Un banco di prova per esaminare la calzata del casco e conservazione e misure biomeccaniche della testa e lesioni al collo nei impatto simulato

Summary

Utilizzando un antropometriche testa e del collo, vestibilità basati su fibra ottica forza trasduttori, una matrice di accelerazione della testa e collo forza/momento trasduttori, e una doppia ad alta velocità sistema di telecamere, vi presentiamo un banco di prova per lo studio di ritenzione del casco ed effetti sulla biomeccanica misure della testa e del collo ferita secondaria all’urto della testa.

Abstract

La saggezza e la lingua negli standard di test e certificazione internazionale casco suggeriscono che casco appropriato in forma e ritenzione durante un impatto sono fattori importanti per proteggere chi lo indossa casco da lesione indotta da impatto. Questo manoscritto ha lo scopo di studiare i meccanismi di lesione indotta da impatto in scenari diversi casco misura attraverso l’analisi degli impatti elmati simulati con un dispositivo di test antropometrici (ATD), matrice di trasduttori di accelerazione della testa e del collo forza / trasduttori del momento, un sistema di telecamere ad alta velocità dual e sensori di forza di calzata del casco sviluppati nel nostro gruppo di ricerca basato su reticoli di Bragg in fibra ottica. Per simulare gli effetti, un simulacro di testa instrumentata e collo flessibile cadere lungo un binario di guida lineare su un incudine. Il banco di prova permette la simulazione di urto della testa a velocità fino a 8,3 m/s, su superfici di impatto che sono sia lineare che angolare. Il simulacro è adatto con un casco e diversi scenari di forma possono essere simulati dal contesto specifico adeguamenti all’indice di posizione del casco e/o la taglia del casco. Per quantificare la ritenzione del casco, il movimento del casco sulla testa è quantificato mediante analisi post-hoc immagine. Per quantificare il collo e la testa ferita potenziale, biomeccaniche misure basate sulla forza/momento accelerazione e collo della testa sono misurate. Queste misure biomeccaniche, attraverso il confronto con le curve di tolleranza umana stabilita, possono stimare il rischio di pericolo di vita severa e/o lieve cerebrale diffusa e osteoligamentose lesioni del collo. A nostra conoscenza, il banco di prova presentato è il primo sviluppato specificamente per valutare effetti biomeccanici sulla lesione testa e del collo rispetto al casco adatta e ritenzione.

Introduction

L’evidenza epidemiologica suggerisce caschi da bicicletta forniscono protezione contro le lesioni alla testa per i ciclisti di tutte le età¹. La letteratura biomeccanica presenta il tema costante che sostiene la testa elmata relativamente meno gravi lesioni testa/cervello secondarie ad un impatto, rispetto la testa (ONU-numida) non protetto². Alcune ricerche suggeriscono che calzata del casco povero è associata con un aumentato rischio di lesione alla testa³, implicando che i caschi sono più efficaci quando si inseriscono correttamente. A seconda dei criteri utilizzati per definire la calzata del casco buono, uso non corretto del casco è stato trovato per essere alto come 64% tra i ciclisti elmata³. Nonostante l’evidenza epidemiologica suggerendo quel casco adatta è rilevante nella gravità o la probabilità di lesione alla testa in caso di urto, c’è un lavoro sperimentale minimo valutare in un ambiente di laboratorio controllato o meno in forma corretta casco o ritenzione del casco ha un effetto significativo sulle misure biomeccaniche della ferita. Uno relativo studio studia l’effetto di ridimensionamento casco moto durante gli impatti di elmata simulato con un modello agli elementi finiti di⁴. Un altro relativo studio studia l’effetto di ridimensionamento casco durante gli impatti sperimentale⁵ mentre si utilizza pellicola sensibile alla pressione per quantificare le forze fit in caschi da football. L’effetto dei sistemi di ritenzione in impatti casco moto e biciclette sono state indagate^6,7, come pure uno scenario adatto all’indietro per preadolescenti⁶.

