Modifiserte Drop Tower slagtester for American Football Hjelmer

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

Motivasjon
Hovedmålet med dette modifiserte dråpe tårn testmetode er å nærmere representere on-feltet virkningene av amerikansk fotball hjelm system og fremme forbedret sikkerhetsstandarder. Den innebar testmetode kan gi kunnskap om hjelmer systematisk respons trengs for å effektivt utvikle forbedret hodeplagg for hjernerystelse forebygging. Forekomsten av hjernerystelser har vedvarende plaget kontaktsport, som for eksempel amerikansk fotball. I USA alene, har sports-relaterte hjernerystelser er anslått å oppstå 1,6 til 3,8 millioner ganger hvert år. ¹ En fotballspiller kan ha mer enn 1500 hodeskader hver sesong. ^{2, 3} Mens omfanget av de fleste virkningene kan være under concussive, akkumulering av disse konsekvensene kan føre til langvarig hjerneskade på grunn av en innvirkning indusert nevrodegenerativ sykdom som kalles kronisk traumatisk encefalopati (CTE). ⁴CTE er knyttet til en opphoping av tau-protein i hjernen, som fører til hukommelsestap, atferd og personlighetsforandring, Parkinsons syndrom, og tale og ganglag unormalt at noen ganger har ført til selvmord. ⁵ Fotball hjelmer har gjort noen teknologiske fremskritt de siste 15 årene, men selv dagens mest avanserte hjelmer ikke helt dempe alt av hendelsen styrker på hjelmen og dermed idrettsutøvere likevel pådra hjernerystelser. En studie utført av Bartsch et al. ⁶ viste at i mange tilfeller hodet innvirkning doser og hodeskade risiko mens iført vintage Leather hjelmer var sammenlignbare med de på seg de brukte 21 ^århundre hjelmer, illustrerer behovet for forbedring i design og testing standarder for fotball hjelmer. Spesielt gjør NOCSAE sertifisering ⁷ ikke krever faceguard å bli inkludert i drop tester for hjelmen. Den ekstra stivhet fra than faceguard koblet til hjelmen vil dramatisk endre det generelle mekaniske respons. Denne studien innebærer en metode for å gi mer robuste hjelm sikkerhetsstandarder som ville tjene som en pådriver for å fremme sikrere hjelm design.

Bakgrunn
Hodeskader Metrics
Den eksakte biologiske mekanismer relatert til hjernerystelser fortsatt uidentifisert. Selv om mye arbeid har blitt gjort i forsøk på å kvantifisere hodeskade toleranser ved ulike skadeberegninger, har uenighet oppstått i biomedisinsk samfunnet om disse kriteriene. Disse skademekanismer er ment å forholde seg til flere enheter: lineær akselerasjon, roterende akselerasjon, effekt varighet og impuls. ^{8, 9, 10, 11} Flere Injury kriterier har blitt brukt for å definere en hjernerystelse som et mål på lineær akselerasjon. Den Wayne State Tolerance Curve (WSTC) <sup class = "xref"> ^{12, 13, 14} ble utviklet for å forutsi skallebrudd for bilindustrien krasjer under en frontkollisjon ved å definere en terskel kurve grense for lineær akselerasjon versus innvirkning varighet. WSTC har fungert som baser for andre skade kriterier som Severity Index (SI) ¹¹ og hodeskader Criterion (HIC), ¹⁵ som er de to mest brukte kriteriene. SI og HIC begge måle innvirkning alvorlighetsgraden basert på vektede integraler av de lineære akselerasjons-tidsprofiler. Selv om disse kriterier definerer tersklene for lineær akselerasjon, har andre kriterier foreslått for å ta hensyn til rotasjonsakselerasjon, slik som hode Impact strømindeks. ^{8, 10, 16} Dagens hjelm testing standarder bruker ofte en skade kriterium basert på Wayne State Ålerance kurve (nemlig HIC eller SI) eller toppakselerasjon kriteriet eller i noen tilfeller begge. Mens noen endringer er nødvendig for å legge til vinkelakselerasjon til standard ytelseskriteriene, de lineære akselerasjonsbaserte kriterier være dominerende.

