاصل الزمني الذي الائتلاف يبلغ الحد الأقصى لقيمة. كل القيم الائتلاف تحسب في هذه الدراسة كان التحالف الدولي للموئل 36، حيث تكون مدة الفاصل الزمني للبرنامج مدتها 36 مللي ثانية.
معايير اختبار خوذة كرة القدم NOCSAE
NOCSAE نظرة عامة
في عام 1969 تم تشكيل NOCSAE لوضع معايير أداء لأمريكا الخوذات كرة القدم / faceguards والمعدات الرياضية الأخرى بهدف الحد من الإصابات الرياضية ذات الصلة. 17 وقد وضعت معايير خوذة كرة القدم NOCSAE الدكتور فويت هودجسون 9 من جامعة ولاية واين للحد من إصابات الرأس عن طريق وضع شروط لتخفيف الأثر والسلامة الهيكلية لكرة القدم خوذات / faceguards. وتشمل هذه المعايير خوذة كرة القدم في شهادات الاختبار وإجراءات إعادة التأهيل السنوية لذوي الخوذات. في عام 2015، نفذت NOCSAE برنامج لضمان الجودة التي تتطلب استخدام معهد معين القومي الأمريكي للمعايير (ANSI) هيئة معتمدة للحصول على شهادة خوذة.
NOCSAE طريقة الاختبار
وNOCSAE كرة القدم خوذة المعيار لا تشمل اختبار الخوذات مع faceguards كما أنه يدعو إلى إزالتها قبل أن يتم إجراء قطرات خوذة. معايير الاختبار NOCSAE خوذة 17 الاستفادة من انخفاض المسبار التوأم الأسلاك التي تعتمد على الجاذبية لتسريع headform والجمع بين خوذة للسرعات الأثر المطلوب. والمجهزة للheadform NOCSAE ثالتسارع triaxial إيث في مركز الثقل. مزيج headform وخوذة وثم انخفض بسرعة محددة على وسندان الصلب مغطاة سميكة لوحة 12.7 مم المطاط الصلب وحدات المرنة مبرمج (MEP). على الأثر، يتم تسجيل تسارع فوري ويتم حساب قيم SI. تتم مقارنة هذه القيم SI ضد نجاح / فشل المعيار على مجموعة متنوعة من المواقع المطلوبة تأثير والسرعات واثنين من درجات الحرارة، بما في ذلك المحيط وآثار ارتفاع درجة الحرارة. إذا كانت قيمة SI الناجمة عن أي أثر تنتهك عتبة، ثم سوف خوذة لا اجتياز الاختبار.
استخدمت طريقة الاختبار القياسية منفصل للحصول على شهادة faceguard كرة القدم. ويتضمن المعيار NOCSAE كرة القدم faceguard التحليل البنيوي النزاهة وكذلك تقييم أداء تخفيف تأثير faceguard، من نوع chinstrap، وأنظمة تعلقهم. يجب أن يكون كل قياس الأثر أقل من 1200 SI لاجتياز الاختبار، مع عدم وجود اتصال الوجه وليس ليفشل chanical أي مكون، على النحو المحدد من قبل ستاندرد NOCSAE. 19
هناك اختبار NOCSAE الإضافي المقترح (الخطي المتصادم (LI)) 20 الذي يتضمن خوذة مع faceguard، ولكن ليس من المناسب للحصول على شهادة خوذة كرة القدم لأنه لا يمكن الاعتراف لها تأثير التاج. يستخدم LI كبش هوائي للتأثير خوذة وضعه على headform NOCSAE مجهزة الهجين الثالث الرقبة وهمية شنت على طاولة تحمل الخطية من أجل حمل التسارع الزاوي. لهذا السبب، فإن اختبار LI هو اختبار إضافي لالمزدوج سلك NOCSAE إجراء اختبار السقوط الحالي وليس بديلا. 20 و 21 بدلا من الاختبارات LI، فإننا نقترح ببساطة إضافة إلى اثنين من السيناريوهات أكثر إلى المزدوج سلك إجراء اختبار السقوط الحالي.
