En Test seng å undersøke hjelm passform og oppbevaring og biomekaniske tiltak av hodet og nakkeskade ved simulert innvirkning

Summary

Bruker en anthropometric hode og nakke, optisk fiber-baserte passer tvinge transduktorer, et utvalg av hodet akselerasjon og halsen force/øyeblikk transduktorer, og en dobbel høy hastighet kamerasystem, vi presenterer en test seng hjelm oppbevaring og effekter på biomekaniske måler hode og nakke skader sekundært til leder impact.

Abstract

Konvensjonell visdom og språket i internasjonale hjelm, prøving og sertifisering standarder foreslår at riktig hjelmen passer og oppbevaring under innflytelse er viktige faktorer i beskytte hjelm bæreren fra effekt-indusert skade. Dette manuskriptet mål å undersøke virkningen-indusert skade mekanismer i forskjellige hjelmen passer scenarier gjennom analyse av simulert hjelm virkninger med en anthropometric test enhet (ATD), en rekke headform akselerasjon transdusere og nakke force / øyeblikket transduktorer, et dobbelt høyhastighets kamerasystem og hjelm-fit force sensorer utviklet i vår forskningsgruppe basert på Bragg rister i optisk fiber. For å simulere virkninger, faller en instrumenterte headform og fleksible halsen langs en lineær guide rail på en ambolt. Testen seng kan simulering av leder impact med hastigheter opptil 8.3 m/s, på virkningen overflater som både flatt og vinklet. Headform er passet med krasj hjelm og flere anfall scenarier kan simuleres ved å gjøre kontekst spesifikk justeringer til hjelm posisjonsindeks og/eller hjelm størrelse. For å kvantifisere hjelm oppbevaring, er bevegelsen av hjelmen på hodet kvantifisert innlegg-hoc bildet analyse. For å kvantifisere hode og nakke skader potensielle, måles biomekaniske tiltak basert på headform akselerasjon og halsen force/øyeblikk. Disse biomekaniske tiltak, gjennom sammenligning med etablerte menneskelige toleranse kurver, kan beregne risikoen for alvorlig livstruende og/eller diffuse hjerneskade og osteoligamentous nakke skader. Vi vet er den presentert kjørebane først utviklet spesielt for å vurdere biomekaniske effekter på hodet og nakken skade hjelmen passer og oppbevaring.

Introduction

Mest tyder epidemiologisk sykkelhjelmer gir beskyttelse mot hodeskader for syklister på alle aldre¹. Biomekaniske litteratur presenterer den konsekvente temaet som hjelm hodet opprettholder relativt mindre alvorlige hode/hjerneskader sekundære å påvirke, i forhold til ubeskyttet (un hjelm) hodet². Noen undersøkelser tyder på at dårlig hjelmen passer er assosiert med økt risiko for hodeskade³, antyde at hjelmer er mest effektive når passer ordentlig. Avhengig av kriteriene som brukes til å definere god hjelm passform, ble feil hjelm bruk funnet for å være så høyt som 64% blant hjelm syklister³. Til tross for epidemiologisk bevis antyder at hjelmen passer er relevant i alvorlighetsgrad eller sannsynligheten for hodeskade innvirkning, er det minimal eksperimentelt arbeid vurdering i en kontrollert laboratorium hvorvidt riktig hjelmen passer eller hjelm oppbevaring har en betydelig effekt på biomekaniske tiltak for skade. Beslektede Studien undersøker effekten av motorsykkel hjelm størrelse under hjelm virkninger simulert med en endelig element modell⁴. En annen beslektet studie undersøker effekten av hjelm størrelse under eksperimentelle virkninger⁵ mens du bruker trykk følsom film for å kvantifisere passer styrker i fotball hjelmer. Effekten av oppbevaring systemer i sykkel og motorsykkel hjelm virkninger har vært undersøkt^6,7, samt en bakover passer scenariet for preadolescents⁶.

