Un banco de pruebas para examinar el casco ajuste y retención y medidas biomecánicas de cabeza y cuello, lesión en impacto simulado

Summary

Utilizando una cabeza antropométrica y del cuello, ajuste basado en fibra óptica fuerza transductores, una matriz de transductores de fuerza/momento de cuello y cabeza aceleración, y un doble de alta velocidad sistema de cámara, les presentamos un banco de pruebas para el estudio de la retención del casco y efectos sobre la biomecánica medidas de lesiones de cabeza y cuello secundario a la cabeza de impacto.

Abstract

Sabiduría y el lenguaje en las normas de ensayo y certificación internacional casco indican que casco apropiado y retención durante un impacto son factores importantes para proteger al portador del casco de lesión inducida por el impacto. Este manuscrito tiene como objetivo investigar mecanismos de lesión inducida por el impacto en diferentes casco montar escenarios a través del análisis de impactos Paují simulados con un dispositivo de prueba antropométrica (ATD), una matriz de transductores de aceleración de cabeza y cuello fuerza / transductores de momento, un sistema de cámara dual de alta velocidad y sensores de fuerza ajuste de casco desarrollan en nuestro grupo de investigación basado en rejillas de Bragg en fibra óptica. Para simular impactos, una cabeza instrumentada y cuello flexible la caída a lo largo de un carril de guía linear sobre un yunque. El Banco de pruebas permite simulación de cabeza impacto a velocidades de hasta 8.3 m/s, en las superficies de impacto que son planas y angulosas. El impactador simulador de cabeza se cabe con un casco y varios escenarios de ajuste pueden ser simulados haciendo ajustes específicos de contexto el índice de la posición de casco o tamaño del casco. Para cuantificar la retención del casco, el movimiento del casco en la cabeza se cuantifica usando análisis de imagen post-hoc. Para cuantificar la cabeza y cuello lesiones potenciales, se miden biomecánicas medidas basadas en cabeza aceleración y cuello fuerza/momento. Estas medidas biomecánicas, por comparación con curvas de tolerancia humana establecida, pueden estimar el riesgo de severa potencialmente mortal o lesión cerebral difusa leve y osteoligamentous lesiones del cuello. A nuestro conocimiento, el Banco de pruebas presentado es el primero desarrollado específicamente para evaluar los efectos biomecánicos en cabeza y cuello lesiones casco ajuste y retención.

Introduction

Más evidencia epidemiológica sugiere cascos de bicicleta proporcionan protección contra lesiones en la cabeza para los ciclistas de todas las edades¹. La literatura biomecánica presenta el tema coherente que el cabeza de Paují sostiene relativamente menos graves lesiones de la cabeza/cerebro secundarios al impacto, en relación con la cabeza (sin Paují) sin protección². Algunas investigaciones sugieren que pobre casco ajuste es asociado con un mayor riesgo de lesión en la cabeza³, lo que implica que los cascos son más efectivos cuando queden bien. Dependiendo de los criterios utilizados para definir buen casco ajuste, uso incorrecto del casco fue encontrado para ser tan alto como el 64% entre los ciclistas Paují³. A pesar de la evidencia epidemiológica sugiere que el casco ajuste es relevante en la gravedad o la probabilidad de lesión en la cabeza en un impacto, hay trabajo experimental mínima evaluación en un entorno de laboratorio controlado o no casco correcto o retención del casco tiene un efecto significativo sobre las medidas biomecánicas de la lesión. Una relacionadas con el estudio investiga el efecto del tamaño del casco de motocicleta durante el Paují impactos simulados con un modelo de elementos finitos⁴. Otro relacionado estudio investiga el efecto del tamaño de casco durante impactos experimental⁵ durante el uso de película sensible presión para cuantificar las fuerzas montar en cascos de fútbol. El efecto de los sistemas de retención en impactos de casco de bicicleta y motocicleta han sido investigado^6,7, así como un escenario de ajuste hacia atrás para preadolescentes⁶.

