테스트 침대 헬멧 적합 및 보존 및 머리와 목 부상 시뮬레이션된 영향의 Biomechanical 측정 검사

Summary

인체 머리와 목에 사용 하 여, 광섬유 기반 맞춤 트랜스듀서, 머리 가속 및 목 힘/순간 트랜스듀서, 배열 하 고 듀얼 높은 속도 카메라 시스템, 우리가 제시 헬멧 보존에 biomechanical 효과 공부 하 고 테스트 베드 머리와 목 상해 보조 머리 영향의 측정 한다.

Abstract

전통적인 지혜와 국제 헬멧 테스트 및 인증 표준에서 언어 것이 좋습니다 적절 한 헬멧에 맞는 영향 동안 보존 영향 이용한 부상에서 헬멧 착용을 보호에 중요 한 요소입니다. 이 원고는 인체 시험 장치 (ATD) headform 가속 변환기의 배열 시뮬레이션된 helmeted 영향의 분석을 통해 다른 헬멧에 맞는 시나리오에서 영향 이용한 부상 메커니즘을 조사 하 고 목에 힘을 목표로 / 순간 변환기, 듀얼 고속 카메라 시스템, 그리고 헬멧 맞춤 힘 센서에서 광섬유 브래그 격자 기반 연구 그룹에서 개발. 미치는 영향을 시뮬레이션 하는 계측된 headform과 유연한 목 모 루에 선형 가이드 레일을 따라가. 테스트 베드 8.3 m/s, 영향 표면에 평평 하 고 각도에 속도 머리 충격 시뮬레이션을 수 있습니다. headform 충돌 헬멧은 고 헬멧 위치 인덱스 또는 헬멧 크기 컨텍스트 특정 조정 함으로써 여러 맞는 시나리오를 시뮬레이션할 수 있습니다. 계량 헬멧 보존, 머리에 헬멧의 움직임 게시물 임시 이미지 분석을 사용 하 여 정량 이다. 머리와 목 부상 잠재적인 계량, biomechanical 측정 headform 가속 및 목 힘/순간에 따라 측정 됩니다. 설립된 인간의 허용 곡선, 비교를 통해이 biomechanical 측정 심각한 생명을 위협 하거나 가벼운 확산 뇌 손상의 위험을 예측할 수 있습니다 그리고 osteoligamentous 목 부상. 우리의 지식, 제시 시험대 맞는 헬멧 및 보존 머리와 목 상해에 biomechanical 효과 평가 하기 위해 특별히 개발 된이 처음 이다.

Introduction

가장 역학 증거 제안 자전거 헬멧 모든 연령대¹사이클에 대 한 머리 부상에 대 한 보호 기능을 제공 합니다. Biomechanical 문학 helmeted 머리 격려 상대적으로 덜 심각한 머리/뇌 손상 보호 (유엔 helmeted) 헤드²상대적인 영향을 보조 하 고 일관 된 테마를 제공 합니다. 일부 연구 가난한 헬멧 맞는 머리 부상³, 헬멧은 가장 효과적인 때 제대로 맞게 암시의 위험 증가와 관련을 나왔다. 좋은 헬멧 맞춤을 정의 하는 데 사용 하는 기준에 따라 잘못 된 헬멧 사용 helmeted 사이클³중 64%로 높은 것으로 밝혀졌다. 역학 증거 맞는 그 헬멧은 심각도 또는 영향에 머리 부상의 가능성에 관련 된 제안에 불구 하 고는 최소한의 실험적인 작품 평가 제어 된 실험실 설정에서 올바른 헬멧 적합 여부 또는 헬멧 보존 상해의 biomechanical 측정에 상당한 효과가 있다. 한 연구 조사의 유한 요소 모델⁴시뮬레이션 helmeted 영향 동안 오토바이 헬멧 크기 효과 관련. 다른 관련 연구 조사 실험 영향⁵ 축구 헬멧에 맞는 세력을 계량 압력 민감한 필름을 사용 하는 동안 동안 헬멧 크기 조정의 효과. Preadolescents⁶이전 버전과 맞는 시나리오 뿐 아니라 조사^6,7, 자전거와 오토바이 헬멧 영향에 보존 시스템의 영향이 되었습니다.

