Испытательный стенд для изучения шлем Fit и удержания и биомеханических мер головы и травмы шеи в имитации воздействия
Summary
С помощью антропометрических головы и шеи, на базе волоконно оптических подходят силы преобразователи, массив ускорение головы и шеи сил/момент преобразователи, и двойной высокой скорости камеры системы, мы представляем испытательный стенд для изучения Шлем крепления и воздействие на биомеханических меры травмы головы и шеи, вторичного удара головой.
Abstract
Обычные мудрость и язык уровня тестирования и сертификации международных шлем предположить, что соответствующие шлем подходят и удержания во время удара являются важными факторами в деле защиты шлем владельца от воздействия индуцированной травмы. Эта рукопись стремится исследовать влияние индуцированного повреждения механизмов в различных шлем соответствовать сценариев путем анализа воздействия имитируемых шлемом с антропометрическими испытательного устройства (АТД), массив преобразователей ускорение модели головы и шеи сил / момент преобразователи, двойной высокой скорости камеры системы и шлем fit силы датчики, разработанные в нашей исследовательской группы, основанные на решеток Брэгга в волоконно-оптических. Для моделирования воздействия, инструментированный муляжа головы и гибкая шея падение вдоль линейной направляющей на наковальне. Испытательный стенд позволяет моделирования удара головой на скоростях до 8,3 м/сек, на поверхности влияния, которые являются как плоские, так и угловой. Муляж подходит с защитный шлем и подходят несколько сценариев можно имитировать, сделав контексте конкретные изменения в позиции index шлем и/или шлем размер. Для количественной оценки шлем удержания, движение шлем на голове количественно с помощью анализа изображений пост hoc. Для количественной оценки потенциальных голова и шея травмы, измеряются биомеханических меры, основанные на муляже головы ускорение и шеи сил/момент. Эти биомеханических меры, путем сравнения с установленным человеческих толерантности кривых, могут оценить риск тяжелой жизни и/или мягкий рассеянный черепно-мозговой травмой и osteoligamentous травмы шеи. К нашему знанию представленные тест кровать является первым разработан специально для оценки биомеханических последствий травмы головы и шеи по отношению к шлем подходят и удержания.
Introduction
Наиболее эпидемиологические данные свидетельствуют о том, что велосипедные шлемы обеспечивают защиту от травм головы для велосипедистов всех возрастов1. Биомеханические литературы представляет постоянной темой, которая шлемом руководитель поддерживает сравнительно менее серьезными головы/мозга травмы вторичного воздействия, относительно незащищенных (ООН шлемом) Глава2. Некоторые исследования показывают, что бедные шлем подходят связан с повышенным риском травмы головы3, подразумевая, что шлемы наиболее эффективны, когда подходят должным образом. В зависимости от критериев, используемых для определения подходят хорошо шлем использования неправильного шлем оказался до 64% среди шлемом велосипедистов3. Несмотря на эпидемиологических данных, предполагая, что шлем соответствовать актуальным в серьезности или вероятность травмы головы в влияние, существует минимальный экспериментальная работа оценки в контролируемых лабораторных условиях ли или не подходят правильно шлем или удержания шлема имеет существенное влияние на меры биомеханических травмы. Один связанные исследования расследует эффект калибровки шлем мотоцикла во время шлемом воздействия имитируемых с элементную модель4. Другой связанной с этим исследование расследует эффект калибровки шлем во время экспериментального воздействия5 при использовании давления чувствительные пленки для количественного определения подходят силы в футбольные шлемы. Влияние систем хранения велосипедов и мотоциклов шлем последствия были исследованы6,7, а также сценарий обратной подходят для подростковом6.
Наша работа предлагает методы для изучения эффекта велосипедный шлем помещается на риск получения травмы с шлем соответствовать силы датчики, смоделированные воздействия с антропометрическими головы и шеи и стереоскопические Высокоскоростные камеры. Цели нашей предлагаемые методы являются для количественного определения подходят и оценить риск получения травмы в реалистичные воздействия различных сценариев. В отличие от связанных методов наша работа исследует велосипедный шлем помещается, где использование надлежащего шлема разнообразна. Похож на предыдущие методы, глава кинематики определяются; Однако также количественно загрузки шеи и головы шлем перемещения. Хотя эпидемиологии травмы шеи в Велоспорт предполагает, что травм шеи редки, они, как правило, связаны с более тяжелой головой воздействия и госпитализации8,9. Доказательства смешивается на ли или не использовать шлем снижает ставки травмы шеи8 и ни один из упомянутых эпидемиологических исследований количественно аспекты шлем подходят. Учитывая тот факт, что травмы шеи в Велоспорт, как правило, связаны с более серьезных аварий и что шлем подходят не были изучены в эпидемиологии травмы шеи методы для изучения травмы головы и шеи ценны в биомеханических исследований. Такие экспериментальные методы могут использоваться в биомеханических исследований, которые дополняют эпидемиологические исследования, которые не в всех случаях управления для тяжести последствий или шлем подходят.
