Modifierade Drop Tower Impact Tester för amerikansk fotboll Hjälmar

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

Motivering
Huvudsyftet med denna modifierade dropptorn testmetoden är att närmare representera på fältet effekterna av amerikansk fotboll hjälm systemet och främja förbättrade säkerhetsnormer. Det innebar testmetod kan ge kunskap om hjälmar systematisk respons som krävs för att effektivt utveckla förbättrad huvudbonader för hjärnskakning förebyggande. Förekomsten av hjärnskakningar har envist plågat kontakt sport, såsom amerikansk fotboll. I USA ensam, har idrottsrelaterade hjärnskakning uppskattats inträffa 1,6 till 3,8 miljoner gånger varje år. ¹ En fotbollsspelare kan ha mer än 1.500 huvud effekter varje säsong. ^{2, 3} Även storleken på de flesta effekter kan vara sub-concussive, ansamling av dessa effekter kan leda till långsiktiga hjärnskador på grund av en effekt inducerad neurodegenerativa sjukdom som kallas kronisk traumatisk encefalopati (CTE). ⁴CTE är kopplad till en ackumulering av tau-protein i hjärnan, vilket leder till minnesförlust, beteende och personlighetsförändring, Parkinsons syndrom, och tal och gångrubbningar som ibland har lett till självmord. ⁵ Fotboll hjälmar har gjort några tekniska framsteg under de senaste 15 åren, men även dagens mest avancerade hjälmar inte helt lindra alla de infallande krafterna på hjälmen och därmed idrottare fortfarande ådra sig hjärnskakning. En studie genomförd av Bartsch et al. ⁶ visade att i många fall huvudet slag doser och huvud skaderisker iklädd vintage Leather hjälmar var jämförbara med dem som bär utbredda ^{21: a} århundradet hjälmar, illustrerar behovet av förbättringar i utformningen och provningsstandarder fotbollshjälmar. I synnerhet, inte NOCSAE certifiering ⁷ inte kräva att faceguard ingå i fallprovningen för hjälmen. Den tillsatta styvhet från than faceguard ansluten till hjälmen skulle dramatiskt förändra den övergripande mekanisk respons. Den aktuella studien innebär en metod för att ge mer robusta hjälm säkerhetsstandarder som skulle fungera som en drivkraft för att främja säkrare hjälm mönster.

Bakgrund
Head Injury Metrics
De exakta biologiska mekanismerna i samband med hjärnskakningar förblir oidentifierade. Även om mycket arbete har gjorts i ett försök att kvantifiera skallskada toleranser av olika skade mått, har oenighet uppstått inom det biomedicinska samhället när det gäller dessa kriterier. Dessa skademekanismer är tänkta att relatera till flera enheter: linjär acceleration, rotationsacceleration, inverkan varaktighet och impuls. ^{8, 9, 10, 11} flera skadekriterier har använts för att definiera en hjärnskakning som ett mått på linjär acceleration. Wayne State toleranskurvan (WSTC) <sup class = "xref"> ^{12, 13, 14} har utvecklats för att förutsäga skallfraktur för fordons kraschar under en frontalkollision genom att definiera en tröskel kurva gräns för linjär acceleration kontra påverkan varaktighet. WSTC har tjänat som grund för andra skadekriterier som Severity Index (SI) ¹¹ och chefen Injury Criterion (HIC), ¹⁵ som är de två vanligaste kriterier. SI och HIC både mäta inverkan svårighetsgrad baserad på viktade integraler av de linjära accelerationstidsprofiler. Även om dessa kriterier fastställa gränsvärden för linjär acceleration, har andra kriterier föreslagits att redogöra för rotationsacceleration, såsom chefen Impact Ström index. ^{8, 10, 16} Dagens hjälm teststandarder använder ofta en skada kriterium baserat på Wayne State Tilllerance Curve (nämligen HIC eller SI) eller toppacceleration kriteriet eller i vissa fall båda. Medan vissa ändringar behövs för att lägga till vinkelacceleration till standardprestationskriterier accelerationsbaserade kriterier förblir dominerande.

