Amerikan Futbolu Kasklar için Modifiye Drop Tower Darbe Testleri
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
Motivasyon
Bu modifiye damla kule test yöntemi ana hedefi daha yakından Amerikan futbol kask sisteminin on-alan etkilerini temsil ve gelişmiş güvenlik standartlarını teşvik etmektir. gerektirdiği test yöntemi kask etkili bir sarsıntı önlenmesi için geliştirilmiş başlık geliştirmek için gerekli sistematik tepki bilgi sağlayabilir. sarsılmaların oluşumu ısrarla gibi Amerikan Futbolu olarak temas sporları, başına bela olmuş durumda. Sadece Amerika Birleşik Devletleri'nde, sporla ilgili beyin sarsıntısı 1,6 milyon 3,8 kez her yıl meydana tahmin edilmiştir. 1 Bir futbolcu 1500'den fazla kafa etkileri her sezon olabilir. 2, 3 en etkilerin büyüklüğü alt sarsıcı olsa da, kronik travmatik ensefalopati (CTE) olarak bilinen bir darbe kaynaklı nörodejeneratif hastalık uzun vadeli beyin hasarına yol açabilir, bu etkilerin birikimi. 4CTE hafıza kaybı, davranış ve kişilik değişiklikleri, Parkinson sendromu ve konuşma ve bazen de intihara yol açmıştır yürüme anormallikleri yol beyinde tau proteininin birikmesi ile bağlantılıdır. 5 Futbol kask son 15 yıl içinde bazı teknolojik gelişmeleri yaptık, ancak bu bile günümüzün en gelişmiş kask tamamen kask olay kuvvetlerinin tüm azaltmak değil ve bu nedenle, sporcular hala beyin sarsıntısı tabi. Bartsch ve arkadaşları tarafından yürütülen bir çalışma. 6 gösterdi birçok durumda kafa darbe dozları ve kafa travması riskleri, bağbozumu leatherhead kask yaygın olarak kullanılan 21. yüzyıl kask uylumluydu giyen futbol kask tasarımı ve test standartları geliştirilmesi ihtiyacını gösteren ederken. Özellikle, NOCSAE sertifika 7 kask damla testleri dahil olmak faceguard gerektirmez. t ilave sertlikO dramatik genel mekanik tepki değiştirmek istiyorsunuz kask bağlı faceguard. Bu çalışma daha güvenli kask tasarımları teşvik etmek için bir itici güç olarak hizmet verecek daha sağlam kask güvenlik standartlarını sağlamak için bir yöntem gerektirir.
Arka fon
Kafa Yaralanma Ölçümleri
sarsılmaların ilgili kesin biyolojik mekanizmaları tanımlanamayan kalır. çok iş çeşitli yaralanma ölçümlere göre kafa travması toleransları ölçmek için çalışırken yapılmıştır olurken, anlaşmazlık bu kriterlere ilişkin biyomedikal topluluk ortaya çıkmıştır. doğrusal ivme, dönme hızlanma, darbe süresi ve darbe: Bu yaralanma mekanizmaları çeşitli kuruluşlar ilişkilendirmek gerekiyor. 8, 9, 10, 11 çeşitli Sakatlık kriterleri doğrusal ivme bir ölçüsü olarak bir sarsıntı tanımlamak için kullanılmıştır. Wayne State Tolerans Eğrisi (WSTC) <sup class = "xref"> 12, 13, 14 darbe süresi karşı doğrusal ivme için bir eşik eğrisi sınırı tanımlayarak bir önden çarpma sırasında otomotiv çöker kafatası kırığı tahmin için geliştirilmiştir. WSTC gibi Önem İndeksi (SI) 11 gibi diğer yaralanma kriterleri için üs olarak görev yaptı ve Kafa Travması Kriter (HIC), 15 olan En sık kullanılan iki kriter vardır. SI ve HIC doğrusal ivme-zaman profillerinin ağırlıklı integraller dayalı hem de ölçü darbe şiddeti. Bu kriterler doğrusal ivme için eşik tanımlamalarına karşın, diğer kriterler gibi Baş Darbe Gücü endeksi gibi, dönme hızlanma hesaba öne sürülmüştür. 8, 10, 16 Bugünün kask test standartları genellikle için Wayne State dayalı bir yaralanma kriterinin kullanınlerance Eğrisi (yani HIC veya SI) veya pik ivme ölçüt veya bazı durumlarda her ikisini. bazı değişiklikler standart performans kriterlerine açısal ivme eklemek için gerekli olmakla birlikte, doğrusal ivme tabanlı kriterler baskın kalır.