В нашей работе был разработан новый метод контроля относительного движения между головой и шлем во время удара. Возможность контролировать ли шлем перемещается на голове может дать ценную информацию о стабильности шлем и воздействия незащищенные головы травмы во время удара. В исследование подходят шлем шлем стабильность и головы экспозиции являются особенно ценными в оценке производительности шлем. В отличие от связанной с этим работы, различные последствия и fit будет испытываться и сценариев, подчеркивая разнообразный шлем позиционирования.
В настоящее время правильно шлем соответствовать субъективным и nonspecifically определены. Как правило хороший шлем соответствовать характеризуется стабильности и позиции. Шлем должен быть устойчив к движение, когда-то обеспеченных на голове и должны быть расположены таким образом, чтобы не охватываются бровей и лба не подвергаются чрезмерно. Кроме того примерно один палец ширина пространства должен помещаться между подбородком и подбородочного ремня3. Меры количественного определения шлем соответствовать не являются широко распространенными; Помимо силы, методы могут сравнить шлем подходят основан на сопоставлении головы и шлем геометрии. Один из таких методов является индекс Fit шлем, предложенный Эллена et al. 10. наш предлагаемый метод количественной оценки шлем нужным, датчики подходят силы, создает объективные средства сравнения различных шлем соответствовать сценариев в виде среднего и стандартного отклонения сил, действующих на голове. Эти подходят силу значения представляют собой герметичности шлем, а также вариации герметичности опытных на голове. Эти датчики обеспечивают сопоставление количественных сил, которые могут быть сделаны между различными подходят сценариев. Безопасный обтягивающие шлем бы показать высших сил в то время как свободные шлем будет показывать меньше сил. Этот метод подходит силы измерения похож на средний Fit индекс, предложенный Jadischke5. Однако Jadischke методы использовать давление чувствительных фильм. Оптические датчики, которые мы представляем позволяют ненавязчивым измерения подходят силы вокруг головы или шлем.
Для сертификации шлемы шлем крепится на инструментированного муляжа головы, которая затем вызывается до определенной высоты удаляемого. Голова и шлем подлежит затем падение свободного падения на наковальне во время записи линейных ускорений. Хотя обычно не используются в шлем отраслевых стандартов, гибрид III головы (головы) и шеи Ассамблеи были использованы в этой работе, с гидом падение башни для имитации воздействия. В отличие от стандартов, которые обычно используют линейной кинематике массив акселерометр муляжа головы также позволяет определять вращения кинематики, ключевым параметром в прогнозировании вероятность диффузных мозга травмы, включая сотрясение11 . Через измерение линейных ускорений и ускорения вращения и скорости оценки тяжелые фокуса и диффузных травмы головы могут быть сделаны путем сравнения кинематики для нескольких методов оценки предлагаемых на основе кинематики травмы в литературе 12 , 13. Хотя муляжа головы первоначально была разработана для тестирования автомобильной аварии, его использование в шлем оценки риска травмы головы в шлемом воздействие и является хорошо документированы в2,14. Настройка моделирования воздействия также включает в себя камеру нагрузки верхней части шеи, позволяя силы и моменты, связанные с травмы шеи измеряется. Риск травмы шеи затем может быть оценена путем сравнения шеи кинетики данные оценки ущерба от автомобильной травмы данных12,13.
Также предложен метод отслеживания шлем движения относительно головы во время удара с высокой скоростью видео. В настоящее время не количественные методы существуют для оценки стабильности шлем во время удара. Комиссия безопасности потребительских продуктов (CPSC)15 велосипедов шлем стандарт предусматривает позиционные стабильность теста, но не является представителем влияние. Кроме того или не шлем приходит муляжа головы является единственный результат измеряется теста. Независимо от подверженности травмы головы шлем может пройти до тех пор, пока она остается на муляже головы во время испытаний. Предложенный метод отслеживания движения шлем похож на шлем позиции Index (HPI)15 и измеряет расстояние между краев шлема и лоб. Это перемещение головы шлем отслеживается с использованием высокоскоростной видео-footage всей влияние с целью получить представление воздействия стабильности и голову шлем во время удара. Использование прямого линейного преобразования (DLT)16 и17 методов разложения одного значения (СВД), маркеры, отслеживаются с двух камердля определения местоположения точек в трехмерном пространстве, а затем относительное смещение между шлем и головы.
