अमेरिकी फुटबॉल हेलमेट के लिए संशोधित ड्रॉप टॉवर प्रभाव परीक्षण
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
प्रेरणा
इस संशोधित बूंद टावर परीक्षण विधि का मुख्य लक्ष्य अधिक बारीकी से अमेरिकी फुटबॉल हेलमेट प्रणाली के मैदान पर प्रभावों का प्रतिनिधित्व करते हैं और बढ़ाया सुरक्षा मानकों को बढ़ावा देना है। entailed परीक्षण विधि हेलमेट व्यवस्थित प्रतिक्रिया को प्रभावी ढंग से हिलाना रोकथाम के लिए बढ़ाया टोपी विकसित करने की जरूरत के बारे में ज्ञान प्रदान कर सकते हैं। concussions की घटना लगातार ग्रस्त है ऐसे अमेरिकी फुटबॉल संपर्क के रूप में खेल,। संयुक्त राज्य अमेरिका अकेले में, खेल से संबंधित concussions हर साल 1.6 3.8 मिलियन करने के लिए बार हो जाने का अनुमान किया गया है। 1 एक फुटबॉल खिलाड़ी 1,500 से अधिक सिर प्रभावों हर मौसम हो सकता है। 2, 3 सबसे प्रभावों की भयावहता उप concussive हो सकता है, इन प्रभावों का संचय एक प्रभाव प्रेरित neurodegenerative पुरानी दर्दनाक मस्तिष्क विकृति (सीटीई) के रूप में जाना जाता बीमारी के कारण लंबे समय तक मस्तिष्क क्षति हो सकती है। 4सीटीई मस्तिष्क में ताऊ प्रोटीन की एक buildup से जुड़ा हुआ है, स्मृति हानि, व्यवहार और व्यक्तित्व परिवर्तन, पार्किंसंस सिंड्रोम, और भाषण और चाल असामान्यताएं है कि कभी कभी आत्महत्या के लिए प्रेरित किया है के लिए अग्रणी। 5 फुटबॉल हेलमेट पिछले 15 वर्षों में कुछ तकनीकी प्रगति की है, लेकिन आज भी सबसे उन्नत हेलमेट पूरी तरह से हेलमेट पर घटना बलों के सभी कम नहीं है और इसलिए, एथलीटों अभी भी concussions उठाना। Bartsch एट अल द्वारा किए गए एक अध्ययन। 6 से पता चला है कि कई मामलों में सिर प्रभाव खुराक और सिर पर चोट के जोखिम, जबकि पहने पुरानी Leatherhead हेलमेट व्यापक रूप से इस्तेमाल 21 वीं सदी हेलमेट पहने हुए उन लोगों के बराबर थे फुटबॉल हेलमेट के डिजाइन और परीक्षण मानकों में सुधार की आवश्यकता को दर्शाता हुआ। विशेष रूप से, NOCSAE प्रमाण पत्र 7 faceguard की आवश्यकता नहीं है हेलमेट के लिए ड्रॉप परीक्षण में शामिल किया जाना है। टी से जोड़ा कठोरतावह हेलमेट से जुड़े faceguard नाटकीय रूप से समग्र यांत्रिक प्रतिक्रिया बदल जाएगा। वर्तमान अध्ययन के लिए एक विधि पर जोर देता है और अधिक मजबूत हेलमेट सुरक्षा मानकों कि एक प्रेरणा शक्ति के रूप में सेवा सुरक्षित हेलमेट डिजाइन को बढ़ावा देने के लिए प्रदान करने के लिए।
पृष्ठभूमि
सिर पर चोट मेट्रिक्स
सटीक जैविक concussions से संबंधित तंत्र अज्ञात रहते हैं। ज्यादा काम विभिन्न चोट मैट्रिक्स द्वारा सिर पर चोट tolerances यों करने के प्रयास में किया गया है, वहीं असहमति इन मानदंडों के बारे में जैव चिकित्सा समुदाय में उत्पन्न हो गई है। रैखिक त्वरण, बारी-बारी से त्वरण, प्रभाव अवधि, और आवेग: ये चोट तंत्र कई संस्थाओं से संबंधित करने वाले हैं। 