Il nostro lavoro propone metodi per studiare l’effetto del casco da bicicletta adatta sul rischio di lesioni con casco montare sensori di forza, simulate impatti con un antropometrica testa e collo e telecamere stereoscopiche ad alta velocità. Gli obiettivi dei nostri metodi proposti sono a misura di quantificare e valutare il rischio di lesioni in scenari di diverso impatto realistico. Contrariamente ai metodi correlati, il nostro lavoro indaga casco da bicicletta adatta, dove l’uso corretto del casco è vario. Metodi simili al precedente, testa cinematica sono determinati; Tuttavia, carico di collo e testa-casco spostamenti sono anche quantificati. Anche se l’epidemiologia delle lesioni al collo nel ciclismo suggerisce che le lesioni del collo sono rare, essi tendono ad essere associato a più gravi impatti testa e ospedalizzazione^8,9. La prova è mista su o meno l’uso del casco riduce i tassi di collo lesioni⁸ e nessuno degli studi epidemiologici citati quantificare gli aspetti del casco in forma. Considerando il fatto che lesioni al collo nel ciclismo tende ad essere associato con gli incidenti più gravi e quel casco in forma non è stata esaminata in epidemiologia di lesioni del collo, metodi per l’esame di lesioni del collo e della testa sono preziosi nella ricerca biomeccanica. Tali metodi sperimentali potrebbero essere utilizzati in studi biomeccanici che completano gli studi epidemiologici che non in tutti i comandi di casi di gravità di impatto o casco adatta.

Nel nostro lavoro, è stato sviluppato un nuovo metodo di monitoraggio movimenti relativi tra la testa e casco durante l’impatto. La possibilità di monitorare indipendentemente dal fatto che il casco si muove sulla testa può dare informazioni preziose in casco stabilità sia l’esposizione della testa non protetta alla ferita durante l’impatto. In uno studio che studia in forma di casco, casco stabilità e l’esposizione di testa sono particolarmente preziosi nella valutazione delle prestazioni del casco. A differenza di lavoro correlati, diverso impatto e vestibilità scenari sottolineando vario casco posizionamento saranno anche testati.

Attualmente, casco corretto fit è soggettivo e non specifico definito. In generale, buon casco adatta è caratterizzato da stabilità e posizione. Il casco deve essere resistente al movimento una volta fissato sulla testa e deve essere posizionato in modo tale che non sono coperte le sopracciglia e la fronte non è eccessivamente esposto. Inoltre, circa un dito larghezza dello spazio dovrebbe inserirsi tra il mento e sottogola³. Misure di casco quantificare in forma non sono diffusi; diverso da forza, metodi possono confrontare la calzata del casco basato sul confronto fra geometria testa e casco. Uno di questi metodi è l’indice di misura di casco proposto da Ellena et al. ¹⁰. il nostro metodo proposto per quantificare la calzata del casco, sensori di forza forma, crea un mezzo oggettivo per confrontare scenari diversi casco adatta in forma di media e deviazione standard delle forze esercitate sulla testa. Questi misura forza valori rappresentano la tenuta di un casco, così come la variazione di tenuta esperti sulla testa. Questi sensori forniscono un confronto quantificato di forze che può essere fatta tra diversi scenari fit. Un casco sicuro aderente mostrerebbe una maggiore forza mentre un casco sciolto mostrerebbe forze inferiori. Questo metodo di misurazione della forza fit è simile all’indice di misura medio proposto da Jadischke⁵. Tuttavia, i metodi di Jadischke utilizzano pellicola sensibile alla pressione. I sensori ottici che presentiamo consentono discreto misura della forma forza intorno alla testa o casco.

Per la certificazione di caschi, un casco è fissato su un simulacro di testa strumentato, che viene quindi generato ad una certa altezza che si desidera eliminare. La testa e il casco è quindi soggetto a una goccia di caduta libera su un’incudine durante la registrazione di accelerazioni lineari. Anche se in genere non viene utilizzato in standard di settore del casco, un testa Hybrid III (della testa) e un collo assembly sono stati utilizzati in questo lavoro, con una torre di caduta guidate per simulare impatti. In contrasto con norme che in genere utilizzano cinematica lineare, la matrice di accelerometro della testa consente inoltre la determinazione della cinematica rotazionale, un parametro fondamentale nel predire la probabilità di lesioni di cervello diffusa, tra cui concussione¹¹ . Attraverso misura di accelerazione lineare e rotazionale accelerazione e velocità, le stime della lesione alla testa severa focale e diffusa possono essere fatta confrontando cinematica per i diversi metodi di valutazione proposte basate su cinematica ferita nella letteratura ^{12 , 13}. mentre il simulacro di testa è stato originariamente sviluppato per il automobilistico crash test, il suo uso in casco valutazione e stima del rischio di lesione alla testa elmata impatto è ben documentato^2,14. Il setup di simulazione di impatto include anche una cella di carico superiore del collo, permettendo che le forze e momenti legati con lesioni al collo da misurare. Rischio di lesioni del collo quindi può essere stimata confrontando la cinetica di collo dati di valutazione di lesioni da infortunio automobilistico dati^12,13.