우리의 작업 제안 자전거 헬멧의 효과 연구 하는 방법을 맞게 헬멧 힘 센서와 상해의 위험에 적합, 인체는 머리와 목, 그리고 입체 고속 카메라에 미치는 영향을 시뮬레이션 합니다. 우리의 제안 된 방법의 목표는 맞는 계량 하 고 다른 현실적인 영향 시나리오에 상해의 위험을 평가 하는. 관련된 방법 달리 우리의 일 맞는, 적절 한 헬멧 사용 다양 한 자전거 헬멧을 조사 합니다. 이전에 비슷한 방법, 머리 운동학 결정 됩니다; 그러나, 목 로드 및 머리 헬멧 변위는 정량도. 비록 자전거 목 부상의 역학 있듯이 목 상해 공통 되지 않습니다, 그들은 더 심각한 머리 영향 및 입원^8,9관련 된 경향이 있습니다. 증거 헬멧 사용 목 부상⁸ 의 속도 감소 하는 여부에 혼합 하 고 인용된 역학 연구의 계량에 맞게 헬멧의 측면. 사이클링에 목 부상 더 심각한 사고와 연결 경향이 있고 그 헬멧에 맞는 목 상해 역학에 검사 하지 사실, 고려 머리와 목 상해 검사 방법 biomechanical 연구에 귀중 한 있습니다. 이러한 실험 방법은 biomechanical 연구 충격 심각도 또는 헬멧에 맞는 모든 경우 컨트롤에 수 없는 역학 연구를 보완 하는 사용 될 수 있습니다.

우리의 일에 영향 동안 머리와 헬멧 사이 상대 움직임을 모니터링 하는 새로운 방법 개발 되었습니다. 머리에 헬멧 이동 여부를 모니터링 하는 기능 영향 동안 부상에 헬멧 안정성과 보호 되지 않는 머리의 노출에 대 한 귀중 한 통찰력을 줄 수 있습니다. 맞는 헬멧을 조사 하는 연구에서 헬멧 안정성과 머리 노출 헬멧 성능 평가에서 특히 중요 한 있습니다. 관련된 작업, 다른 영향 및 맞춤 달리 다양 한 헬멧 위치 강조 시나리오 테스트 됩니다.

현재, 맞는 올바른 헬멧은 주관적이 고 nonspecifically 정의. 일반적으로, 좋은 헬멧 맞는 안정성과 위치 특징 이다. 헬멧, 머리에 한 번 확보 운동에 저항 그리고 눈 썹 적용 되지 않습니다와 마 지나치게 노출 되지 않습니다 그런 위치 해야 합니다. 또한, 한 손가락 폭 약 턱과 스트랩³사이 적합 해야 한다. 맞는 측정 헬멧의 측정은 널리; 힘, 이외의 방법 헬멧 맞는 비교할 수 있습니다 머리와 헬멧 형상 비교에 기반. 하나 같은 방법은 Ellena 연구진이 제안한 헬멧에 맞는 인덱스 ¹⁰. 우리의 제안된 방법 헬멧 맞춤, 맞춤된 힘 센서, 측정의 평균의 형태와 머리에가 해지는 힘의 표준 편차 다른 헬멧에 맞는 시나리오를 비교 하는 객관적인 방법을 만듭니다. 이러한 맞춤 강제 값 대표 압박감의 변화 뿐만 아니라, 헬멧의 압박감 머리에 경험. 이 센서는 다른 맞는 시나리오 사이 할 수 있는 세력의 정량된 비교를 제공 합니다. 보안 꽉 끼는 헬멧 느슨한 헬멧 낮은 힘을 보여줄 것입니다 하는 동안 더 높은 힘을 보여줄 것 이다. 맞는 힘 측량의이 방법은 Jadischke⁵에 의해 제안 된 평균 맞는 인덱스와 비슷합니다. 그러나, Jadischke의 방법 압력 민감한 필름을 이용 한다. 우리는 현재 광학 센서 머리 또는 헬멧 주위 적합된 힘의 겸손 한 측정 허용.

헬멧의 인증에 대 한 헬멧은 삭제할 특정 높이에 발생 하는 계측된 headform에 확보 됩니다. 머리와 헬멧은 다음 모 루에 자유 낙하 드롭 선형 가속도 기록 하는 동안. 전형적으로 헬멧 업계 표준에서 사용 되, 하이브리드 III 머리 (headform)와 목 어셈블리에 미치는 영향을 시뮬레이션 가이드 드롭 타워와 함께이 작품에서 사용 되었다. 일반적으로 선형 운동학을 사용 하는 표준, 달리 headform 속도계 배열 또한 회전 운동학, 확산 뇌 손상, 뇌 진 탕¹¹ 등의 가능성을 예측 키 매개 변수 결정 수 있습니다. . 선형 가속 및 회전 가속도 및 속도의 측정을 통해 심각한 초점 및 확산 머리 부상의 견적 할 수 있다 운동학 문학에서 여러 제안 된 기구학 기반 부상 평가 방법에 비교 하 여 ^{12 , 13}. 헬멧 평가 및 helmeted 영향에 머리 부상 위험 추정에의 사용은 잘되는^2,14는 headform 자동차 충돌 테스트를 위해 원래 개발 되었다, 하는 동안. 영향 시뮬레이션 설치 또한 힘 및 순간 목 상해와 관련 된 측정 하는 상단의 목 로드 셀을 포함 합니다. 목 부상 위험 다음 자동차 상해 데이터^12,13에서 부상 평가 데이터를 목 론을 비교 하 여 추정 될 수 있습니다.