Исследованы несколько параметров серьезности и fit воздействия. Сценарии воздействия включают в себя две частоты воздействия, две поверхности наковальни и торс первой и головой воздействия. В дополнение к поверхности типичные плоской опоре угловой опоре влияние также моделируется побудить компонент тангенциальной силы. ТОРС первое воздействие, в отличие от удара головой, входит имитировать сценарий, в котором Райдер плеча влияет на землю перед головкой, аналогичным образом выступал в предыдущей работы18. Наконец, эти четыре шлем соответствовать сценарии исследованы: очередной приступ, негабаритных подходят, вперед fit и обратной fit. В отличие от предыдущей работы шлем позиционирования на голове — исследуемых параметров, а также шлем подходят и шлем калибровки.
Protocol
Representative Results
Discussion
Здесь методы расследования шлем помещается в имитируемых шлемом головы, которые представлены последствия. Шлем соответствовать был количественно с нужным силы датчики, последствия были смоделированы с Движением головы и шеи на башне гидом падение, и шлем движение было считано с высок…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы с благодарностью признаем, финансирование от естественных наук и инженерных исследований Совета (СЕНТИ) Канады (Discovery грантов 435921), Фонд безопасности спорта Pashby (2016: RES0028760), Фонд исследований Бантинг (Discovery премии 31214), NBEC Inc. ( Канада) и факультет инженерии и факультет машиностроения в университете Альберты.
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 |
References
- Thompson, D. C., Rivara, F. P., Thompson, R. S. Effectiveness of Bicycle Safety Helmets in Preventing Head Injuries: A Case-Control Study. JAMA. 276 (24), 1968-1973 (1996).
- Cripton, P. A., Dressler, D. M., Stuart, C. A., Dennison, C. R., Richards, D. Bicycle helmets are highly effective at preventing head injury during head impact: Head-form accelerations and injury criteria for helmeted and unhelmeted impacts. Accid. Anal. Prev. 70, 1-7 (2014).
- Lee, R. S., Hagel, B. E., Karkhaneh, M., Rowe, B. H. A systematic review of correct bicycle helmet use: how varying definitions and study quality influence the results. Inj. Prev. 15 (2), 125-131 (2009).
- Chang, L. -. T., Chang, C. -. H., Chang, G. -. L. Fit effect of motorcycle helmet – A finite element modeling. JSME Int. J. Ser. Solid Mech. Mater. Eng. 44 (1), 185-192 (2001).
- Testing of Bicycle Helmets for Preadolescents. IRCOBI Conf. Proc Available from: https://trid.trb.org/view.aspx?id=1370437 (2015)
- McIntosh, A. S., Lai, A. Motorcycle Helmets: Head and Neck Dynamics in Helmeted and Unhelmeted Oblique Impacts. Traffic Inj. Prev. 14 (8), 835-844 (2013).
- Olivier, J., Creighton, P. Bicycle injuries and helmet use: a systematic review and meta-analysis. Int. J. Epidemiol. 46 (1), 278-292 (2017).
- Rivara, F. P., Thompson, D. C., Thompson, R. S. Epidemiology of bicycle injuries and risk factors for serious injury. Inj. Prev. 3 (2), 110-114 (1997).
- Ellena, T., Subic, A., Mustafa, H., Pang, T. Y. The Helmet Fit Index – An intelligent tool for fit assessment and design customisation. Appl. Ergon. 55, 194-207 (2016).
- Takhounts, E. G., Craig, M. J., Moorhouse, K., McFadden, J., Hasija, V. Development of Brain Injury Criteria (BrIC). Stapp Car Crash J. 57, 243-266 (2013).
- Eppinger, R., Sun, E., et al. . Development of improved injury criteria for the assessment of advanced automotive restraint systems – II. , (1999).
- Mertz, H. J., Irwin, A. L., Prasad, P. Biomechanical and scaling bases for frontal and side impact injury assessment reference values. Stapp Car Crash J. 47, 155 (2003).