Inoltre viene proposto un metodo di rilevamento movimento casco riguardante la testa durante l’impatto con video ad alta velocità. Attualmente, nessun metodi quantitativi esistenti per valutare la stabilità del casco durante l’impatto. Il consumatore prodotto Safety Commission (CPSC)¹⁵ Biciclette casco standard chiede una prova di stabilità posizionale, ma non è rappresentativo di un impatto. Inoltre, se o non il casco si stacca il simulacro di testa è l’unico risultato misurato dal test. Indipendentemente dall’esposizione della testa alla ferita, un casco può ancora passare finché rimane il simulacro di testa durante le prove. Il metodo proposto di tracciamento del movimento del casco è simile al casco posizione Index (HPI)¹⁵ e misura la distanza tra il bordo di un casco e la fronte. Questo spostamento di testa-casco viene rilevato utilizzando riprese video ad alta velocità in tutto un impatto al fine di ottenere una rappresentazione dell’esposizione di stabilità e testa di casco durante l’impatto. Utilizzando la trasformazione lineare diretta (DLT)¹⁶ e metodi di decomposizione di valore singolo (SVD)¹⁷ , marcatori vengono rilevati da due telecamereper determinare le posizioni dei punti nello spazio tridimensionale e quindi lo spostamento relativo tra casco e testa.

Diversi parametri di severità e vestibilità di impatto sono indagati. Gli scenari di impatto includono due velocità di impatto, due sulle superfici incudine e impatti sia primo tronco e testa prima. Oltre a una superficie di incudine piana tipica, un impatto angolato incudine è anche simulato per indurre una componente di forza tangenziale. Un torso-primo impatto, al contrario di un impatto di testa prima, è incluso per simulare uno scenario in cui spalla di un pilota urta il terreno prima della testa, allo stesso modo eseguita nel precedente lavoro¹⁸. Infine, questi scenari di quattro casco misura vengono indagati: una vestibilità regolare, una vestibilità oversize, una vestibilità in avanti e una vestibilità con le versioni precedenti. A differenza dei precedenti lavori, casco posizionamento sulla testa è un parametro indagato, così come calzata del casco e dimensionamento del casco.

Protocol

1. casco Fit scenari accordo in forma definire scenari da studiare su un test antropometrici dispositivo testa e del collo (uomo, Hybrid III 50 ° percentile) con una circonferenza cranica di 575 mm. Nota: Nella tabella 1 è riportato un esempio di quattro scenari fit con posizioni casco corrispondente alla Figura 1. Gli scenari di forma avanti e indietro sono stati basati sulle definizioni corrette di uso del casco da precedenti studi epidemiologici, che …

Representative Results

Misura della forza fitPer ciascuno scenario, misura forza misura è stata realizzata in ogni posizione del sensore (Figura 12) e un t-test, assumendo varianze, è stato effettuato per determinare il significato (p < 0.05). La deviazione standard media attraverso tutte le misurazioni era ± 0,14 forze fit N. superiore indicano una misura più stretta. Cinematica di te…

Discussion

Qui, metodi per inquirente casco forma in testa elmata simulato gli impatti sono presentati. Casco adatta è stata quantificata con sensori di misura di forza, gli impatti sono stati simulati con un ATD della testa e del collo su una torre di caduta guidate e movimento del casco è stato registrato con video ad alta velocità. Scenari di impatto differenti sono stati simulati sotto forma diversi scenari per studiare gli effetti sulle misure biomeccaniche del casco in forma.

Il casco in forma i…

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