8, 9, 10, 11 कई चोट मानदंड रैखिक त्वरण के एक उपाय के रूप में एक हिलाना परिभाषित करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। वेन स्टेट सहिष्णुता वक्र (WSTC) <suपी वर्ग = "xref"> 12, 13, 14 बनाम प्रभाव अवधि रैखिक त्वरण के लिए एक सीमा वक्र सीमा को परिभाषित करने से एक ललाट प्रभाव के दौरान मोटर वाहन दुर्घटनाओं के लिए खोपड़ी में फ्रैक्चर भविष्यवाणी करने के लिए विकसित किया गया था। WSTC ऐसे गंभीरता सूचकांक (एसआई) के रूप में 11 अन्य चोट मापदंड के लिए आधार के रूप में सेवा की है और सिर पर चोट कसौटी (एचआईसी), 15 जो दो सबसे अधिक इस्तेमाल किया मानदंड हैं। एसआई और एचआईसी दोनों उपाय के प्रभाव गंभीरता रैखिक त्वरण समय प्रोफाइल की भारित integrals पर आधारित है। इन मानदंडों रैखिक त्वरण के लिए थ्रेसहोल्ड को परिभाषित करते हैं, इस तरह के अन्य मानदंडों के प्रमुख प्रभाव पावर सूचकांक के रूप में, बारी-बारी से त्वरण के लिए खाते में प्रस्तावित किया गया है। 8, 10, 16 आज हेलमेट परीक्षण मानकों अक्सर एक चोट वेन स्टेट पर आधारित कसौटी का उपयोगlerance वक्र (अर्थात् एचआईसी या एसआई) या चोटी त्वरण कसौटी या दोनों कुछ मामलों में। कुछ संशोधनों के मानक मापदंड प्रदर्शन करने के लिए कोणीय त्वरण जोड़ने की जरूरत है कर रहे हैं, रैखिक त्वरण आधारित मानदंड प्रमुख रहते हैं।
इस अध्ययन में, इस्तेमाल किया मैट्रिक्स रिश्तेदार सुरक्षा प्रदान की जाती है कि प्रत्येक हेलमेट चोटी परिणामी accelerations, एसआई, और एचआईसी मान रहे थे आकलन करने के लिए। इन मेट्रिक्स के केवल एसआई पर एथलेटिक उपकरण (NOCSAE) फुटबॉल हेलमेट मानकों के लिए मानकों के वर्तमान राष्ट्रीय ऑपरेटिंग समिति में मूल्यांकन के लिए प्रयोग किया जाता है। एसआई निम्नलिखित समीकरण के आधार पर किया जाता है,
(1)
जहां एक सिर के गुरुत्वाकर्षण का केंद्र (सीजी) के translational त्वरण है, और टी त्वरण अवधि है। 11, 17 एसआई टी अनुसार गणना की गईओ NOCSAE मानकों 18, जहां गणना परिणामी त्वरण वक्र के साथ एक 4 जी दहलीज द्वारा सीमित है। एचआईसी मूल्यों, निम्न समीकरण द्वारा गणना की गई है
(2)
जहां एक सिर के तटरक्षक के translational त्वरण है, और टी 1 और 2 टी प्रारंभिक और अंतिम बार क्रमश: अंतराल, जिस पर एचआईसी एक अधिकतम मूल्य उपलब्ध हो जाता है के हैं। सभी एचआईसी मानों इस अध्ययन एचआईसी 36 थे, जहां समय अंतराल की अवधि 36 एमएस तक ही सीमित है में गणना की थी।
NOCSAE फुटबॉल हेलमेट परीक्षण मानकों
NOCSAE अवलोकन
1969 में NOCSAE अमेरिकी फुटबॉल हेलमेट / faceguards और अन्य उपकरण खेल खेल से संबंधित चोटों को कम करने के लक्ष्य के साथ के लिए प्रदर्शन के मानकों को विकसित करने के लिए बनाई गई थी। 17 NOCSAE फुटबॉल हेलमेट मानकों फुटबॉल हेलमेट / faceguards के लिए प्रभाव क्षीणन और संरचनात्मक अखंडता के लिए आवश्यकताओं को स्थापित करने से सिर की चोटों को कम करने के लिए वेन स्टेट यूनिवर्सिटी के डॉ वोइट हॉजसन 9 द्वारा विकसित किए गए। ये फुटबॉल हेलमेट मानकों को एक प्रमाण पत्र परीक्षा और हेलमेट के लिए वार्षिक recertification प्रक्रियाओं में शामिल हैं। 2015 में, NOCSAE एक गुणवत्ता आश्वासन एक विशिष्ट अमेरिकी राष्ट्रीय मानक संस्थान (एएनएसआई) हेलमेट प्रमाण पत्र के लिए मान्यता प्राप्त शरीर के उपयोग की आवश्यकता कार्यक्रम लागू किया है।
NOCSAE टेस्ट विधि
