Un banc d’essai à examiner l’ajustement du casque et de conservation et de mesures biomécaniques de la tête et des lésions à la nuque en effet simulé

Summary

Utilisant un anthropométriques tête et du cou, ajustement axées sur la fibre optique active de transducteurs, tableau d’accélération de la tête et des capteurs de force/moment de cou et une double haute vitesse système de caméra, nous présentons un banc d’essai pour étudier la rétention de casque et les effets sur la biomécanique mesures de la tête et du cou des blessures secondaires au choc de la tête.

Abstract

La sagesse conventionnelle et la langue dans les normes de test et de certification internationale casque suggèrent que casque approprié et rétention en cas de choc sont des facteurs importants pour protéger le porteur de casque de lésion induite par l’impact. Ce manuscrit a pour but d’étudier les mécanismes de la lésion induite par l’impact dans des scénarios différents casque fit grâce à l’analyse des impacts casqués simulés avec un dispositif de test anthropométriques (ATD), un ensemble de transducteurs accélération fausse tête et le cou de force / transducteurs de moment, un système de caméra double haute vitesse et des capteurs de force à casque-fit développés dans notre groupe de recherche basé sur les réseaux de Bragg à fibres optiques. Pour simuler les impacts, une fausse tête instrumenté et cou flexible tombent le long d’un rail de guidage linéaire sur une enclume. Le banc d’essai permet la simulation de choc de la tête à des vitesses jusqu’à 8,3 m/s, sur les surfaces d’impact qui sont plates et inclinées. La fausse tête est dotée d’un casque et plusieurs scénarios d’ajustement peuvent être simulés par des ajustements spécifiques de contexte à l’index de position de casque et/ou de la taille du casque. Afin de quantifier la rétention de casque, le mouvement du casque sur la tête est quantifié à l’aide d’analyse post-hoc de l’image. Afin de quantifier la tête et du cou des blessures potentielles, biomécaniques mesures fondées sur la fausse tête accélération et cou force/moment sont mesurés. Ces mesures biomécaniques, par comparaison avec les courbes de la tolérance humaine établie, peuvent estimer le risque de lésions cérébrales diffuses doux et/ou de grave potentiellement mortelles et blessures de cou d’osteoligamentous. À notre connaissance, le banc d’essai présenté est le premier développé spécifiquement pour évaluer les effets biomécaniques sur blessure de tête et du cou par rapport au casque s’adapter et de rétention.

Introduction

Plus les preuves épidémiologiques suggèrent casques de vélo protègent contre les blessures à la tête pour les cyclistes de tous âges¹. La littérature biomécanique présente le thème cohérent qui soutient de la tête casquée relativement moins graves blessures de tête/cerveau secondaires à l’impact, par rapport à la non protégés de tête (non casqué)². Certaines recherches suggèrent que casque pauvre fit est associée à un risque accru de blessure à la tête³, ce qui implique que les casques sont plus efficaces quand s’adapte correctement. Selon les critères utilisés pour définir le casque bon ajustement, incorrecte port du casque s’est avéré pour être aussi haut que 64 % chez les cyclistes casqués³. Malgré des preuves épidémiologiques suggérant que casque s’adapter est pertinent dans la gravité ou la probabilité de blessure à la tête lors d’un choc, il y a un minimum de travail expérimental évaluant dans un cadre de laboratoire contrôlées ou non correcte casque monter ou rétention de casque a un effet significatif sur les mesures biomécaniques des blessures. L’un lié étude examine l’effet de taille de casque de moto lors des impacts casqués simulée avec un modèle éléments finis⁴. Un autre apparenté étude examine l’effet du dimensionnement de casque pendant des effets expérimentaux⁵ lors de l’utilisation de film sensible de la pression de quantifier les forces fit en casques de football. L’effet des systèmes de rétention dans les impacts de casque de vélo et moto ont été étudiés^6,7, mais aussi un scénario fit vers l’arrière pour préadolescents⁶.