고속 비디오 영향 동안 헬멧 머리를 기준으로 움직임을 추적 하는 방법 또한 제시 된다. 현재, 아니 양적 방법 영향 동안 헬멧 안정성을 평가 하기 위해 존재 합니다. 소비자 제품 안전 위원회 (CPSC)¹⁵ 자전거 헬멧 표준 위치 안정성 테스트에 대 한 호출 하지만 영향을 대표 하지 않습니다. 또한, 시험에 의해 측정 하는 유일한 결과 헬멧 여부는 headform 벗기. 머리 부상에 노출에 헬멧에 테스트 중에 headform 유지 여전히 통과할 수 있습니다. 헬멧 움직임을 추적 하는 제안 된 방법 헬멧 위치 지 수 (HPI)¹⁵ 비슷합니다 고 헬멧의 테두리와이 마 사이 거리를 측정 합니다. 이 머리 헬멧 변위 영향 동안 헬멧 안정성과 머리 노출의 표현을 얻기 위하여 영향을 통해 고속 영상을 사용 하 여 추적 됩니다. 직접 선형 변환 (DLT)¹⁶ 및 단일 값 분해 (SVD)¹⁷ 메서드를 사용 하 여 마커 2 카메라에서 추적3 차원 공간 그리고 헬멧과 머리 사이의 상대 변위에서 지점 위치를 결정 합니다.

여러 영향의 심각도 맞는 매개 변수 조사는. 영향 시나리오 영향 속도, 모 루, 표면과 몸통 처음 및 머리 처음에 미치는 영향을 영향을 미치는 두 가지 포함 됩니다. 전형적인 평면 모 루 표면 뿐만 아니라 각된 모 루 영향은 접선 힘 구성 요소를 유도 하는 것 또한 시뮬레이션 됩니다. 머리 먼저 영향을 반대로 몸통 우선 영향 있는 라이더의 어깨 머리, 마찬가지로 이전 작업¹⁸에서 수행 하기 전에 지상 영향 시나리오를 시뮬레이션 하기 위해 포함 됩니다. 마지막으로,이 4 개의 헬멧에 맞는 시나리오 조사: 일반 적합, 대형된 맞는, 앞으로 맞춤 및 이전 버전과 맞는. 이전 작업, 달리 헬멧은 머리에 위치 이며 조사 매개 변수 뿐만 아니라 헬멧 맞는 헬멧 크기 조정.

Protocol

1. 헬멧에 맞는 시나리오 배열 정의 시나리오 공부를 해야 인체 시험 장치 머리와 목 (하이브리드 III 50 백분위 수) 575 m m의 머리 둘레에 맞게. 참고: 4 개의 맞는 시나리오의 예 표 1에 헬멧 위치 그림 1에 표시 됩니다. 앞뒤로 맞는 시나리오 정의 눈 썹을 덮고 안이나이 마 3 노출로 적절 한 헬멧 위치 지정 이전의 역학 연구에서 정?…

Representative Results

맞추기 힘 측정각 시나리오에 맞는에 맞는 힘 측정 각 센서 위치 (그림 12)에서 수행 하 고 의미를 결정 하는 t-검정, 표본, 가정 수행 되었다 (p < 0.05). 모든 측정에서 평균 표준 편차는 ± 0.14 N. 등 맞추기 힘 더 단단한 적합을 나타냅니다. 운동학 머리와 목 운동 데이터결?…

Discussion

여기, 수사 헬멧에 대 한 방법이 시뮬레이션된 helmeted 머리 영향 제시에 적합. 헬멧에 맞는 맞춤된 힘 센서와 계량 했다, 영향 ATD headform과 가이드 드롭 타워에 목 시뮬레이션 했다 그리고 헬멧 운동 고속 비디오 추적 했다. 다른 영향 시나리오 맞는 헬멧의 biomechanical 측정에 미치는 영향을 조사 하기 위해 다른 맞는 시나리오에서 시뮬레이션 했다.

헬멧에 맞는 센서 다른 헬멧에…

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