Vårt arbeid foreslår metoder for å studere effekten av sykkelhjelm passe på risikoen for skade med hjelmen passer force sensorer, simulert virkninger med en anthropometric hode og nakke stereoskopisk Høyhastighetskameraer. Målene for våre foreslåtte metoder er å kvantifisere passform og vurdere risikoen for skade i forskjellige realistisk effekt scenarier. I motsetning til relaterte metoder undersøker vårt arbeid sykkelhjelm passer, der bruk av riktig hjelm er variert. Lignende til forrige metoder, hodet kinematikk bestemmes; Imidlertid er halsen lasting og hodet helmet forskyvninger også kvantifisert. Selv om depresjonsepidemiologi nakkeskade i sykling antyder at nakkeskader er uvanlig, pleier de å være assosiert med mer alvorlig hodet virkninger og sykehusinnleggelse^8,9. Bevisene er blandet på om bruk av hjelm reduserer priser nakke skader⁸ og ingen av de siterte epidemiologiske studiene kvantifisere aspekter av hjelmen passer. Tatt i betraktning det faktum at nakkeskade i sykling tendens til å være knyttet til mer alvorlige ulykker og at hjelmen passer har ikke vært undersøkt i halsen skade epidemiologi, er metoder for å undersøke både hode og nakke skader verdifulle biomekaniske forskning. Slike eksperimentelle metoder kan brukes i biomekaniske studier som utfyller Epidemiologiske studier som ikke i alle tilfeller kontroll for effekten alvorlighetsgrad eller hjelm passer.

I vårt arbeid, er en ny metode for overvåking relative bevegelser mellom hodet og hjelm under påvirkning utviklet. Evnen å dataskjerm hvorvidt hjelmen flytter på hodet kan gi verdifull innsikt i både hjelm stabilitet og eksponering av ubeskyttet hodet til skade under påvirkning. I en studie undersøker hjelmen passer, er hjelm stabilitet og hodet eksponering spesielt verdifull i å vurdere hjelm ytelse. I motsetning til beslektet arbeid, annen innvirkning og passform vil scenarier vekt variert hjelm posisjonering også bli testet.

Foreløpig er riktig hjelmen passer subjektiv og nonspecifically definert. Generelt er god hjelm passer preget av stabilitet og posisjon. Hjelmen må være motstandsdyktig mot bevegelse når sikret på hodet, og bør være plassert slik at øyenbrynene ikke er dekket og pannen eksponeres ikke overdrevet. Videre skal ca én finger bredden på mellomrom passe mellom haken og hakestropp³. Tiltak av kvantifisere hjelmen passer er ikke utbredt. enn force metoder kan sammenligne hjelmen passer basert på hodet og hjelm geometri. En slik metode er hjelmen passer indeksen foreslått av Ellena et al. ¹⁰. våre foreslåtte metoden av kvantifisere hjelmen passer, passe force sensorer, skaper en objektiv måte å sammenligne ulike hjelmen passer scenarier i form av gjennomsnitt og standardavvik styrker hatt på hodet. Disse passer tvinge verdiene representerer tetthet av hjelm og variasjonen av tetthet erfarne på hodet. Disse sensorene gir en kvantifisert sammenligning av styrker som kan gjøres mellom ulike passer scenarier. Sikre støvtette hjelm ville viser høyere styrker mens løs hjelm ville viser lavere styrker. Denne metoden passer force måling ligner gjennomsnittlig passer indeksen foreslått av Jadischke⁵. Men benytte Jadischkes metoder press følsom film. Optiske sensorer presenterer vi tillate påtrengende måling av passer kraft rundt hodet eller hjelm.

For sertifisering av hjelmer, er hjelm sikret på en instrumenterte headform, som deretter starter til en viss høyde brutt. Hodet og hjelm er deretter gjenstand for et fritt fall slipp på en ambolt mens lineær akselerasjoner. Selv om ikke vanligvis brukes i hjelm industristandarder, ble en Hybrid III hodet (headform) og halsen montering brukt i dette arbeidet med en guidet slipp tårnet simulere virkninger. I motsetning til standarder som vanligvis bruker lineær kinematikk, tillater headform akselerometer matrisen også fastsetting av roterende kinematikk, en viktig parameter i å forutsi sannsynligheten for diffus hjerneskader, inkludert hjernerystelse¹¹ . Gjennom måling av både lineær akselerasjon og roterende akselerasjon og hastighet, kan anslag over alvorlig fokal og diffus hodeskade gjøres ved å sammenligne kinematikk til flere foreslåtte kinematikk-baserte skade vurderingsmetoder i litteratur ^{12 , 13}. mens headform ble opprinnelig utviklet for bilindustrien krasj testing, bruken hjelm vurdering og estimering av hodeskade risiko i hjelm virkningen er godt dokumentert^2,14. Virkningen simulering oppsettet inneholder også en øvre halsen Last celle, slik at de styrker og øyeblikk tilknyttet nakkeskade skal måles. Nakke skader risiko kan deretter beregnes ved å sammenligne halsen kinetics skade vurdering data fra bil skade data^12,13.

