Gemodificeerde Drop Tower botsproeven voor 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
Motivatie
Het belangrijkste doel van deze gewijzigde daling toren testmethode is om nauwer te vertegenwoordigen op het veld effecten van de American football helm systeem en verbeterde veiligheidsnormen te promoten. De meebrengt testmethode kan kennis van helmen systematische respons nodig zijn om effectief te ontwikkelen verbeterde hoofddeksels voor hersenschudding preventie te bieden. Het optreden van de hersenschudding heeft voortdurend geplaagd contact sporten, zoals American Football. In de Verenigde Staten alleen al, hebben sport-gerelateerde hersenschudding naar schatting 1,6-3.800.000 keer per jaar plaats. 1 Een voetballer kan meer dan 1500 hoofd effecten elk seizoen te hebben. 2, 3 terwijl de omvang van de meeste effecten sub-concussive eventueel de accumulatie van deze effecten kunnen leiden tot lange-termijn hersenbeschadiging door een harde schok geïnduceerde neurodegeneratieve aandoening bekend als chronische traumatische encefalopathie (CTE). 4CTE is gekoppeld aan een opbouw van tau-eiwit in de hersenen, wat leidt tot geheugenverlies, gedrag en persoonlijkheid veranderen, syndroom van Parkinson, en spraak en gait afwijkingen die soms leidt tot zelfmoord. 5 Voetbal helmen hebben een aantal technologische vooruitgang die in de afgelopen 15 jaar, maar zelfs de huidige meest geavanceerde helmen niet volledig alle van de invallende krachten op de helm te verzachten en dus atleten maken nog steeds hersenschudding. Een studie uitgevoerd door Bartsch et al. 6 is gebleken dat in veel gevallen het hoofd effect doses en hoofdletsel risico's tijdens het dragen van vintage leatherhead helmen vergelijkbaar met die het dragen van de veelgebruikte 21 ste eeuw helmen waren, ter illustratie van de noodzaak tot verbetering van het ontwerp en de normen voor het testen van het voetbal helmen. In het bijzonder heeft de NOCSAE certificering 7 niet de faceguard moeten worden opgenomen in de drop tests voor de helm. De toegevoegde stijfheid van tHij faceguard aangesloten op de helm zou de totale mechanische respons drastisch veranderen. De huidige studie omvat een methode om meer robuuste veiligheidshelm normen die als een drijvende kracht zou dienen om veiligere helm ontwerpen te bevorderen bieden.
Achtergrond
Head Injury Metrics
De exacte biologische mechanismen die verband houden met hersenschudding blijven niet geïdentificeerd. Hoewel veel werk is in een poging om toleranties hoofdletsel kwantificeren door diverse verwondingen metrics is gedaan, is onenigheid ontstaan in de biomedische gemeenschap ten aanzien van deze criteria. Deze mechanismen letsel worden verondersteld te hebben betrekking op verschillende entiteiten: lineaire versnelling, rotatie versnelling, duur impact en impuls. 8, 9, 10, 11 Verschillende schade criteria zijn gebruikt om een hersenschudding als maat voor lineaire versnelling definiëren. De Tolerantie Curve Wayne State (WSTC) <sup class = "xref"> 12, 13, 14 werd ontwikkeld om schedelbreuk voor automotive crashes te voorspellen bij een frontale botsing door het definiëren van een drempel curve grens voor lineaire versnelling versus duur impact. WSTC heeft gediend als de basis voor andere letselcriteria zoals Severity Index (SI) 11 en het Head Injury Criterion (HIC), 15 waarbij de twee meest gebruikte criteria. De SI en HIC zowel maatregel effect ernst gebaseerd op de gewogen integralen van de lineaire acceleratie-tijd profielen. Hoewel deze criteria drempels voor lineaire versnelling, zijn andere criteria voorgesteld om rekening te houden met rotatie versnelling, zoals het hoofd Impact Kracht index. 8, 10, 16 Today's helm testnormen maken vaak gebruik van een blessure criterium op basis van de Wayne State Tolerance Curve (namelijk HIC of SI) of piekversnelling criterium of in sommige gevallen beide. Terwijl sommige aanpassingen zijn nodig om hoekversnelling toe te voegen aan de standaard prestatiecriteria, de lineaire versnelling op basis van criteria blijft dominant.