I denne studien, til de verdiene som brukes vurdere relativ sikkerhet at hver hjelm gitt var peak resulterende akselerasjoner, SI, og HIC verdier. Av disse beregningene bare SI brukes for evaluering i det aktuelle National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment (NOCSAE) fotball hjelm standarder. SI er basert på den følgende ligning,

(1)

hvor A er den translatoriske akselerasjon av tyngdepunktet (CG) av hodet, og t er akselerasjonen varighet. ^11, ble ¹⁷ SI beregnet i henhold to NOCSAE krav ^18, hvor beregningen er begrenset av en 4 N terskel langs den resulterende akselerasjonskurve. HIC-verdier ble beregnet ved den følgende ligning,

(2)

hvor en er den translatoriske akselerasjon av CG av hodet, og t ₁ t og ₂ er de begynnelses- og slutt-tider henholdsvis intervallet ved hvilken HIC oppnår en maksimal verdi. Alle HIC-verdier beregnet i denne studien var HIC _36, hvor varigheten av tidsintervallet er begrenset til 36 ms.

NOCSAE Fotball Hjelm Test Standards
NOCSAE oversikt
I 1969 ble NOCSAE dannet for å utvikle ytelsesstandarder for amerikansk fotball hjelmer / faceguards og annet sportsutstyr med et mål om å redusere sports-relaterte skader. ¹7 De NOCSAE fotball hjelm standarder ble utviklet av Dr. Voigt Hodgson ⁹ av Wayne State University for å redusere hodeskader ved å etablere krav til effekt demping og strukturell integritet for fotball hjelmer / faceguards. Disse fotball hjelm standarder inkluderer sertifisering teste og årlig resertifisering prosedyrer for hjelmer. I 2015, NOCSAE implementert et kvalitetssikringsprogram som krever bruk av en bestemt American National Standards Institute (ANSI) akkreditert organ for hjelm sertifisering.

NOCSAE testmetoden
Den NOCSAE Fotball Hjelm Standard inkluderer ikke testing av hjelmer med faceguards som det krever fjerning før hjelm dråper er gjennomført. De NOCSAE hjelm tester standarder ¹⁷ benytter en twin-ledning dråpe anslags som er avhengig av tyngdekraften til å akselerere headform og hjelm kombinasjon til de nødvendige konsekvens hastigheter. Den NOCSAE headform er instrumentert wed treaksede akselerometre på tyngdepunktet. Den headform og hjelm kombinasjonen deretter falt på bestemte hastigheter på en stål ambolt dekket med en 12,7 mm tykk hard gummi Modular Elastomer Programmerer (MEP) pad. Ved støt, er den momentane akselerasjon registreres og SI-verdier beregnes. Disse SI verdier blir sammenlignet mot en bestått / ikke bestått kriterium over en rekke nødvendige konsekvens steder og hastigheter og to temperaturer, inkludert ambient og høy temperatur konsekvenser. Hvis den resulterende SI verdi for noen innvirkning bryter grensen, så hjelmen vil ikke bestå testen.

En egen standard testmetode brukes til fotball faceguard sertifisering. Den NOCSAE fotball faceguard standard omfatter strukturell integritet analyse samt vurdere effekten demping ytelsen til faceguard, hakestropp, og deres festesystemer. Hver effekt måling må være under 1200 SI å bestå testen, uten ansiktskontakt og ikke megmekaniske svikt av en komponent, som definert av NOCSAE Standard. ¹⁹

Det er en foreslått ekstra NOCSAE test (Linear Impactor (LI)) ²⁰ som inkluderer hjelmen med faceguard, men det er ikke hensiktsmessig for fotball hjelm sertifisering fordi det ikke kan innrømme en krone innvirkning. LI benytter en pneumatisk sylinder for å påvirke en hjelm plassert på en NOCSAE headform utstyrt med en hybrid III dummy hals som er montert på en lineær bærende bord for å indusere vinkelakselerasjon. Av denne grunn LI-testen er en ytterligere test for å dagens dobbeltvire-NOCSAE slipp testprosedyre og ikke en erstatning. ^{20, 21} i stedet for de LI tester, foreslår vi å bare legge til to scenarier til dagens twin-ledning dråpe testprosedyre.

Den NOCSAE standard testmetode for sertifisering av fotball hjelmer inkluderer i dag seks skrevet innvirkning locasjoner og en tilfeldig effekt plassering. De foreskrevne innvirkning steder inkluderer følgende: Front (F), Front Boss (FB), Side (S), bak (R), Rear Boss (RB), og Top (T). Den tilfeldige plassering innvirkning test kan velge et område fra ethvert punkt innenfor det definerte område akseptabel påvirkning av hjelmen. Konsekvens steder for våre endrede NOCSAE slipp tårn testene inkluderer erstatter de tidligere definerte Foran og Front Boss innvirkning steder med det som ble kåret som Front Top (FT) og Front Top Boss (FTB) slag steder. Våre Front Topp og front Top Boss innvirkning steder er identiske med de fremre og Høyre foran Boss innvirkning steder i NOCSAE standard for Lacrosse hjelmer, som også inkluderer den faceguard for drop-tester. ²² hjelmskallet innvirkning steder, inkludert erstattet Foran og Front Boss steder, er avbildet i figur 1. I tillegg er modifisert hjelm testmetoden for vår nåværende studien omfatter to faceguard IMPACT steder som ble kåret til FG Front og FG Bottom. De to faceguard påvirker steder er identiske med de nødvendige konsekvens steder for dagens NOCSAE faceguard sertifisering prosedyrer. De åtte slag stedene for de modifiserte NOCSAE slagtester med denne undersøkelsen er vist i figur 2.

