Modificerede Drop Tower Impact Tests for Amerikansk Fodbold Hjelme
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
Det vigtigste mål for denne modificerede drop tårn testmetode er at tættere repræsentere på marken virkninger af amerikansk fodbold hjelm-system og fremme forbedrede sikkerhedsstandarder. Den indebar testmetode kan give viden om hjelme systematisk respons nødvendig for effektivt at udvikle forbedret hovedbeklædning til forebyggelse hjernerystelse. Forekomsten af hjernerystelse har vedholdende plaget kontakt sport, såsom amerikansk fodbold. I USA alene, har sportsrelaterede hjernerystelse blevet anslået at forekomme 1,6 til 3,8 millioner gange hvert år. 1 En fodboldspiller kan have mere end 1.500 hoved påvirkninger hver sæson. 2, 3 Mens omfanget af de fleste påvirkninger kan være sub-concussive, ophobning af disse påvirkninger kan føre til langsigtet hjerneskade som følge af en indvirkning induceret neurodegenerativ lidelse kendt som kronisk traumatisk encephalopati (CTE). 4CTE er knyttet til en opbygning af tau-protein i hjernen, hvilket fører til hukommelsestab, adfærd og personlighed forandring, Parkinsons syndrom og tale og gangforstyrrelser der har undertiden ført til selvmord. 5 Fodbold hjelme har lavet nogle teknologiske fremskridt i de seneste 15 år, men selv nutidens mest avancerede hjelme ikke helt afbøde alle hændelsen kræfter på hjelmen og dermed atleter stadig pådrage hjernerystelse. En undersøgelse foretaget af Bartsch et al. 6 viste, at i mange tilfælde hovedet indvirkning doser og risici hoved skade, mens iført vintage Leatherhead hjelme var sammenlignelige med dem, der bærer de udbredte 21. århundredes hjelme, der illustrerer behovet for forbedring i design- og prøvningsstandarder for fodbold hjelme. Især betyder NOCSAE certificering 7 ikke kræver Faceguard der skal indgå i drop test for hjelmen. Den tilføjede stivhed fra than Faceguard tilsluttet hjelmen ville dramatisk ændre den overordnede mekaniske respons. Den foreliggende undersøgelse indebærer en metode til at give mere robuste hjelm sikkerhedsstandarder, der ville tjene som en drivkraft til at fremme sikrere hjelm designs.
Baggrund
Hoved Skade Metrics
De nøjagtige biologiske mekanismer relateret til hjernerystelse forblive uidentificerede. Mens meget arbejde der er blevet gjort i forsøget på at kvantificere skader i hovedet tolerancer af forskellige skade målinger, har uenighed opstået i biomedicinske samfund med hensyn til disse kriterier. Disse skade mekanismer formodes at forholde sig til flere enheder: lineær acceleration, roterende acceleration, varighed effekt og impuls. 8, 9, 10, 11 Adskillige Skade kriterier er blevet anvendt til at definere en hjernerystelse som et mål for lineær acceleration. Den Wayne State Tolerance Curve (WSTC) <sup class = "xref"> 12, 13, 14 blev udviklet til at forudsige kraniebrud til automotive nedbrud under en frontalkollision ved at definere en tærskel kurve grænse for lineær acceleration versus virkningen varighed. WSTC har fungeret som grundlaget for andre kriterier skade såsom Severity Index (SI) 11 og chefen Injury Criterion (HIC), 15, som er de to mest almindeligt anvendte kriterier. SI og HIC både foranstaltning indvirkning sværhedsgrad baseret på vægtede integraler af de lineære acceleration tid profiler. Mens disse kriterier fastsætte tærskler for lineær acceleration, er andre kriterier blevet foreslået at tage højde for roterende acceleration, såsom hovedhøjde Power indeks. 8, 10, 16 Dagens hjelm prøvningsstandarder bruger ofte en skade kriterium baseret på Wayne State Tillerance Curve (nemlig HIC eller SI) eller peak acceleration kriteriet eller i nogle tilfælde begge. Mens nogle ændringer er nødvendige for at tilføje kantede acceleration til standard præstationskriterier, de lineære acceleration-baserede kriterier fortsat dominerende.
