Modifizierte Fallturm Auswirkungen Tests für American Football Helme
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
Das Hauptziel dieses modifizierten Fallturm Testmethode ist stärker auf die Feld Auswirkungen des American-Football-Helm-System darstellen und verbesserte Sicherheitsstandards zu fördern. Die verbundenen Testmethode kann effektiv benötigten Kenntnisse von Helmen systematische Antwort liefern zu verbesserten Kopfbedeckungen für Gehirnerschütterung Prävention zu entwickeln. Das Auftreten von Erschütterungen hat beharrlich Kontaktsportarten geplagt, wie American Football. In den Vereinigten Staaten haben allein, sportbezogene Kommotio Schätzungen jedes Jahr 1,6 bis 3.800.000 mal auftreten. 1 Ein Fußball – Spieler kann mehr als 1.500 Kopf Auswirkungen jeder Saison. 2, 3 Während die Größe der meisten Auswirkungen kann Unter erschütternder sein, um die Anhäufung dieser Auswirkungen führen können neurodegenerative Erkrankung bekannt als chronische traumatische Enzephalopathie (CTE) langfristigen Hirnschäden aufgrund eines Aufpralls ausgelöst. 4CTE wird im Gehirn zu einer Anhäufung von Tau-Protein verknüpft, um Gedächtnisverlust führen, das Verhalten und Persönlichkeitsänderung, Parkinson-Syndrom und Sprach- und Gangstörungen, die manchmal zum Selbstmord geführt hat. 5 Football – Helme haben einige technologische Fortschritte in den letzten 15 Jahren gemacht, aber auch der derzeit modernsten Helme nicht vollständig alle auftreffenden Kräfte auf den Helm zu mildern und damit Athleten noch Erschütterungen entstehen. Eine Studie von Bartsch et al. 6 zeigte , dass in vielen Fällen die Kopfaufprall Dosen und Kopfverletzung Risiken während Jahrgang Leather tragen Helme mit denen vergleichbar waren , die weit verbreitet 21. Jahrhunderts Tragen von Schutzhelmen ist , welche die Notwendigkeit einer Verbesserung der Konstruktions- und Teststandards von Fußball – Helme. Insbesondere 7 die NOCSAE Zertifizierung erfordert nicht den Gesichtsschutz in der Fallprüfung für den Helm aufgenommen werden. Die zusätzliche Steifigkeit ter Gesichtsschutz mit dem Helm verbunden dramatisch die allgemeine mechanische Reaktion ändern würde. Die vorliegende Studie beinhaltet ein Verfahren robuster Helm Sicherheitsstandards zu schaffen, die als treibende Kraft dienen würde sicherer Helm-Designs zu fördern.
Hintergrund
Head Injury Metrics
Die genauen biologischen Mechanismen im Zusammenhang mit Gehirnerschütterungen bleiben unerkannt. Während viel Arbeit bei dem Versuch, zu Kopfverletzungen Toleranzen durch verschiedene Verletzungen Metriken quantifizieren, Uneinigkeit in der biomedizinischen Gemeinschaft in Bezug auf diese Kriterien entstanden ist getan worden. Diese Verletzungsmechanismen sollen mehrere Einheiten zu beziehen: lineare Beschleunigung, Drehbeschleunigung, Schlagdauer und Impuls. 8, 9, 10, 11 Mehrere Verletzungskriterien verwendet wurden , eine Gehirnerschütterung als Maß für die lineare Beschleunigung zu definieren. Die Wayne State Toleranzkurve (WSTC) <sup class = "Xref"> 12, 13, 14 wurde bei einem Frontalaufprall zur Vorhersage Schädelbruch für Automobil – Abstürze entwickelt , indem eine Schwellenkurve Grenze für lineare Beschleunigung gegenüber Stoßdauer zu definieren. WSTC hat als Basis für andere Verletzungskriterien wie der Severity Index (SI) 11 bedient und das Head Injury Criterion (HIC), 15 davon sind die beiden am häufigsten verwendeten Kriterien. Die SI und HIC sowohl Maßnahme Aufprallschwere auf dem gewichteten Integrale der linearen Beschleunigung-Zeit-Profile basieren. Während diese Kriterien Schwellenwerte für die lineare Beschleunigung zu definieren, haben andere Kriterien für Drehbeschleunigung, wie der Leiter Schlagkraftindex zu berücksichtigen vorgeschlagen. 8, 10, 16 Helm Prüfnormen Heute verwenden oft ein Verletzungskriterium auf die Wayne State basiertlerance Curve (nämlich HIC oder SI) oder die Spitzenbeschleunigung Kriterium oder in einigen Fällen beide. Während einige Änderungen erforderlich sind Winkelbeschleunigung zu den Standard-Leistungskriterien hinzuzufügen bleiben, die lineare Beschleunigung basierten Kriterien dominant.