Notre travail propose méthodes pour étudier l’effet de casque de vélo monter sur le risque de blessures avec les capteurs de force casque monter, simulé une anthropométrique tête et cou, et des caméras stéréoscopiques à grande vitesse, les impacts. Les objectifs de nos méthodes proposées sont à ajustement de quantifier et d’évaluer le risque de blessures dans des scénarios différents impacts réalistes. Contrairement aux procédés associés, notre travail explore casque de cycliste en forme, où le port du casque approprié est varié. Semblables aux précédentes méthodes, tête cinématique sont déterminés ; Cependant, chargement du cou et des déplacements de la tête-casque sont aussi évalués. Bien que l’épidémiologie des blessures au cou dans le cyclisme suggère que les blessures au cou sont rares, ils ont tendance à être associées plus graves répercussions tête et hospitalisation^8,9. Les preuves sont contrastées sur si oui ou non port du casque réduit les taux de cou blessure⁸ et aucune des études épidémiologiques citées quantifier les aspects du casque s’adapter. Considérant le fait que les lésions à la nuque dans le cyclisme a tendance à être associées à des accidents plus graves et ce casque s’adapter n’a pas été examinée en épidémiologie des blessures cou, méthodes pour l’examen des blessures de la tête et du cou sont précieux dans la recherche en biomécanique. Ces méthodes expérimentales pourraient servir à des études biomécaniques qui viennent compléter les études épidémiologiques qui ne peuvent au total cas pour casque s’adapter ou la gravité de l’impact.

Dans notre travail, on a élaboré une nouvelle méthode de surveillance des mouvements relatifs entre la tête et le casque lors de l’impact. La capacité de suivre ou non le casque se déplace sur la tête peut donner un aperçu précieux dans la stabilité du casque et l’exposition de la tête non protégée des blessures lors de l’impact. Dans une étude sur le casque s’adapter, stabilité du casque et l’exposition tête sont particulièrement utiles pour évaluer les performances du casque. Contrairement aux travaux connexes, impact différent et fit scénarios mettant l’accent sur divers casque positionnement seront également testés.

Actuellement, bon casque s’adapter est subjective et non spécifique défini. Généralement, bon casque fit se caractérise par la stabilité et la position. Le casque doit être résistant au mouvement une fois fixé sur la tête et doit être positionné telle que les sourcils ne sont pas couverts et le front n’est pas trop exposé. En outre, environ un doigt largeur de l’espace doit s’insérer entre le menton et jugulaire³. Mesures de quantification casque monter ne sont pas répandus ; autres que de force, méthodes peuvent comparer casque ajustement fondé sur la comparaison de géométrie de la tête et le casque. Une de ces méthodes est l’indice de forme casque proposé par Ellena et al. ¹⁰. notre méthode proposée pour quantifier l’ajustement du casque, capteurs de force fit, crée un moyen objectif de comparer les scénarios différents casque monter sous forme de moyenne et écart-type des forces exercées sur la tête. Ces fit forcer les valeurs représentent l’étanchéité d’un casque, ainsi que la variation de l’étanchéité expérimentés sur la tête. Ces capteurs fournissent une comparaison quantifiée des forces qui peuvent être faites entre les différents scénarios d’ajustement. Un casque hermétique sécurisée montrerait des forces plus élevées alors qu’un casque lâche montrerait des forces inférieures. Cette méthode de mesure de force fit est similaire à l’indice moyen d’ajustement proposé par Jadischke⁵. Cependant, les méthodes de Jadischke utilisent film sensible de la pression. Les capteurs optiques, que nous présentons enrégistrer discrète force fit autour de la tête ou le casque.

Pour la certification des casques, un casque est fixé sur une fausse tête instrumentée, qui est alors déclenché à une certaine hauteur pour être supprimé. La tête et le casque est ensuite soumis à une chute en chute libre dans un piton lors de l’enregistrement des accélérations linéaires. Bien qu’il n’est généralement pas utilisé dans les normes de l’industrie de casque, une Assemblée de cou et de tête Hybrid III (factice) ont été utilisées dans ce travail, avec une tour de chute guidées pour simuler les impacts. Contrairement à des normes qui utilisent généralement la cinématique linéaire, la matrice d’accéléromètre fausse tête autorise également la détermination de la cinématique de rotation, un paramètre clé pour prédire le risque de traumatismes crâniens diffus, dont¹¹ de la commotion cérébrale . Par mesure d’accélération linéaire et de rotation accélération et vitesse, estimations de graves traumatismes crâniens focales et diffuses peuvent être faites en comparant des cinématique à plusieurs méthodes d’évaluation proposé blessure axée sur la cinématique dans la littérature ^{12 , 13}. alors que la fausse tête a été initialement développée pour un essai de collision automobile, son utilisation dans l’évaluation du casque et l’estimation du risque de blessure à la tête casquée impact est bien documenté^2,14. L’installation de simulation d’impact comprend également un peson de cou supérieur, permettant ainsi les forces et moments liés à la blessure au cou doivent être mesurés. Risque de blessure de cou peut alors être estimé en comparant la cinétique du cou aux données d’évaluation des blessures de dommage automobile données^12,13.