I denne undersøgelse, at de målinger, der anvendes vurdere den relative sikkerhed, at hver hjelm forudsat var Den resulterende maksimale accelerationer, SI, og HIC-værdier. Af disse målinger kun SI bruges til evaluering i den nuværende nationale Operating udvalg for standarder for Athletic udstyr (NOCSAE) fodbold hjelm standarder. SI er baseret på den følgende ligning,
(1)
hvor A er det translatoriske acceleration af tyngdepunktet (CG) af hovedet, og t er accelerationen varighed. 11 blev 17 SI beregnet i henhold to NOCSAE standarder 18, hvor beregningen er begrænset af en 4 G tærskel langs den resulterende acceleration kurven. HIC-værdier blev beregnet ved følgende ligning,
(2)
hvor a er den translationelle acceleration af CG af hovedet, og t 1 og t 2 er de indledende og afsluttende gange, henholdsvis, af det interval, hvorved HIC opnår en maksimal værdi. Alle HIC-værdier beregnet i denne undersøgelse var HIC 36, når varigheden af tidsintervallet er begrænset til 36 ms.
NOCSAE Football Helmet Test Standards
NOCSAE Oversigt
I 1969 blev NOCSAE dannet for at udvikle præstationsnormer for amerikansk fodbold hjelme / faceguards og andet sportsudstyr med et mål om at reducere sports-relaterede skader. 17 NOCSAE fodbold hjelm standarder blev udviklet af Dr. Voigt Hodgson 9 Wayne State University til at reducere hovedskader ved om krav til effekt dæmpning og strukturel integritet for fodbold hjelme / faceguards. Disse fodbold hjelm standarder omfatter en certificering test og årlige recertificering procedurer for hjelme. I 2015 NOCSAE implementeret et kvalitetssikringsprogram kræver brug af en bestemt American National Standards Institute (ANSI) akkrediteret organ for hjelm certificering.
NOCSAE testmetoden
Den NOCSAE Football Helmet Standard omfatter ikke test af hjelme med faceguards da det kræver deres fjernelse før hjelm dråber udføres. De NOCSAE hjelm prøvningsstandarder 17 udnytte en twin-wire drop slaglegemet, der bygger på tyngdekraften til at fremskynde Hovedblokken og hjelm kombination for at de nødvendige konsekvensanalyser hastigheder. Den NOCSAE Hovedblokken er instrumenteret wed triaksiale accelerometre på tyngdepunktet. Kombinationen Hovedblokken og hjelm derefter faldt på bestemte hastigheder på en stål ambolt dækket med en 12,7 mm tyk hård gummi Modular Elastomer Programmør (MEP) pad. Ved anslaget, er den øjeblikkelige acceleration registreret og SI-værdier beregnes. Disse SI værdier sammenlignes mod en bestået / ikke bestået kriterium over en bred vifte af nødvendige effekt placeringer og hastigheder og to temperaturer, herunder ambient og høj temperatur påvirkninger. Hvis den resulterende SI værdi for enhver påvirkning misligholder tærsklen, så hjelmen vil ikke bestå testen.
En separat standard testmetode anvendes til fodbold Faceguard certificering. Den NOCSAE fodbold Faceguard standard omfatter strukturel integritet analyse samt vurdere virkningen dæmpning ydeevne Faceguard, hagerem, og deres fastgørelsessystemer. Hver måling effekt skal være under 1200 SI at bestå prøven, med ingen facial kontakt og ingen migniske svigt i en komponent, som defineret af NOCSAE Standard. 19
Der er en foreslået yderligere NOCSAE test (linearslaglegeme (LI)) 20, der omfatter hjelmen med Faceguard, men det er ikke hensigtsmæssigt til fodbold hjelm certificering, fordi det ikke kan indrømme en krone effekt. LI anvender en pneumatisk vædder at påvirke en hjelm placeret på en NOCSAE attraphovedets udstyret med en hybrid III-dukkens hals monteret på et lineært leje tabel for at inducere vinkelacceleration. Af denne grund LI testen er en yderligere prøve til den aktuelle twin-wire NOCSAE drop testprocedure og ikke en erstatning. 20, 21 i stedet for lithium tests, foreslår vi at blot tilføje yderligere to scenarier til den aktuelle twin-wire drop testprocedure.