- Newman, J. A., Beusenberg, M. C., Shewchenko, N., Withnall, C., Fournier, E. Verification of biomechanical methods employed in a comprehensive study of mild traumatic brain injury and the effectiveness of American football helmets. J. Biomech. 38 (7), 1469-1481 (2005).
- CPSC. . Safety Standard for Bicycle Helmets; Final Rule. , (1998).
- Miller, N. R., Shapiro, R., McLaughlin, T. M. A technique for obtaining spatial parameters of segments of biomechanical systems from cinematographic data. J. Biomech. 13, 535-547 (1980).
- Arun, K. S., Huang, T. S., Blostein, S. D. Least-Squares Fitting of Two 3-D Point Sets. IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 9 (5), 698-700 (1987).
- Smith, T. A., Halstead, P. D., McCalley, E., Kebschull, S. A., Halstead, S., Killeffer, J. Angular head motion with and without head contact: implications for brain injury. Sports Eng. 18 (3), 165-175 (2015).
- Butz, R., Dennison, C. In-fibre Bragg grating impact force transducer for studying head-helmet mechanical interaction in head impact. J. Light. Technol. 33 (13), 8 (2015).
- Butz, R. C., Knowles, B. M., Newman, J. A., Dennison, C. R. Effects of external helmet accessories on biomechanical measures of head injury risk: An ATD study using the HYBRIDIII headform. J. Biomech. 48 (14), 3816-3824 (2015).
- Dennison, C. R., Wild, P. M. Superstructured fiber-optic contact force sensor with minimal cosensitivity to temperature and axial strain. Appl. Opt. 51, 1188-1197 (2012).
- Dennison, C. R., Wild, P. M. Sensitivity of Bragg gratings in birefringent optical fibre to transverse compression between conforming materials. Appl. Opt. 49, 2250-2261 (2010).
- Knowles, B. M., Yu, H., Dennison, C. R. Accuracy of a Wearable Sensor for Measures of Head Kinematics and Calculation of Brain Tissue Strain. J. Appl. Biomech. 33 (1), 2-11 (2017).
- Nightingale, R. W., McElhaney, J. H., Richardson, W. J., Myers, B. S. Dynamic responses of the head and cervical spine to axial impact loading. J. Biomech. 29, 307-318 (1996).
- Padgaonkar, A. J., Krieger, K. W., King, A. I. Measurement of Angular Acceleration of a Rigid Body Using Linear Accelerometers. J. Appl. Mech. 42 (3), 552-556 (1975).
- SAE. . J211 Instrumentation for Impact Test – Part 1: Electronic Instrumentation. , (2014).
- Depreitere, B., Lierde, C. V., et al. Bicycle-related head injury: a study of 86 cases. Accid. Anal. Prev. 36, 561-567 (2004).
- Influence of Impact Velocity and Angle in a Detailed Reconstruction of a Bicycle Accident. Proc. 2012 Int. IRCOBI Conf. Biomech. Impacts Available from: https://lirias.kuleuven.be/handle/123456789/357473 (2012)
- Newman, J. A. A Generalized Model for Brain Injury Threshold (GAMBIT). IRCOBI Conf. Proc. , (1986).
- Newman, J. A., Shewchenko, N., Welbourne, E. A proposed New Biomechanical head injury assessment function – the maximum power index. Stapp Car Crash J. 44, 215-247 (2000).
- NOCSAE. . Standard Test Method and Equipment used in Evaluating the Performance Characteristics of Protective Headgear/Equipment NOCSAE Doc (ND) 001- 11m12. , (2012).
- Cobb, B. R., MacAlister, A., Young, T. J., Kemper, A. R., Rowson, S., Duma, S. M. Quantitative comparison of Hybrid III and National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment headform shape characteristics and implications on football helmet fit. Proc. Inst. Mech. Eng. Part P J. Sports Eng. Technol. 229 (1), 39-46 (2015).
- Cobb, B. R., Zadnik, A. M., Rowson, S. Comparative analysis of helmeted impact response of Hybrid III and National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment headforms. Proc. Inst. Mech. Eng. Part P J. Sports Eng. Technol. 230 (1), 50-60 (2016).
- de Jager, M., Sauren, A., Thunnissen, J., Wismans, J. Global and a Detailed Mathematical Model for Head-Neck Dynamics. Proc. Stapp Car Crash Conf. 40, 269-281 (1996).
- Aare, M., Halldin, P. A New Laboratory Rig for Evaluating Helmets Subject to Oblique Impacts. Traffic Inj. Prev. 4 (3), 240-248 (2003).