In deze studie, de gebruikte statistieken om de relatieve veiligheid dat elke helm verstrekt waren de piek resulterende versnellingen, SI, en HIC waarden te kunnen beoordelen. Van deze statistieken alleen de SI wordt gebruikt voor de evaluatie van de huidige Nationale Operating Committee betreffende normen voor de Athletic Equipment (NOCSAE) footballhelm normen. De SI is gebaseerd op de volgende vergelijking,
(1)
waarbij A de translationele versnelling van het zwaartepunt (CG) van de kop, en t is de versnelling duur. 11, 17 SI werd berekend to NOCSAE normen 18, waarbij de berekening wordt beperkt door een 4 G drempel langs de resulterende versnelling curve. De HIC-waarden werden berekend met de volgende vergelijking,
(2)
waarin a de translatie versnelling van het zwaartepunt van de kop, en t 1 en t 2 zijn de begin- en eindtijd van respectievelijk het interval waarmee HIC bereikt een maximale waarde. Alle HIC waarden berekende studie waren HIC 36, waarbij de duur van het tijdsinterval is beperkt tot 36 ms.
NOCSAE Football Helmet Test Standards
NOCSAE Overzicht
In 1969 werd NOCSAE opgericht om prestatienormen voor American football-helmen / faceguards en andere sportieve uitrusting met een doelstelling van het verminderen van sportblessures te ontwikkelen. 17 De NOCSAE voetbal helm normen zijn ontwikkeld door Dr. Voigt Hodgson 9 van Wayne State University om hoofdletsel te verminderen door vaststelling van voorschriften voor effect verzwakking en structurele integriteit voor het voetbal helmen / faceguards. Deze voetbal helm normen zijn een certificering te testen en de jaarlijkse hercertificering procedures voor helmen. In 2015 NOCSAE implementeerde een programma voor kwaliteitsbewaking die het gebruik van een specifiek American National Standards Institute (ANSI) geaccrediteerde instelling voor helm certificering.
NOCSAE testmethode
De NOCSAE Helm van de Voetbal Standard omvat niet het testen van helmen met faceguards als het pleit voor de opheffing ervan voordat helm druppels worden uitgevoerd. De NOCSAE helm beproevingsnormen 17 maken gebruik van een twin-wire daling impactor die afhankelijk is van de zwaartekracht om de kogel met helm combinatie om het gewenste effect snelheden te versnellen. De NOCSAE kogel is geïnstrumenteerd wet drieassige versnellingsmeters aan het zwaartepunt. De kogel met helm combinatie wordt vervolgens afgezet bij specifieke snelheden op een stalen aambeeld bedekt met een 12,7 mm dikke harde rubber Modular Elastomer Programmer (MEP) pad. Bij een botsing, wordt de momentane versnelling geregistreerd en SI waarden worden berekend. Deze SI waarden worden vergeleken met een pass / fail criterium over een verscheidenheid van de vereiste invloed locaties en snelheden en twee temperaturen, met inbegrip van omgevings- en hoge temperatuur effecten. Als de resulterende SI waarde voor eventuele gevolgen inbreuk maakt op de drempel, dan is de helm zal niet de test.
Een aparte standaard testmethode wordt gebruikt voor voetbal faceguard certificering. De NOCSAE voetbal faceguard standaard omvat structurele integriteit analyse alsmede de beoordeling van het effect verzwakking prestaties van de faceguard, kinband, en de bevestiging van systemen. Elke impactmeting moet onder 1200 SI zijn om de test te slagen, zonder gezicht contact en no mechanische falen van een onderdeel, zoals gedefinieerd door de NOCSAE Standard. 19
Er is een voorgestelde extra NOCSAE-test (Linear Impactor (LI)) 20 dat de helm met de faceguard omvat, maar is het niet geschikt voor het voetbal helm certificering, omdat het een kroon effect niet kan toegeven. De LI maakt gebruik van een pneumatische ram om de impact van een helm gepositioneerd op een NOCSAE kogel uitgerust met een hybride III dummy nek gemonteerd op een lineair lager tafel om hoekversnelling induceren. Om deze reden is de LI-test is een extra test om de huidige twin-wire NOCSAE valtest procedure en niet een vervanging. 20, 21 In plaats van de LI testen, stellen we voor om gewoon nog twee scenario's toe te voegen aan de huidige twin-wire valtest procedure.