Den NOCSAE standard testmetode for certificering af fodbold hjelme omfatter i øjeblikket seks foreskrevne virkning locationer og en tilfældig effekt placering. De foreskrevne indvirkning steder omfatter følgende: Front (F), Front Boss (FB), Side (S), Bag (R), Rear Boss (RB), og Top (T). Den tilfældige effekt placering testen kan vælge en region fra ethvert punkt inden for det definerede acceptable konsekvenser område af hjelmen. Placeringerne effekt for vores modificerede NOCSAE drop tårn Undersøgelserne omfatter udskiftning af tidligere definerede Front og Front Boss impact steder med hvad der blev nævnt som det Front Top (FT) og Front Top Boss (FTB) indvirkning steder. Vores Front Top og Front Top Boss impact steder er identiske med de forreste og højre Front Boss indvirkning steder i NOCSAE standard for Lacrosse Hjelme, som også omfatter den Faceguard for drop tests. 22 hjelmskal steder virkningen, herunder de udskiftede Front og Front Boss steder, er afbildet i figur 1. Derudover ændrede hjelm testmetode af vores nuværende Undersøgelsen omfatter to Faceguard impact steder, der var nævnt FG Front og FG Bund. De to Faceguard påvirkninger placeringer er identiske med de nødvendige konsekvensanalyser steder for de nuværende procedurer Faceguard certificering NOCSAE. De otte impact placeringer for de modificerede NOCSAE slagprøver ifølge den foreliggende undersøgelse er vist i figur 2.
Figur 1: Anslået indvirkning steder for fodbold hjelme. De seks øjeblikket kræves NOCSAE drop test hjelm steder konsekvensanalyser, Front (F), Front Boss (FB), Side (S), Top (T), Rear (R), og Rear Boss (RB), og de to foreslåede impact steder , Front Top (FT), og Front Top Boss (FTB). Bemærk: NOCSAE standard testmetode for beskyttende hovedbeklædning omfatter ikke Front top og Front Top Boss impact steder (angivet i rød tekst) og for denne undersøgelse, de erstatter impact steder Front og Front Boss. (Billede modificeret fra NOCSAE DOC. 001-13m15b) <ahref = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg" target = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Modificeret NOCSAE drop test setup viser otte impact steder. Front Top, Front Top Boss, Side, Faceguard (FG) Front, Rear, Rear Boss, Top, og Faceguard Bottom (FB). Bemærk: NOCSAE standarden omfatter ikke Faceguard tilknytning og her Front top og Front Top Boss erstatte standard Front og Front Boss impact steder. (Billede modificeret fra NOCSAE DOC. 002-11m12) Klik her for at se en større version af dette tal.
Hjelm design har gradvist ændret sig i det seneste årti, mens NOCSAE fodbold hjelm standarder aldrig har medtaget Faceguard med hElmet ved evalueringen af fodbold hjelm kravspecifikationer. Mens for nylig en ændring er gjort til at omfatte en bestået / ikke bestået værdi på 300 SI for de laveste hastighed virkninger (3,46 m / s), den generelle bestået / ikke bestået grænse på 1200 SI har ikke ændret sig siden 1997. 17 Før 1997, den NOCSAE brugte en 1500 SI bestået / ikke bestået kriterium. Hodgson et al. (1970) har vist, at SI-værdier på mere end 1000 er en fare for liv, mens SI værdier på 540 har produceret lineære kraniebrud i ikke-hjelmklædte kadaver slagprøver. 23 De fleste moderne fodbold hjelme har vist at passere et godt stykke under 1200 SI grænse, men ikke alle under 540 SI.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den rapporterede metode at par NOCSAE fodbold hjelm og Faceguard drop slagprøver tilbyder en unik teknik til at vurdere bedre ydeevne for moderne fodbold hjelme. De mest kritiske trin til evaluering dette bedre ydelse karakteristisk for moderne fodbold hjelme er følgende: 1) korrekt opsætning af mekaniske test enhed; 2) nøjagtig udførelse kalibreringsprocedurer; og 3) korrekt fastgørelse af hjelmen / Faceguard til det kunstige.
Denne metode kræver ordentlig test setup og kalibrering. …
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).
