Modifié Tests Goutte Tour d'impact pour American Football Casques
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
Motivation
L'objectif principal de cette méthode d'essai de tour de chute modifiée est de représenter plus étroitement les impacts sur le terrain du système de casque de football américain et de promouvoir des normes de sécurité améliorées. La méthode d'essai entraîné peut fournir des connaissances des casques de réponse systématique nécessaire pour développer efficacement un casque amélioré pour la prévention des commotions cérébrales. L'apparition de commotions cérébrales a constamment en proie à des sports de contact, tels que football américain. Aux États-Unis seulement, les sports liés à des commotions cérébrales ont été estimées à produire 1,6 à 3,8 millions de fois par an. 1 Un joueur de football peut avoir plus de 1500 impacts tête chaque saison. 2, 3 Bien que l'ampleur de la plupart des impacts peut être sous-concussive, l'accumulation de ces impacts peut conduire à des lésions cérébrales à long terme en raison d'un impact induit maladie neurodégénérative appelée encéphalopathie traumatique chronique (CTE). 4CTE est liée à une accumulation de la protéine tau dans le cerveau, conduisant à la perte de mémoire, le comportement et le changement de la personnalité, le syndrome de Parkinson, et de la parole et des anomalies de la démarche qui a parfois conduit au suicide. 5 casques de football ont fait des progrès technologiques au cours des 15 dernières années, mais les casques les plus avancés , même aujourd'hui ne complètement atténuer pas toutes les forces incidentes sur le casque et , par conséquent, les athlètes engager encore des commotions cérébrales. Une étude menée par Bartsch et al. 6 a montré que , dans de nombreux cas , la tête des doses d'impact et les risques de blessures à la tête , tout en portant des casques de Leatherhead millésime étaient comparables à ceux qui portent les 21 e casques largement utilisés siècle, illustrant la nécessité d'améliorer les normes de casques de football conception et d' essai. En particulier, la certification NOCSAE 7 ne nécessite pas l'Ventaille être inclus dans les tests de chute pour le casque. La rigidité ajoutée de til Ventaille relié au casque changerait radicalement la réponse mécanique globale. La présente étude comporte une méthode pour fournir des normes de sécurité du casque plus robustes qui serviraient comme une force motrice pour promouvoir plus sûrs conceptions de casque.
Contexte
Head Injury Metrics
Les mécanismes biologiques exacts liés aux commotions cérébrales restent non identifiés. Bien que beaucoup de travail a été fait pour tenter de quantifier les tolérances de blessures à la tête par diverses mesures de blessures, le désaccord a surgi dans la communauté biomédicale au sujet de ces critères. Ces mécanismes de blessure sont censés se rapporter à plusieurs entités: accélération linéaire, l'accélération de rotation, la durée de l'impact, et l'impulsion. 8, 9, 10, 11 Plusieurs critères de blessures ont été utilisées pour définir une commotion cérébrale comme une mesure de l' accélération linéaire. La tolérance Curve Wayne State (WSTC) <sup class = "xref"> 12, 13, 14 a été développé pour prédire une fracture du crâne pour les accidents automobiles lors d' un choc frontal en définissant une limite de la courbe de seuil pour l' accélération linéaire par rapport à la durée de l' impact. WSTC a servi les bases pour d' autres critères de préjudice , tels que l'Indice de gravité (SI) 11 et le critère de blessure à la tête (HIC), 15 qui sont les deux critères les plus couramment utilisés. Le SI et HIC à la fois mesurer l'impact sur la base de la gravité intégrales pondérées des profils linéaires accélération-temps. Bien que ces critères définissent des seuils pour l'accélération linéaire, d'autres critères ont été proposées pour tenir compte de l'accélération de rotation, tels que l'indice Tête d'impact d'énergie. 8, 10, 16 normes d'essai du casque d'aujourd'hui utilisent souvent un critère de préjudice sur la base de l'État Wayne Pourlerance courbe (à savoir HIC ou SI) ou le critère d'accélération de pointe ou, dans certains cas, les deux. Bien que certaines modifications sont nécessaires pour ajouter une accélération angulaire des critères de performance standard, les critères sur la base d'accélération linéaire restent dominants.