En metode for å spore hjelmens bevegelse i forhold til hodet under inntrykk med høy fart video er foreslått. Foreløpig finnes ingen kvantitative metoder for å evaluere hjelm stabilitet under påvirkning. Consumer Product Safety Commission (CPSC)¹⁵ sykkel hjelm standarden krever en posisjonelle stabilitet test, men er ikke representant innvirkning. Videre er om hjelmen leveres av headform det eneste resultatet målt etter testen. Uansett eksponering av hodet til skade, kan en hjelm fortsatt passere så lenge den forblir på headform under tester. Den foreslåtte metoden for sporing hjelmens bevegelse ligner hjelm posisjon indeks (HPI)¹⁵ og måler avstanden mellom randen av hjelm og pannen. Dette hodet helmet forskyvning registreres med høyhastighets videoopptak gjennom betydning for å oppnå en representasjon av hjelm stabilitet og hodet eksponering under påvirkning. Bruke direkte lineær transformere (DLT)¹⁶ og enkelt verdi nedbryting (SVD)¹⁷ metoder, spores markører fra to kameraerå avgjøre punkt steder i tredimensjonal og relativ forskyvning mellom hjelm og hodet.

Flere innvirkning alvorlighetsgrad og passform parametere er undersøkt. Virkningen scenarioene inkluderer to innvirkning hastigheter, to påvirker ambolten overflater, og både overkroppen først og hodet først virkninger. I tillegg til en typisk flat ambolten overflate simuleres vinklet ambolten innvirkning også for å indusere en tangentiell force komponent. En torso først effekt, i motsetning til en hodet først effekt, inkluderes simulere et scenario der en rider’s skulder påvirker bakken foran hodet, på samme måte utføres i tidligere arbeid¹⁸. Til slutt, disse fire hjelmen passer scenariene er undersøkt: en alminnelig passform, en overdimensjonert plass, en frem passform og en bakover passform. I motsetning til tidligere arbeid er hjelm posisjonering på hodet undersøkt parameteren, samt hjelm passform og hjelm størrelse.

Protocol

1. hjelmen passer scenarier Arrangement Definer passer scenarier studier på anthropometric test enheten hodet og nakken (Hybrid III 50th persentil mann) med en leder 575 mm. Merk: Et eksempel på fire passe scenarier er vist i tabell 1 med hjelm stillinger tilsvarende figur 1. Fremover og bakover passer scenariene var basert på definisjoner av riktig hjelm bruk fra tidligere Epidemiologiske studier, som angitt riktig hjelm posisjon som ikke dekker øyenb…

Representative Results

Tilpass Force målingHver plass scenario, passer force måling ble utført hver sensor plassering (Figur 12) og en t-test, antatt ulike varianser, ble utført for å fastslå betydningen (p < 0,05). Gjennomsnittlig standardavviket på tvers av alle mål var ± 0.14 N. høyere passer styrker indikerer en strammere passform. Hodet Kinematisk og halsen Kinetic Data</str…

Discussion

Her, passe metoder for å undersøke hjelm simulert hjelm hodet virkninger presenteres. Hjelmen passer ble kvantifisert med passe force sensorer, virkninger ble oppnådd med ATD headform og halsen på en guidet slipp tårn og hjelmen ble sporet med høy fart video. Annen innvirkning scenarier ble oppnådd under ulike passer scenarier å undersøke virkningene på biomekaniske tiltak av hjelmen passer.

Hjelmen passer sensorene er kan skille forskjeller i passe styrker mellom forskjellige hjelme…

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