Bu çalışmada, kullanılan metrikler sağlanan her kask zirve bileşke ivmeler, SI ve HIC değerleri göreceli güvenliğini değerlendirmek için. Bu ölçümlerin yalnızca SI Atletik Ekipmanları (NOCSAE) futbol kask standartları Standartları geçerli Ulusal İşletim Komitesi değerlendirilmesi için kullanılır. SI, aşağıdaki denkleme dayalı,
(1)
Bir baş Ağırlık merkezi (CG) translasyon ivmesi ve t ivme süresi olduğu. 11, 17 SI göre t hesaplandıHesaplama Elde edilen ivme eğrisi boyunca 4 G eşiği ile sınırlıdır NOCSAE standartları 18, o. HIC değerleri, aşağıdaki denklem ile hesaplandı
(2)
Bir baş CG translasyon ivmesi, ve t, 1 ve T 2 HIC maksimum bir değere ulaştığı zaman aralığını, sırasıyla, ilk ve son kat olduğu. Tüm HIC değerleri zaman aralığının süresi 36 ms sınırlıdır HIC 36 idi bu çalışmada, hesaplanan.
NOCSAE Futbol Kaskı Test Standartları
NOCSAE Genel bakış
1969 yılında NOCSAE spor ile ilgili yaralanmaları azaltmak için bir gol ile futbol kaskları / faceguards ve diğer spor ekipmanları Amerikan için performans standartlarını geliştirmek için kuruldu. 17 NOCSAE futbol kask standartları futbol kaskları / faceguards için darbe zayıflama ve yapısal bütünlüğü için gereksinimleri kurarak kafa yaralanmaları azaltmak için Wayne State Üniversitesi'nden Dr. Voigt Hodgson 9 tarafından geliştirilmiştir. Bu futbol kask standartlar sertifikasyon test ve kasklar için yıllık recertification prosedürlerini içermektedir. 2015 yılında, NOCSAE belirli bir Amerikan Ulusal Standartlar Enstitüsü (ANSI) kask sertifikasyonu için akredite vücudun kullanımını gerektiren bir kalite güvence programı uyguladı.
NOCSAE Test Yöntemi
kask damla yapılmaktadır önce bunların kaldırılması için çağrıda olarak NOCSAE Futbol Kask Standart faceguards ile kask test içermez. NOCSAE kask test standartları 17 Gerekli çarpma hızları kafa formu ve kask kombinasyonu hızlandırmak için yerçekimi dayanan bir ikiz tel açılan impaktörü kullanmaktadır. NOCSAE kafa formu B cihaza alındıağırlık merkezinde i'inci üç eksenli akselerometre. kafa formu ve kask kombinasyonu daha sonra 12.7 mm kalınlığında sert kauçuk Modüler Elastomer Programcı (MEP) ped ile kaplı bir çelik örs üzerine belirli hızlarda bırakılır. etkisi üzerine, ani ivme kaydedilir ve SI değerleri hesaplanır. Bunlar SI değerleri bir geçiş karşı karşılaştırılır / ortam ve yüksek sıcaklık etkileri de dahil olmak üzere gerekli darbe yerleri ve hızları ve iki sıcaklık, çeşitli üzerinde kriter başarısız. herhangi bir darbe için ortaya çıkan SI değeri eşik ihlal ederse, o zaman kask testi geçmek olmaz.
Ayrı bir Standart Test Yöntemi futbol faceguard sertifikası için kullanılır. NOCSAE futbol faceguard standart yapısal bütünlük analizinin yanı sıra faceguard, Chinstrap etkisi zayıflama performansını değerlendirirken, ve bunların bağlanma sistemleri içerir. Her darbe ölçümü hiçbir yüz temas ve hiçbir benimle, testi geçmek 1.200 SI altında olmalıdırNOCSAE Standardı tarafından tanımlanan herhangi bir bileşeninin chanical yetmezliği,. 19
Orada bir teklif ek NOCSAE testi (Lineer Darbeli (LI)) faceguard ile kask içeren 20, ama bir taç etkisi itiraf edemiyor çünkü futbol kask sertifikasyonu için uygun değildir. LI açısal hızlanma indüklemek için doğrusal bir taşıma tablosu üzerine monte edilmiş bir hibrid III yapay boyun ile teçhiz edilmiş bir NOCSAE kafa formu üzerinde bulunan bir kask darbe pnömatik bir piston kullanır. Bu nedenle LI testi ek bir akım ikiz telli NOCSAE düşme testi prosedürüne testi ve yerine geçer. 20 yerine, LI testleri 21, biz sadece mevcut ikiz telli düşme testi prosedürüne iki senaryo eklemek için öneriyoruz.