Dans cette étude, les paramètres utilisés pour évaluer la sécurité relative que chaque casque fourni étaient les pics d'accélérations résultantes, les valeurs SI, et HIC. Parmi ces mesures que le SI est utilisé pour l'évaluation au sein du Comité national d'exploitation actuel sur les normes pour les normes Équipement Athletic (NOCSAE) casque de football. Le SI est basé sur l'équation suivante,
(1)
où A est l'accélération en translation du centre de gravité (CG) de la tête, et t est la durée d'accélération. 11, 17 SI est calculée en fonction de to normes NOCSAE 18, où le calcul est limitée par un seuil de 4 G le long de la courbe d'accélération résultante. Les valeurs de HIC ont été calculées par l'équation suivante,
(2)
où a est l'accélération de translation du centre de gravité de la tête, et t 1 et t 2 sont les temps initial et final, respectivement, de l'intervalle auquel HIC atteint une valeur maximale. Toutes les valeurs de HIC calculées dans cette étude étaient HIC 36, où la durée de l'intervalle de temps est limitée à 36 ms.
Football Normes de test Casque NOCSAE
NOCSAE Vue d'ensemble
En 1969, NOCSAE a été formé pour élaborer des normes de performance pour les casques de football américain / faceguards et d'autres équipements de sport avec un objectif de réduction des blessures liées au sport. 17 Les normes pour les casques de football NOCSAE ont été développés par le Dr Voigt Hodgson 9 de Wayne State University à réduire les blessures à la tête en établissant des exigences pour l' atténuation de l' impact et de l' intégrité structurelle pour le football casques / faceguards. Ces normes pour les casques de football comprennent un test de certification et les procédures de recertification annuelles pour casques. En 2015, NOCSAE mis en œuvre un programme d'assurance de la qualité nécessitant l'utilisation d'un institut spécifique (American National Standards de ANSI) d'organisme agréé pour la certification du casque.
Méthode d'essai NOCSAE
Le NOCSAE Casque de football standard ne comprend pas les essais de casques avec faceguards car il demande leur suppression avant gouttes de casque sont menées. Les 17 normes d'essai NOCSAE casque utilisent un impacteur de goutte à double fil qui utilise la gravité pour accélérer la fausse tête et combinaison de casque pour les vitesses d'impact requises. La fausse tête NOCSAE est instrumenté waccéléromètres triaxiaux ith au centre de gravité. La combinaison de la tête factice et le casque est ensuite chuté à des vitesses spécifiques sur une enclume en acier recouvert d'un épais tapis de 12,7 mm en caoutchouc dur modulaire Elastomer Programmer (MEP). Lors de l'impact, l'accélération instantanée est enregistrée et les valeurs SI sont calculées. Ces valeurs SI sont comparés à une réussite / échec critère sur une variété d'endroits requis d'impact et des vitesses et deux températures, y compris ambiante et impacts à haute température. Si la valeur SI résultant pour tout impact dépasse le seuil, le casque ne passe pas le test.
Une méthode de test standard séparé est utilisé pour la certification football Ventaille. La norme NOCSAE football Ventaille comprend l'analyse de l'intégrité structurelle ainsi que l'évaluation de la performance d'atténuation de l'impact de l'Ventaille, jugulaire, et leurs systèmes de fixation. Chaque mesure de l'impact doit être inférieure à 1.200 SI pour passer le test, sans contact avec le visage et ne meéchec méca- de tout composant, tel que défini par la norme NOCSAE. 19
Il existe un test NOCSAE supplémentaire proposé (impacteur linéaire (LI)) 20 qui comprend le casque avec le masque facial, mais il ne convient pas pour la certification de casque de football , car il ne peut pas admettre un impact de la couronne. La LI utilise un vérin pneumatique à l'impact d'un casque placé sur une fausse tête NOCSAE muni d'un col factice hybride III monté sur une table de roulement linéaire afin d'induire une accélération angulaire. Pour cette raison, le test LI est un test supplémentaire à la double toile NOCSAE procédure de test de chute de courant et non un remplacement. 20, 21 au lieu des tests de LI, nous proposons d'ajouter simplement deux scénarios à la double fil procédure de test de chute de courant.