De NOCSAE standaard testmethode voor de certificering van voetbalhelmen omvat momenteel zes voorgeschreven invloed locaties en één willekeurige gevolgen locatie. De voorgeschreven gevolgen locaties zijn de volgende: Front (F), Receptie Boss (FB), Side (S), Achter (R), achter Boss (RB) en Top (T). De willekeurige botslocatie test kan een regio te selecteren vanaf elk punt binnen het afgebakende aanvaardbare invloedsgebied van de helm. De impact locaties voor onze gewijzigde NOCSAE druppel toren tests omvatten het vervangen van de eerder gedefinieerde front en front Boss invloed locaties met wat werd genoemd als het Front Top (FT) en Front Top Boss (FTB) gevolgen locaties. Onze front Top en Front Top Boss invloed locaties zijn identiek aan de gevolgen voor en rechtsvoor Boss locaties van de NOCSAE standaard voor Lacrosse helmen, die ook de faceguard voor drop tests omvatten. 22 De helmschaal botslocaties, inclusief de voor- en vervangen Voor Boss locaties, zijn weergegeven in figuur 1. Daarnaast is de gewijzigde helm testmethode van onze huidige studie omvat twee faceguard IMPACt locaties die werden uitgeroepen tot de FG voor- en FG Bottom. De twee locaties faceguard effecten zijn identiek aan de vereiste effecten locaties voor de NOCSAE faceguard certificatieprocedures. De acht botslocaties voor het gewijzigde NOCSAE slagproeven van deze studie zijn weergegeven in figuur 2.
Figuur 1: Geschatte gevolgen locaties voor het voetbal helmen. De zes momenteel vereiste NOCSAE valtest helm invloed locaties, Front (F), Receptie Boss (FB), Side (S), Top (T), Achter (R), en achter Boss (RB), en de twee voorgestelde gevolgen locaties , Receptie Top (FT), en front Top Boss (FTB). Let op: de NOCSAE standaard testmethode voor beschermende hoofddeksels bevat geen front Top en Front Top Boss invloed locaties (in rood aangegeven tekst) en voor deze studie die ze vervangen de impact front en Front Boss locaties. (Afbeelding gewijzigd ten opzichte van NOCSAE DOC. 001-13m15b) <ahref = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg" target = "_ blank"> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Gewijzigde NOCSAE daling testopstelling toont acht invloed locaties. Voorzijde Top, Receptie Top Boss, Side, Faceguard (FG) voor, achter, achter Boss, Top, en Faceguard Bottom (FB). Let op: de NOCSAE standaard omvat niet faceguard gehechtheid en hier Voor Top en Front Top Boss vervangt de standaard front en Front Boss invloed locaties. (Afbeelding gewijzigd ten opzichte van NOCSAE DOC. 002-11m12) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Helm ontwerpen zijn geleidelijk veranderd in de afgelopen tien jaar, terwijl de NOCSAE voetbal helm normen nooit faceguard met de h hebben opgenomenElmet in de evaluatie van de football helm prestaties specificaties. Terwijl onlangs een wijziging is gemaakt om een pas include / fail waarde van 300 SI voor de laagste snelheid impact (3,46 m / s), de algemene pass / fail-limiet van 1200 SI is niet veranderd sinds 1997. 17 Voorafgaand aan 1997, de NOCSAE gebruik gemaakt van een 1500 SI pass / fail criterium. Hodgson et al. (1970) is gebleken dat de SI-waarden van meer dan 1.000 is een gevaar voor het leven, terwijl de SI-waarden van 540 lineaire schedelbreuk in niet-gehelmde postmortale botsproeven hebben geproduceerd. 23 De meeste moderne voetbal helmen hebben aangetoond ruim onder de 1200 SI grens te passeren, maar niet alle onder de 540 SI.
Protocol
Representative Results
Discussion
De gemelde methodiek die koppels NOCSAE voetbal helm en faceguard daling botsproeven biedt een unieke techniek om een betere prestatie-eigenschappen van het moderne voetbal helmen te beoordelen. De meest kritische stappen voor het evalueren van deze betere prestaties kenmerk van het moderne voetbal helmen zijn de volgende: 1) correct instellen van de mechanische testapparaat; 2) nauwkeurig uitvoeren van de kalibratie procedures; en 3) op de juiste bevestiging van de helm / faceguard aan de kop.
<p class="jove_…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).