futbol kask sertifikasyonu için NOCSAE standart test yöntemi şu anda altı öngörülen darbe loca içerirleri ve bir rasgele darbe yer. öngörülen etki yerleri şunlardır: Ön (F), Ön Boss (FB), Side (S), Arka (R), Arka Boss (RB) ve Top (T). rastgele darbe konum testi kask tanımlanan kabul edilebilir etki alanı içinde herhangi bir noktadan bir bölge seçebilirsiniz. Modifiye NOCSAE damla kule testleri için darbe yerleri Ön Top (FT) ve Ön Üst Boss (FTB) darbe yerler olarak seçildi ne önceden tanımlanmış Ön ve Ön Boss darbe yerleri değiştirilmesi yer alıyor. Bizim Ön Üst ve Ön Üst Boss darbe yerleri de açılan testleri için faceguard dahil Lacrosse Kasklar için NOCSAE standart Ön ve Sağ Ön Boss darbe yerle aynıdır. Yerini Ön ve Ön Boss yerleri de dahil olmak üzere 22 kask kabuk darbe yerleri, Şekil 1'de gösterilmiştir. Buna ek olarak, bu çalışmada modifiye kask test yöntemi iki faceguard IMPAC içerirFG Ön ve FG Bottom adlandırılmıştır t yerleri. İki faceguard etkiler yerleri mevcut NOCSAE faceguard sertifikasyon işlemleri için gerekli olan darbe konumları aynıdır. Bu çalışmada, modifiye NOCSAE darbe testleri sekiz etki yerleri Şekil 2'de gösterilmiştir.
Şekil 1: futbol kask için yaklaşık etki yerleri. Altı anda NOCSAE düşme testi kask darbe konumları, Ön (F), Ön Patron (FB), Side (S), Üst (T), Arka (R) ve Arka Boss (RB), ve iki önerdiği etki yerleri gerekli , Ön Üst (FT), ve Ön Üst Boss (FTB). Not: Koruyucu başlık için NOCSAE standart test yöntemi Ön Üst ve Ön Üst Boss darbe konumları içermez (kırmızı metinde gösterilen) ve bu çalışma için de ön ve Ön Boss darbe yerleri değiştirin. (Görüntü NOCSAE DOC değiştirilmiş. 001-13m15b) <a= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg" target = "_ blank" href> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 2: sekiz darbe yerleri gösteren NOCSAE düşme testi kurulumu Modifiye. Ön Üst, Ön Üst Boss, Side, Faceguard (FG) Ön, Arka, Arka Boss, Üst ve Alt Faceguard (FB). Not: NOCSAE standart faceguard eki içermez ve burada Ön Üst ve Ön Üst Boss, standart ön ve Ön Boss darbe yerleri değiştirin. (NOCSAE DOC değiştirilmiş görüntü. 002-11m12) bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
NOCSAE futbol kask standartlarına h faceguard dahil hiç oysa Kask tasarımları giderek, son on yılda değiştifutbol kask performans özelliklerini değerlendirirken ELMET. Iken, son zamanlarda bir değişiklik bir geçiş dahil etmek yapılmıştır / 1997 öncesinde 1997 17 yılından bu yana değişmedi düşük hız etkileri (3.46 m / s), genel geçiş / 1200 SI sınırını başarısız 300 SI değeri başarısız, NOCSAE / kriterini başarısız geçiren 1.500 SI kullanılır. Hodgson ve arkadaşları. (1970) 540 SI değerleri olmayan miğferli kadavra darbe testlerinde doğrusal kafatası kırıkları üretilen varken fazla 1.000 SI değerleri, hayati tehlike olduğunu göstermiştir. 23 En modern futbol kask ancak tüm SI 540 altında iyi 1200 SI limitinin altında geçmek göstermiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
çiftler futbol kask ve faceguard damla darbe testleri NOCSAE bildirilen metodoloji, modern futbol kask daha iyi performans karakteristiklerini değerlendirmek için eşsiz bir teknik sunmaktadır. Modern futbol kaskları bu daha iyi performans özelliğini değerlendirmek için en kritik adımlar şunlardır: 1) doğru mekanik test cihazı kurma; 2) doğru kalibrasyon prosedürlerini yürütmek; ve 3) düzgün kafa formu için kask / faceguard takılması.
Bu metodoloji doğru test kurulumu…
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).