La méthode de test standard NOCSAE pour la certification des casques de football comprend actuellement six prescrit loca d'impacttions et un point d'impact aléatoire. Les emplacements d'impact prescrits sont les suivants: avant (F), avant Boss (FB), Side (S), arrière (R), patron arrière (RB), et Top (T). Le test de l'emplacement de l'impact aléatoire peut sélectionner une région d'un point quelconque dans la zone d'impact acceptable définie du casque. Les emplacements d'impact pour nos tests de la tour de chute NOCSAE modifiés comprennent le remplacement des lieux d'impact avant et avant Fondateur définies précédemment avec ce qui a été désigné comme le Haut Avant (FT) et le Front Top Boss (FTB) endroits d'impact. Nos avant Top et Front Top Fondateur des emplacements d'impact sont identiques à l'avant et avant droit Fondateur impact sur les emplacements de la norme NOCSAE pour lacrosse Casques, qui comprennent aussi le Ventaille pour des tests de chute. 22 Les emplacements d'impact de coquille du casque, y compris les emplacements avant et avant Fondateur remplacé, sont représentés sur la figure 1. En outre, la méthode d'essai du casque modifié de notre étude actuelle comprend deux IMPAC Ventaillet endroits qui ont été nommés le Front FG et FG Bottom. Les deux impacts endroits Ventaille sont identiques aux emplacements d'impact requis pour les procédures de certification Ventaille actuelles NOCSAE. Les huit emplacements d'impact pour les essais de choc NOCSAE modifiés de la présente étude sont présentés dans la figure 2.
Figure 1: Points d'impact approximatives des casques de football. Les six actuellement tenus NOCSAE drop casque de test emplacements d'impact, avant (F), avant Boss (FB), Side (S), Top (T), arrière (R), et Boss arrière (RB), et les deux emplacements d'impact proposées , avant Top (FT), et front Top boss (FTB). Remarque: la méthode de test standard NOCSAE pour casque de protection ne comprend pas avant Top et Front Top Fondateur des emplacements d'impact (indiqué en rouge) et pour cette étude, ils remplacent les lieux d'impact avant et avant de Boss. (Image modifiée de NOCSAE DOC. 001-13m15b) <ahref = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg" target = "_ blank"> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2: modification NOCSAE configuration d'essai de chute montrant huit emplacements d'impact. Avant Top, avant Top Boss, Side, Ventaille (FG) avant, arrière, arrière Patron, Haut et Bas Ventaille (FB). Remarque: la norme NOCSAE ne comprend pas l'attachement de Ventaille et ici avant Top et Front Top patron remplacer les emplacements standard avant et avant Fondateur impact. (Image modifiée de NOCSAE DOC. 002-11m12) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
La conception des casques ont progressivement changé au cours de la dernière décennie, alors que les normes pour les casques de football NOCSAE ont jamais inclus le Ventaille avec l'hElmet pour évaluer les caractéristiques de performance du casque de football. Alors que, récemment , un amendement a été fait pour inclure une passe valeur de 300 SI pour les impacts de vitesse les plus bas (3,46 m / s), la passe générale / fail limite de 1.200 SI / échec n'a pas changé depuis 1997. 17 Avant 1997, le NOCSAE utilisé 1,500 SI pass / critère échouer. Hodgson et al. (1970) a montré que les valeurs SI de plus de 1000 est un danger pour la vie, tandis que les valeurs de SI 540 ont produit des fractures du crâne linéaires dans les tests d'impact cadavériques non casquées. 23 La plupart des casques de football modernes ont montré de passer bien au- dessous de la limite de 1.200 SI mais pas tous en dessous de 540 SI.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthodologie a rapporté que les couples NOCSAE tests d'impact de casque de football et de chute de Ventaille offre une technique unique de mieux évaluer les caractéristiques de performance des casques de football modernes. Les étapes les plus critiques pour l'évaluation de cette meilleure caractéristique de performance des casques de football modernes sont les suivantes: 1) correctement mise en place du dispositif d'essai mécanique; 2) la réalisation précise des procédures d'étalonnage; et…
Declarações
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 | |
Referências
- 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).