Figur 1: Omtrent innvirkning steder for fotball hjelmer. De seks som kreves for tiden NOCSAE falltest hjelm innvirkning steder, Front (F), Front Boss (FB), Side (S), Top (T), bak (R), og bak Boss (RB), og de to foreslåtte konsekvens steder , Front Top (FT), og Front Top Boss (FTB). Merk: NOCSAE standard testmetode for beskyttende hodeplagg inkluderer ikke Front Top og Front Top Boss konsekvens steder (markert med rød tekst) og for denne studien de erstatte Foran og Front Boss innvirkning steder. (Bilde modifisert fra NOCSAE DOC. 001-13m15b) <ahref = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg" target = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2: Modifisert NOCSAE drop test oppsett som viser åtte slag steder. Front Topp, Front Top Boss, Side, Faceguard (FG) foran, bak, bakre Boss, Topp, og Faceguard Bunn (FB). Merk: NOCSAE standard inkluderer ikke faceguard vedlegg og her Front Top og Front Top Boss erstatte vanlige Foran og Front Boss innvirkning steder. (Bilde modifisert fra NOCSAE DOC. 002-11m12) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Hjelm design har gradvis endret seg i det siste tiåret, mens NOCSAE fotball hjelm standarder aldri har tatt den faceguard med hELMET i å vurdere ytelsesspesifikasjonene fotball hjelm. Mens nylig en endring er blitt gjort for å inkludere en bestått / ikke bestått verdi av 300 SI for laveste hastighet konsekvenser (3,46 m / s), den generelle bestått / ikke bestått grense på 1200 SI har ikke endret seg siden 1997. ¹⁷ Før 1997 den NOCSAE brukt en 1500 SI bestått / ikke bestått kriterium. Hodgson et al. (1970) har vist at SI-verdier på mer enn 1000 er en fare for liv, mens SI verdier av 540 har produsert lineære skallen sprekker i ikke hjelm, avdød slagtester. ²³ De fleste moderne fotball hjelmer har vist seg å passere godt under 1200 SI grensen, men ikke alle under 540 SI.

Protocol

Merk: Protokollen for presenterte testmetoden viser til følgende NOCSAE dokumenter (tilgjengelig på http://nocsae.org/): NOCSAE DOC.002-13m13: "STANDARD PERFORMANCE spesifikasjon for nyprodusert FOTBALL HJELMER" 18. NOCSAE DOC.011-13m14d: "Produsenter PROSEDYRER GUIDE FOR PRODUKT utvalgs for testing for å NOCSAE STANDARDER" 24. NOCSAE DOC.087-12m14: "standard metode for IMPACT TEST OG YTELSE KRAV FOR FOOTBALL FACEGUARDS" 25. NOCSAE DOC.1…

Representative Results

En detaljert kvantitativ analyse av resultatene for denne metoden som er presentert av Rush et al. (innsendt) Et sammendrag av resultatene og den tilhørende effekten av en kombinert faceguard-shell hjelm testmetoder vises i dråpetestresultater ved hjelp Rawlings Quantum Plus, Riddell 360, Schutt Ion 4D, og Xenith X2 hjelmer som eksempler. Hver av disse hjelmene (størrelse "stort") med faceguards vises ulike resultater sammenlignet med hjelmer uten de face…

Discussion

Den rapporterte metodikk som par NOCSAE fotball hjelm og faceguard slipp slagtester tilbyr en unik teknikk for å vurdere bedre egenskapene til moderne fotball hjelmer. De mest kritiske trinn for å vurdere dette bedre ytelse karakteristisk for moderne fotball hjelmer er følgende: 1) riktig å sette opp den mekaniske testenheten; 2) nøyaktig gjennomføre kalibreringsprosedyrer; og 3) ordentlig feste hjelmen / faceguard til headform.

Denne metodikken krever skikkelig test oppsett og kalibre…

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