Une méthode de suivi de mouvement de casque par rapport à la tête lors de l’impact avec la vidéo à haute vitesse est également proposée. Actuellement, aucune des méthodes quantitatives n’existent pour évaluer la stabilité du casque lors de l’impact. La norme de casque de vélo¹⁵ Consumer Product Safety Commission (CPSC) réclame un test de stabilité positionnel, mais n’est pas représentative d’un impact. En outre, si le casque se détache la fausse tête est le seul résultat mesuré par le test. Quel que soit l’exposition de la tête à l’injure, un casque peut néanmoins passer aussi longtemps qu’il reste sur la fausse tête lors des essais. La méthode proposée de suivre le mouvement du casque est semblable au casque Position Index (HPI)¹⁵ et mesure la distance entre le bord du casque et le front. Ce déplacement de la tête-casque est suivi à l’aide des séquences vidéo à grande vitesse tout au long d’un impact afin d’obtenir une représentation sous forme d’exposition de stabilité et de la tête de casque lors de l’impact. À l’aide de transformation linéaire directe (DLT)¹⁶ et les méthodes de décomposition de valeur unique (SVD)¹⁷ , marqueurs sont suivies de deux caméraspour déterminer l’emplacement de point dans un espace tridimensionnel, puis le déplacement relatif entre le casque et la tête.

Plusieurs paramètres de gravité et fit impact sont étudiés. Les scénarios d’impact comprennent deux vitesses d’impact, deux ayant une incidence sur les surfaces de l’enclume et effets torse et unième tant la tête la première. Outre une surface enclume plat typique, une incidence oblique enclume est aussi simulée pour induire une composante de la force tangentielle. Un impact de torse et unième, par opposition à un impact de la tête la première, est inclus afin de simuler un scénario dans lequel épaule un coureur impact sur le sol avant de la tête, de même effectuée dans précédents travaux¹⁸. Enfin, ces scénarios quatre casque s’adapter sont étudiées : un ajustement régulier, un ajustement surdimensionné, un ajustement vers l’avant et un ajustement vers l’arrière. Contrairement aux travaux précédents, positionnement de casque sur la tête est un paramètre étudié, ainsi que le casque fit et le dimensionnement de casque.

Protocol

1. casque Fit scénarios Arrangement définir monter des scénarios à étudier sur une tête du dispositif d’essai anthropométriques et le cou (Hybrid III 50e centile) avec un tour de tête de 575 mm. NOTE : Un exemple de quatre scénarios d’ajustement est présenté dans le tableau 1 avec positions casque correspondant à la Figure 1. Les scénarios d’ajustement avant et arrière étaient fondés sur des définitions d’utilisation casque correc…

Representative Results

Mesure de Force fitPour chaque scénario, fit force mesure a été réalisée à chaque emplacement du capteur (Figure 12) et un t-test, les variances inégales, a été réalisé pour déterminer l’importance (p < 0,05). L’écart moyen dans l’ensemble de toutes les mesures est ± 0,14 forces fit N. supérieur indiquent un ajustement plus serré. Cinématique d…

Discussion

Ici, les méthodes d’instruction casque rentre dans “tête casquée magnétique” impacts sont présentés. Ajustement de casque a été quantifiée avec capteurs de force fit, impacts ont été simulés avec un ATD fausse tête et le cou sur une tour de chute guidée et mouvement de casque a été repérée avec la vidéo à haute vitesse. Impact différent scénarios ont été simulés sous différents scénarios apte à étudier les effets des mesures biomécaniques du casque s’adapter.

…

Materials

Hybrid III Headform	Humanetics/Jasti-Utama	N/A	50th Percentile ATD, for impact simulation
Hybrid III Neck	Humanetics/Jasti-Utama	N/A	50th Percentile ATD, for impact simulation
Linear Accelerometers	Measurement Specialties	64C-2000-360	for head acceleration measurement
Upper Neck Load Cell	mg Sensor	N6ALB11A	for neck load measurement
High Speed Camera	Vision Research	v611	for motion capture
Camera Lens	Carl Zeiss	N/A	50 mm f1/.4, for motion capture
Camera Lens	Carl Zeiss	N/A	100 mm f/2.0, for motion capture
Bicycle Helmet	Bell	N/A	Traverse
Data Acquisition System	National Instruments	PXI 6251	for Hybrid III signal acquisition
Head Impact Drop Tower	University of Alberta	N/A	Custom-designed, for impact simulation
Optical Interrogator	Smart Fibres Ltd.	N/A	SmartScan, for optical sensor force measurement
Fit Force Sensor	University of Alberta	N/A	Custom-designed, for measuring helmet fit forces