I denna studie, att de mätvärden som används bedöma den relativa säkerheten som varje hjälm som var den högsta resulterande accelerationen SI, och HIC-värden. Av dessa mått endast SI används för utvärdering i den nuvarande nationella Operating Kommittén för standarder för Athletic Equipment (NOCSAE) fotboll hjälm standarder. SI bygger på följande ekvation,

(1)

där A är translatorisk acceleration av tyngdpunkten (CG) av huvudet, och t är varaktigheten acceleration. ^11, var ¹⁷ SI beräknas enligt to NOCSAE standarder ^18, där beräkningen begränsas av en 4 G tröskel längs den resulterande accelerationskurvan. HIC-värdena beräknades med följande ekvation,

(2)

där en är translationell acceleration av CG av huvudet, och t ₁ och t ₂ är de inledande och avslutande gånger, respektive, av det intervall som HIC uppnår ett maximalt värde. Alla HIC-värden beräknas i denna studie var HIC _36, där varaktigheten av tidsintervallet är begränsad till 36 ms.

NOCSAE Fotboll Hjälm Test Standards
NOCSAE Översikt
1969 NOCSAE bildades för att utveckla prestandakrav för amerikansk fotboll hjälmar / faceguards och annan sportutrustning med ett mål att minska idrottsrelaterade skador. ¹7 NOCSAE fotboll hjälm standarder har utvecklats av Dr. Voigt Hodgson ⁹ av Wayne State University att minska skallskador genom att fastställa krav för inverkan dämpning och strukturell integritet för fotbolls hjälmar / faceguards. Dessa fotboll hjälm standarder omfattar ett certifieringstest och årliga omcertifiering rutiner för hjälmar. År 2015 genomförde NOCSAE ett kvalitetssäkringsprogram som kräver användning av en specifik American National Standards Institute (ANSI) ackrediterat organ för hjälm certifiering.

NOCSAE Testmetod
Den NOCSAE fotbollhjälm standard ingår inte testning av hjälmar med faceguards eftersom det kräver att de tas bort innan hjälm droppar genomförs. De NOCSAE hjälm teststandarder ¹⁷ utnyttjar en dubbelvira droppe kroppen som förlitar sig på allvar att påskynda huvudformen och hjälm kombination med de erforderliga slaghastigheter. Den NOCSAE Huvudet är instrumenterad wed treaxliga accelerometrar på tyngdpunkten. Huvudformen och hjälm Kombinationen sedan tappas vid specifika hastigheter på en stål städ täckt med en 12,7 mm tjock hårdgummi Modular Elastomer programmerare (MEP) pad. Vid påverkan, är den momentana acceleration registreras och SI-värden beräknas. Dessa SI värden jämförs mot en godkänd / underkänd kriteriet över en mängd olika nödvändiga platser bedömningar och hastigheter och två temperaturer, inklusive omgivningstemperatur och höga effekter temperatur. Om det resulterande SI värde för någon inverkan bryter tröskeln, då hjälmen inte kommer att passera testet.

Ett separat standardtestmetod används för fotboll faceguard certifiering. Den NOCSAE fotboll faceguard standarden innehåller strukturell integritet analys samt bedöma effekterna dämpnings prestanda faceguard, hakrem, och deras fästsystem. Varje mätning inverkan måste vara lägre än 1200 SI att klara provet, utan ansiktskontakt och ingen migkaniska fel på någon komponent, såsom definieras av NOCSAE Standard. ¹⁹

Det finns ett förslag till ytterligare NOCSAE test (linjär slag (LI)) ²⁰ som innefattar hjälmen med faceguard, men det är inte lämpligt för fotboll hjälm certifiering eftersom det inte kan erkänna en krona inverkan. LI använder en pneumatisk kolv för att påverka en hjälm placerad på en NOCSAE huvudformens utrustad med en hybrid III dummy hals monterad på ett linjärt lager bordet för att inducera vinkelaccelerationen. Av denna anledning LI-testet är ett ytterligare test för att den aktuella dubbelvira NOCSAE droppe testförfarande och inte en ersättare. ^{20, 21} i stället för de LI tester, föreslår vi att helt enkelt lägga till ytterligare två scenarier till den aktuella fallprovet förfarande dubbelvira.