NOCSAE फुटबॉल हेलमेट स्टैंडर्ड faceguards साथ हेलमेट के परीक्षण में शामिल नहीं है क्योंकि यह उनके हटाने के लिए कहता है हेलमेट बूँदें आयोजित की जाती हैं पहले। NOCSAE हेलमेट परीक्षण मानकों 17 एक जुड़वां तार बूंद impactor है कि गुरुत्वाकर्षण पर निर्भर करता है की आवश्यकता प्रभाव गति के लिए headform और हेलमेट संयोजन में तेजी लाने के लिए उपयोग। NOCSAE headform डब्ल्यू instrumented हैगुरुत्वाकर्षण के केंद्र में ith त्रिअक्षीय accelerometers। headform और हेलमेट संयोजन तो एक 12.7 मिमी मोटी हार्ड रबर मॉड्यूलर Elastomer प्रोग्रामर (एमईपी) पैड के साथ कवर एक इस्पात निहाई पर विशिष्ट गति पर गिरा दिया है। प्रभाव पर, तात्कालिक त्वरण दर्ज की गई है और एसआई मूल्यों गणना कर रहे हैं। ये एसआई मूल्यों एक पास के खिलाफ तुलना कर रहे हैं / अपेक्षित प्रभाव स्थानों और वेग और दो तापमान, परिवेश और उच्च तापमान के प्रभावों सहित की एक किस्म पर विफल कसौटी। किसी भी प्रभाव के लिए जिसके परिणामस्वरूप एसआई मूल्य सीमा उल्लंघनों, तो हेलमेट परीक्षा पास नहीं होगा।
एक अलग मानक परीक्षण विधि फुटबॉल faceguard प्रमाण पत्र के लिए प्रयोग किया जाता है। NOCSAE फुटबॉल faceguard मानक संरचनात्मक अखंडता विश्लेषण के साथ ही faceguard, chinstrap के प्रभाव क्षीणन प्रदर्शन का आकलन करने, और उनके लगाव प्रणाली शामिल है। प्रत्येक प्रभाव माप कोई चेहरे से संपर्क करें और कोई मेरे साथ, परीक्षा पास करने के लिए 1,200 एसआई नीचे होना चाहिएकिसी भी घटक के chanical विफलता, के रूप में NOCSAE स्टैंडर्ड द्वारा परिभाषित किया। 19
वहाँ एक प्रस्तावित अतिरिक्त NOCSAE टेस्ट (रैखिक Impactor (ली)) 20 कि faceguard के साथ हेलमेट भी शामिल है, लेकिन यह फुटबॉल हेलमेट प्रमाण पत्र के लिए उचित नहीं है, क्योंकि यह एक मुकुट प्रभाव स्वीकार नहीं कर सकते। ली एक हेलमेट एक NOCSAE एक संकर III डमी आदेश कोणीय त्वरण के लिए प्रेरित करने में एक रेखीय असर मेज पर मुहिम शुरू की गर्दन के साथ सुसज्जित headform पर तैनात प्रभावित करने के लिए एक साँस रैम का उपयोग करता है। इस कारण से लाइट परीक्षण नहीं वर्तमान जुड़वां तार NOCSAE ड्रॉप परीक्षण प्रक्रिया के लिए एक अतिरिक्त टेस्ट और एक प्रतिस्थापन है। 20, लाइट परीक्षण के बजाय 21, हम तो सिर्फ वर्तमान जुड़वां तार ड्रॉप परीक्षण प्रक्रिया के लिए दो और परिदृश्यों को जोड़ने का प्रस्ताव है।
फुटबॉल हेलमेट के प्रमाणीकरण के लिए NOCSAE मानक परीक्षण विधि वर्तमान में छह निर्धारित प्रभाव लोका शामिलमाहौल और एक यादृच्छिक प्रभाव स्थान। निर्धारित प्रभाव स्थानों निम्नलिखित शामिल हैं: मोर्चा (एफ), मोर्चा बॉस (एफबी), साइड (एस), रियर (आर), रियर बॉस (आरबी), और शीर्ष (टी)। यादृच्छिक प्रभाव स्थान परीक्षण हेलमेट परिभाषित स्वीकार्य प्रभाव क्षेत्र के भीतर किसी भी बिंदु से एक क्षेत्र का चयन कर सकते हैं। हमारे संशोधित NOCSAE बूंद टावर परीक्षण के लिए प्रभाव स्थानों क्या के रूप में सामने शीर्ष (एफटी) और सामने शीर्ष बॉस (FTB) प्रभाव स्थानों नामित किया गया था के साथ पहले से परिभाषित मोर्चा और मोर्चा बॉस प्रभाव स्थानों की जगह शामिल हैं। हमारे मोर्चा शीर्ष और सामने शीर्ष बॉस प्रभाव स्थानों लैक्रोस हेलमेट के लिए NOCSAE मानक के सामने और ठीक सामने बॉस प्रभाव स्थानों, जो भी ड्रॉप परीक्षण के लिए faceguard शामिल करने के लिए समान