ويشمل طريقة الاختبار القياسية NOCSAE للحصول على شهادة من الخوذ لكرة القدم حاليا ستة المحلى تأثير المحددستعقد ومكان واحد تأثير عشوائي. وتشمل المواقع تأثير المقررة ما يلي: الجبهة (F)، الجبهة بوس (FB)، سيد (S)، دفع خلفي (R)، بوس الخلفية (RB)، والأعلى (T). اختبار موقع تأثير عشوائي قد حدد المنطقة من أي نقطة داخل منطقة تأثير مقبولة محددة من خوذة. وتشمل المواقع تأثير لدينا تعديل الاختبارات برج انخفاض NOCSAE استبدال الجبهة والجبهة بوس مواقع التأثير المحددة سابقا مع ما كان يدعى في أعلى الجبهة (FT) والجبهة الأعلى بوس (FTB) مواقع التأثير. لدينا جبهة الأعلى والجبهة الأعلى بوس مواقع التأثير متطابقة إلى مواقع التأثير الجبهة واليمين بوس جبهة مستوى NOCSAE لالخوذ لاكروس، والتي تشمل أيضا faceguard لاختبارات السقوط. وصفت 22 مواقع تأثير خوذة قذيفة، بما في ذلك مواقع الجبهة والجبهة بوس استبداله، في الشكل 1. بالإضافة إلى ذلك، خوذة طريقة الاختبار معدلة من الدراسة لدينا تضم اثنين من IMPAC faceguardمواقع تي التي كانت تسمى جبهة FG والقاع FG. وأثرين مواقع faceguard متطابقة إلى مواقع التأثير المطلوبة لإجراءات إصدار الشهادات faceguard الحالية NOCSAE. وتظهر المواقع تأثير ثمانية لاختبارات التصادم NOCSAE معدلة من هذه الدراسة في الشكل 2.
الشكل 1: مواقع التأثير التقريبية لذوي الخوذات كرة القدم. الست المطلوبة حاليا NOCSAE اختبار السقوط خوذة مواقع التأثير، الجبهة (F)، الجبهة بوس (FB)، (S) الجانب، الأعلى (T)، دفع خلفي (R)، وبوس الخلفية (RB)، واثنين من المواقع تأثير المقترحة الجبهة الأعلى (FT)، وجبهة الأعلى بوس (FTB). ملاحظة: لا يشمل طريقة الاختبار القياسية NOCSAE لأغطية الرأس الواقية الجبهة الأعلى والمواقع تأثير الجبهة الأعلى بوس (المشار إليها في نص أحمر) ولهذه الدراسة أنها تحل محل الجبهة والجبهة بوس مواقع التأثير. (صورة معدلة من NOCSAE DOC. 001-13m15b) <aأ href = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg" الهدف = "_ فارغة"> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: التعديل NOCSAE الإعداد لاختبار السقوط تبين ثمانية مواقع التأثير. جبهة الأعلى، جبهة الأعلى بوس، جانبية، Faceguard (FG) الجبهة، والعمق، بوس الخلفية، الأعلى، وFaceguard القاع (FB). ملاحظة: المعيار NOCSAE لا يشمل المرفق faceguard وهنا جبهة الأعلى والجبهة الأعلى بوس استبدال الجبهة والجبهة بوس مواقع التأثير القياسية. (صورة معدلة من NOCSAE DOC. 002-11m12) الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
تغيرت التصاميم خوذة تدريجيا في العقد الماضي، في حين أن المعايير خوذة كرة القدم NOCSAE وشملت أبدا faceguard مع حelmet في تقييم مواصفات الأداء خوذة لكرة القدم. في حين، في الآونة الأخيرة أحرز تعديلا لتشمل تمريرة قيمة 300 SI لأدنى الآثار السرعة (3.46 م / ث)، وتمريرة العام / تفشل حدود 1200 SI / فشل لم يتغير منذ عام 1997. 17 السابقة لعام 1997، استخدام NOCSAE على 1500 SI نجاح / فشل المعيار. هودجسون وآخرون. (1970) قد أظهرت أن القيم SI أكبر من 1000 تشكل خطرا على الحياة، في حين أن القيم SI 540 أنتجت كسور في الجمجمة الخطية في غير خوذات اختبارات التصادم المتوفين دماغيا. وقد أظهرت 23 معظم الخوذات كرة القدم الحديثة لتمرير أقل بكثير من الحد 1200 SI ولكن ليس كل أدناه 540 SI.
Protocol
Representative Results
Discussion
منهجية ذكرت أن الأزواج NOCSAE خوذة كرة القدم وانخفاض faceguard اختبارات التصادم تقدم تقنية فريدة من نوعها لتقييم خصائص أداء أفضل من الخوذات كرة القدم الحديثة. الخطوات الأكثر أهمية لتقييم هذه الخاصية أداء أفضل من الخوذات كرة القدم الحديثة هي التالية: 1) إعداد بشكل صحيح حتى جه…
Disclosures
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).