In dieser Studie verwendet, die Metriken die relative Sicherheit zu bewerten, die jeweils die Spitzen helmet resultierenden Beschleunigungen, SI waren und HIC-Werte. Von diesen Metriken nur die SI zur Auswertung in der aktuellen Nationalen Operating Committee über Normen für Sportgeräte (NOCSAE) Football-Helm Standards verwendet. Der SI wird auf der Grundlage der folgenden Gleichung,
(1)
wobei A die translationale Beschleunigung des Center of Gravity (CG) des Kopfes, und t die Beschleunigungsdauer. 11, 17 SI wurde nach t berechneto NOCSAE Standards 18, wobei die Berechnung durch eine 4 G Schwelle entlang der resultierende Beschleunigungskurve begrenzt ist. Die HIC-Werte wurden durch die folgende Gleichung berechnet,
(2)
wobei a die Translationsbeschleunigung des CG des Kopfes, und t 1 und t 2 sind die Anfangs- und Endzeiten bzw. des Intervalls , bei dem HIC einen Maximalwert erreicht. Alle HIC – Werte in dieser Studie waren HIC berechnet 36, wobei die Dauer des Zeitintervalls auf 36 ms begrenzt ist.
NOCSAE Football-Helm-Test-Standards
NOCSAE Übersicht
Im Jahr 1969 wurde NOCSAE gebildet Leistungsstandards für die amerikanischen Football-Helme / faceguards und andere Sportgeräte mit dem Ziel der Verringerung der Sportverletzungen zu entwickeln. 17 Die NOCSAE Football – Helm – Standards wurden von Dr. Voigt Hodgson 9 von der Wayne State University entwickelt , um Kopfverletzungen zu reduzieren , indem Anforderungen für Schlagdämpfung und die strukturelle Integrität für Fußball – Helme / faceguards etablieren. Diese Football-Helm-Standards gehören ein Zertifizierungstest und jährliche Neuzertifizierung Verfahren für Helme. Im Jahr 2015 umgesetzt NOCSAE ein Qualitätssicherungsprogramm, die die Verwendung eines bestimmten American National Standards Institute (ANSI) akkreditierte Stelle für Helm-Zertifizierung.
NOCSAE Testmethode
Der NOCSAE Football-Helm-Norm gilt nicht für die Prüfung von Helmen mit faceguards, wie es für ihre Entfernung ruft vor Helm Tropfen durchgeführt werden. Die NOCSAE Helm Prüfnormen 17 eine Doppeldraht – Drop Impaktor verwenden , die auf Schwerkraft beruht , um die Kopfform und der Helm – Kombination auf die erforderlichen Aufprallgeschwindigkeiten zu beschleunigen. Die NOCSAE Kopfform ist instrumentiert with Triaxialaufnehmern im Zentrum der Schwerkraft. Die Kopfform und Helm-Kombination fallen gelassen wird dann mit bestimmten Geschwindigkeiten auf einen Amboss Stahl mit einer mm dicken Hartgummi Modular Elastomer Programmer (MEP) Pad 12.7 abgedeckt. Beim Aufprall wird die momentane Beschleunigung erfasst und SI-Werte berechnet werden. Diese SI-Werte sind im Vergleich gegen einen Pass / Fail-Kriterium über eine Vielzahl von erforderlichen Auftreffstellen und Geschwindigkeiten und zwei Temperaturen, einschließlich Umgebungs und Hochtemperaturauswirkungen. Wenn der resultierende SI-Wert für jede Auswirkung die Schwelle überschreitet, dann wird der Helm den Test nicht bestanden.
Ein separater Standard-Testverfahren ist für den Fußball-Zertifizierung verwendet Gesichtsschutz. Die NOCSAE Fußball Gesichtsschutz-Standard enthält die strukturelle Integrität Analyse sowie die Auswirkungen Dämpfungsleistung des Gesichtsschutz, Kinnriemen Beurteilung und ihre Befestigungssysteme. Jede Wirkungsmessung muss unter 1200 SI sein, den Test zu bestehen, ohne Gesichtskontakt und ohne michmechanischen Ausfall einer Komponente, wie sie in der NOCSAE Standard definiert. 19
Es gibt einen vorgeschlagenen zusätzlichen NOCSAE Test (Linear Impactor (LI)) 20, die den Helm mit dem Gesichtsschutz beinhaltet, aber es ist für Football – Helm – Zertifizierung nicht geeignet , da es keine Krone Auswirkungen zulassen kann. Der LI verwendet eine pneumatische Ramme einen Helm auf einem NOCSAE Kopfform ausgestattet mit einem Hybrid III Dummy-Hals montiert auf einem Linearlager Tabelle zu induzieren, um Winkelbeschleunigung positioniert auswirken. Aus diesem Grund ist der LI-Test ein zusätzlicher Test auf den aktuellen NOCSAE Drop-Testverfahren zweiadrigen und kein Ersatz. 20, 21 Anstelle der LI – Tests schlagen wir einfach zwei weitere Szenarien zur aktuellen zweiadrigen Drop Testverfahren hinzuzufügen.