हैं। प्रतिस्थापित मोर्चा और मोर्चा बॉस स्थानों सहित 22 हेलमेट खोल प्रभाव स्थानों, चित्रा 1 में चित्रित कर रहे हैं। इसके अतिरिक्त, हमारे वर्तमान अध्ययन के संशोधित हेलमेट परीक्षण विधि दो faceguard impac शामिलटी स्थानों है कि FG मोर्चा और FG नीचे नामित किया गया। दो faceguard प्रभावों स्थानों वर्तमान NOCSAE faceguard प्रमाणीकरण प्रक्रियाओं के लिए आवश्यक प्रभाव स्थानों के लिए समान हैं। वर्तमान अध्ययन के संशोधित NOCSAE प्रभाव परीक्षण के लिए आठ प्रभाव स्थानों चित्रा 2 में दिखाया जाता है।
चित्रा 1: फुटबॉल हेलमेट के लिए लगभग प्रभाव स्थानों। छह वर्तमान में NOCSAE बूंद परीक्षा हेलमेट प्रभाव स्थानों, मोर्चा (एफ), मोर्चा बॉस (एफबी), साइड (एस), शीर्ष (टी), रियर (आर), और पीछे बॉस (आरबी), और दो प्रस्तावित प्रभाव स्थानों आवश्यकता , मोर्चा शीर्ष (एफटी), और सामने शीर्ष बॉस (FTB)। नोट: सुरक्षात्मक टोपी के लिए NOCSAE मानक परीक्षण विधि मोर्चा शीर्ष और सामने शीर्ष बॉस प्रभाव स्थानों को शामिल नहीं करता (लाल पाठ में संकेत दिया) और इस अध्ययन के लिए वे सामने और मोर्चा बॉस प्रभाव स्थानों की जगह। (छवि NOCSAE डॉक्टर से संशोधित किया। 001-13m15b) <ahref = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg" लक्ष्य = "_blank"> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 2: संशोधित NOCSAE बूंद परीक्षा आठ प्रभाव स्थानों दिखा सेटअप। मोर्चा ऊपर, मोर्चा शीर्ष बॉस, पक्ष, Faceguard (FG) सामने, पीछे, रियर बॉस, ऊपर, और Faceguard नीचे (एफबी)। नोट: NOCSAE मानक faceguard लगाव शामिल नहीं है और यहां मोर्चा शीर्ष और सामने शीर्ष बॉस मानक मोर्चा और मोर्चा बॉस प्रभाव स्थानों की जगह। (छवि NOCSAE डॉक्टर से संशोधित किया। 002-11m12) यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
हेलमेट डिजाइन उत्तरोत्तर, पिछले एक दशक में बदल दिया है, जबकि NOCSAE फुटबॉल हेलमेट मानकों ज के साथ faceguard शामिल नहीं किया हैफुटबॉल हेलमेट प्रदर्शन विनिर्देशों के मूल्यांकन में एल्मेट। वहीं हाल ही में एक संशोधन के एक पास को शामिल करने के लिए बनाया गया है / सबसे कम वेग प्रभावों (3.46 मी / एस), जनरल पास / असफल 1,200 एसआई की सीमा के लिए 300 एसआई के मूल्य में असफल 1997 17 1997 के लिए पहले के बाद से नहीं बदला है, NOCSAE 1,500 एसआई इस्तेमाल किया / असफल कसौटी से गुजरती हैं। हॉजसन एट अल। (1970) से पता चला है कि अधिक से अधिक से अधिक 1000 के एसआई मूल्यों, जीवन के लिए खतरा है, जबकि 540 के एसआई मूल्यों गैर helmeted शव का प्रभाव परीक्षण में रेखीय खोपड़ी भंग का उत्पादन किया है। 23 सबसे आधुनिक फुटबॉल हेलमेट अच्छी तरह से 1,200 एसआई सीमा से नीचे पारित करने के लिए नहीं बल्कि सभी 540 नीचे एसआई दिखाया है।
Protocol
Representative Results
Discussion
सूचना पद्धति है कि जोड़ों NOCSAE फुटबॉल हेलमेट और faceguard ड्रॉप प्रभाव परीक्षण आधुनिक फुटबॉल हेलमेट के बेहतर प्रदर्शन विशेषताओं का आकलन करने के लिए एक अनोखी तकनीक प्रदान करता है। आधुनिक फुटबॉल हेलमेट के इस ब…
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
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