Den NOCSAE standard testmetod för certifiering av fotbollshjälmar omfattar för närvarande sex skriven inverkan locaningar och en slumpmässig plats inverkan. De föreskrivna slag platser inkluderar följande: Front (F), Front Boss (FB), Side (S), bakre (R), bakre Boss (RB), och Top (T). Den slumpmässiga påverkan läge test kan välja en region från vilken punkt som helst inom den definierade acceptabla träffytan av hjälmen. Platserna för våra modifierade NOCSAE droppe torn islagsprovningar inkluderar ersätter de tidigare definierade Front och Front Boss slag platser med vad som anges som Front Top (FT) och Front Top Boss (FTB) slag platser. Våra Front Top och Front Top Boss slag platser är identiska med de och höger front Boss platser effekten av de NOCSAE standarden för Lacrosse Hjälmar, vilket även inkluderar faceguard för falltester. ²² hjälmskalet platser konsekvens, inklusive de ersatta Front och Front Boss platser, visas i figur 1. Dessutom modifierade hjälmen testmetoden av vår nuvarande studie omfattar två faceguard IMPACt platser som namngavs FG Front och FG Bottom. De två faceguard påverkar platser är identiska med de nödvändiga platser för de nuvarande NOCSAE faceguard certifieringsförfaranden bedömningar. De åtta slagplatser för de modifierade NOCSAE tester av föreliggande studie konsekvens visas i figur 2.

Figur 1: Ungefärliga slag platser för fotbollshjälmar. De sex krävs för närvarande NOCSAE fallprovningen hjälm platser slag fram (F), Front Boss (FB), Side (S), Top (T), bakre (R), och bakre Boss (RB), och de två föreslagna slag platser , Front Top (FT), och Front Top Boss (SMT). Obs: NOCSAE standard testmetod för skyddande huvudbonad omfattar inte Front Top och Front Top Boss slag platser (anges i röd text) och för denna studie ersätter de främre och Front Boss slag platser. (Bild modifierad från NOCSAE DOC. 001-13m15b) <ahref = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg" target = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2: Modifierad NOCSAE falltest inställning visar åtta slag platser. Front Top, Front Top Boss, Side, Faceguard (FG) främre och bakre, bakre Boss, Top, och Faceguard Bottom (FB). OBS: NOCSAE standarden omfattar inte faceguard fäste och här Front Top och Front Top Boss ersätta de vanliga Front och Front Boss slag platser. (Bild modifierad från NOCSAE DOC. 002-11m12) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Hjälm mönster har successivt förändrats under de senaste tio åren, medan NOCSAE fotboll hjälm standarder aldrig har inkluderat faceguard med hELMET utvärderingen av fotboll hjälm prestandaspecifikationer. Medan nyligen en ändring har gjorts för att inkludera en pass / misslyckas värde av 300 SI för låga hastighetseffekter (3,46 m / s), den allmänna pass / misslyckas gräns på 1200 SI har inte ändrats sedan 1997. ¹⁷ Före 1997, den NOCSAE använde en 1500 SI godkänd / underkänd kriterium. Hodgson et al. (1970) har visat att SI-värden som är större än 1000 är en fara för liv, medan SI-värden av 540 har producerat linjära skallfrakturer i icke-hjälm avlidna slagprovningar. ²³ De flesta moderna fotbollshjälmar har visat att passera väl under 1200 SI gräns, men inte alla under 540 SI.

Protocol

Obs: Protokollet för den presenterade testmetoden avser följande NOCSAE dokument (finns på http://nocsae.org/): NOCSAE DOC.002-13m13: "standardutförande SPECIFIKATION FÖR nytillverkade fotboll hjälmar" 18. NOCSAE DOC.011-13m14d: "Tillverkare PROTOKOLL GUIDE FÖR PRODUKT urvalet för att testa NOCSAE Standards" 24. NOCSAE DOC.087-12m14: "standardmetod för IMPACT TEST OCH Prestationskravet för FOTBOLL FACEGUARDS" 25. NOCSAE DOC.100-96…

Representative Results

En detaljerad kvantitativ analys av resultaten för denna metod presenterades av Rush et al. (lämnas) En sammanfattning av resultaten och tillhörande effektiviteten av en kombination faceguard skal hjälm testmetod visas i dropptestresultat med hjälp av Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, och Xenith X2 hjälmar som exempel. Var och en av dessa hjälmar (storlek "large") med faceguards visas olika resultat jämfört med hjälmar utan facegua…

Discussion

Den rapporterade metod som par NOCSAE fotboll hjälm och faceguard fallslagprov erbjuder en unik teknik för att bedöma bättre prestanda hos moderna fotbollshjälmar. De mest kritiska stegen för utvärdering av detta bättre prestanda kännetecknande för moderna fotboll hjälmar är följande: 1) korrekt inrätta den mekaniska testenheten; 2) korrekt genomför kalibreringsprocedurer; och 3) ordentligt fästa hjälmen / faceguard till huvudformen.

Denna metod kräver ordentliga testet ins…

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