Der NOCSAE Standardtestverfahren für die Zertifizierung von Football-Helme umfasst derzeit sechs vorgeschriebenen Auswirkungen locagen und eine zufällige Trefferlageneinstelleinheit. Die vorgeschriebenen Auftreffstellen gehören die folgenden: Front (F), Vorder Boss (FB), Side (S), Rück (R), Rück Boss (RB) und Top (T). Die Zufalls Auftreffstelle Test kann einen Bereich von einem beliebigen Punkt innerhalb des festgelegten akzeptablen Einwirkungsbereich des Helms aus. Die Auswirkungen Standorte für unsere modifizierte NOCSAE Fallturm Tests umfassen die zuvor definierten Front-und Front-Boss Auftreffstellen ersetzen mit dem, was als Front-Top (FT) und Front-Top Boss (FTB) Auftreffstellen genannt wurde. Unsere Front-Top und Front-Top Boss Auftreffstellen sind identisch mit den vorderen und rechten Vorder Boss Auftreffstellen des NOCSAE Standard für Lacrosse Helme, die auch den Gesichtsschutz für Falltests umfassen. 22 Die Helmschale Auswirkungen, darunter das ersetzt Vorderseite und Vorderseite Boss Standorte sind in Abbildung 1 dargestellt. Darüber hinaus enthält der modifizierte Helm Testmethode unserer vorliegenden Untersuchung zwei Gesichtsschutz impact Stellen, die die FG vorne und FG Bottom genannt wurden. Die beiden Gesichtsschutz Auswirkungen Standorte sind identisch mit den erforderlichen Auftreffstellen für die aktuellen Zertifizierungsverfahren NOCSAE Gesichtsschutz. Die acht Auftreffstellen für die modifizierten NOCSAE Schlagtests der vorliegenden Studie sind in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 1: Ungefähre Auftreffstellen für Fußball – Helme. Die sechs erforderliche Zeit NOCSAE Falltest Helm Auftreffstellen, Front (F), Vorder Boss (FB), Side (S), Top (T), Hinten (R) und Rear Boss (RB), und die beiden vorgeschlagenen Auftreffstellen , Frontdeckel (FT) und Frontdeckel Boss (FTB). Hinweis: Die NOCSAE Standardtestverfahren für Kopfschutz nicht enthalten vorne Top und Front-Top Boss Auftreffstellen (in roter Schrift angegeben) und für diese Studie die sie ersetzen die Front und die Front-Boss Auftreffstellen. (Bild von NOCSAE DOC modifiziert. 001-13m15b) <ahref = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg" target = "_ blank"> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2: NOCSAE Drop Testaufbau zeigt acht Auftreffstellen modifiziert. Frontdeckel, vorne Top Boss, Side, Gesichtsschutz (FG) vorne, hinten, Rück Boss, Oben und Unten Gesichtsschutz (FB). Hinweis: Die NOCSAE Norm enthält keine Gesichtsschutz Befestigung und hier vorne oben und vorne Top Boss ersetzt die Standard vorne und vorne Boss Auftreffstellen. (Bild geändert von NOCSAE DOC. 002-11m12) Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Helm-Designs haben schrittweise in den letzten zehn Jahren verändert, während die NOCSAE Football-Helm-Standards haben nie den Gesichtsschutz mit dem h inbegriffenElmet die Football-Helm Leistungsspezifikationen bei der Bewertung. Während vor kurzem eine Änderung gemacht wurde für die niedrigste Geschwindigkeit Auswirkungen (3,46 m / s), die allgemeine Pass / Fail – Grenzwert von 1200 SI hat sich nicht geändert seit 1997. 17 Vor 1997 ein Pass / Fail – Wert von 300 SI enthalten die NOCSAE verwendet, um ein 1500 SI Kriterium bestanden / nicht bestanden. Hodgson et al. (1970) hat gezeigt, dass SI-Werte von mehr als 1000 ist eine Gefahr für das Leben, während SI-Werte von 540 produziert haben lineare Schädelbrüche in nicht-behelmten cadaveric Schlagtests. 23 Die meisten modernen Fußball – Helme haben deutlich unter dem 1200 SI Grenze passieren gezeigt , aber nicht alle unter 540 SI.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der gemeldete Methodik, die Paare Football-Helm und Gesichtsschutz Tropfenaufpralltests NOCSAE bietet eine einzigartige Technik eine bessere Leistungseigenschaften der modernen Fußball-Helme zu beurteilen. Die wichtigsten Schritte für die Bewertung dieses bessere Leistungscharakteristik des modernen Fußballs Helme sind die folgenden: 1) richtig die mechanische Testgerät zu schaffen; 2) genau die Durchführung Kalibrierverfahren; und 3) richtig Anbringen der Helm / Gesichtsschutz an die Kopfkalotte.
<p class="jov…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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