Nuestro trabajo propone métodos para estudiar el efecto del casco de la bicicleta caben en el riesgo de lesiones con casco montar sensores de fuerza, simular impactos con una cabeza antropométrica y cuello y cámaras estereoscópicas de alta velocidad. Los objetivos de los métodos propuestos son ajuste de cuantificar y evaluar el riesgo de lesiones en situaciones de diferente impacto realista. En contraste con los métodos relacionados, nuestro trabajo investiga casco de bicicleta, ajuste, donde el uso de casco adecuado es variada. Se determinan los métodos similares a la anterior, cabeza cinemática; sin embargo, también se cuantifican carga de cuello y cabeza-casco desplazamientos. Aunque la epidemiología de la lesión en el cuello en bicicleta sugiere que lesiones en el cuello son comunes, tienden a asociarse con los impactos más severos de cabeza y hospitalización^8,9. La evidencia es mixta o no uso del casco reduce tasas de lesión de cuello⁸ y ninguno de los estudios epidemiológicos citados cuantificar aspectos del ajuste del casco. Teniendo en cuenta el hecho de que lesión del cuello en el ciclismo tiende a estar asociado con los accidentes más graves y que ajuste el casco no se ha examinado en epidemiología de lesiones de cuello, métodos para examinar lesiones de cabeza y cuello son útiles en la investigación biomecánica. Tales métodos experimentales podrían utilizarse en estudios biomecánicos que complementan los estudios epidemiológicos que no en todo el control de los casos de severidad de impacto o casco ajuste.

En nuestro trabajo, se ha desarrollado un nuevo método de control de movimientos relativos entre la cabeza y el casco durante el impacto. La capacidad de controlar o no el casco se mueve en la cabeza puede dar información valiosa sobre la estabilidad del casco y la exposición de la cabeza sin protección a lesiones durante el impacto. En un estudio investigando casco ajuste, estabilidad del casco y la cabeza exposición son particularmente valiosos en la evaluación del rendimiento de casco. En contraste con trabajos relacionados, diferente impacto y ajuste también serán probados escenarios destacando casco variada colocación.

En la actualidad, casco correcto ajuste es subjetivo y un definido. En general, buen casco ajuste se caracteriza por estabilidad y posición. El casco debe ser resistente al movimiento una vez fijado a la cabeza y debe colocarse de tal que no se cubren las cejas y la frente no esté demasiado expuesta. Además, debe caber aproximadamente un dedo ancho de espacio entre la barbilla y la correa de barbilla³. Medidas de cuantificación casco ajuste no son generalizadas; que no sea de fuerza, métodos pueden comparar casco ajuste basado en comparar la geometría de la cabeza y casco. Un tal método es el índice de ajuste del casco propuesto por Ellena et al. ¹⁰. el método propuesto de cuantificar el ajuste del casco, sensores de ajuste de fuerza, crea un medio objetivo de comparar diferentes casco montar escenarios en forma de media y desviación estándar de las fuerzas ejercidas en la cabeza. Estos ajuste fuerza valores representan la tirantez de un casco, así como la variación de la tensión experimentada en la cabeza. Estos sensores proporcionan una comparación cuantificada de las fuerzas que se pueden hacer entre distintos escenarios de ajuste. Un casco de seguridad ajustada mostraría mayor fuerza mientras que un casco flojo demostrar fuerzas más bajas. Este método de medición de la fuerza de ajuste es similar al índice de forma promedio propuesto por Jadischke⁵. Sin embargo, los métodos de Jadischke utilizan película sensible de la presión. Los sensores ópticos que presentamos permiten medición discreta de ajuste fuerza alrededor de la cabeza o casco.

Para la certificación de los cascos, se asegura un casco en una cabeza instrumentada, que entonces es levantado a una cierta altura caída. La cabeza y el casco sufre entonces una gota caída libre sobre un yunque mientras graba aceleraciones lineales. Aunque no típicamente utilizado en estándares de la industria de casco, un híbrido III (cabeza) y una Asamblea de cuello fueron utilizados en este trabajo, con una torre de caída guiada para simular impactos. En contraste con los estándares que normalmente se utilizan la cinemática lineal, la matriz de acelerómetro simulador también permite la determinación de la cinemática rotacional, un parámetro clave en la predicción de la probabilidad de lesiones de cerebro difusa, incluyendo conmoción cerebral¹¹ . A través de la medición de aceleración lineal y aceleración rotacional y la velocidad, las estimaciones de la severa lesión en la cabeza focal y difusa pueden hacerse mediante la comparación de la cinemática a los varios métodos de evaluación de lesiones basado en la cinemática propuesta en la literatura ^{12 , 13}. mientras que la cabeza fue desarrollado originalmente para la prueba de accidente de automóvil, su uso en casco evaluación y estimación del riesgo de lesión en la cabeza en el Paují impacto es bien documentado^2,14. La configuración de simulación de impacto también incluye una célula de carga de la parte superior del cuello, permitiendo que las fuerzas y momentos asociados a lesión en el cuello para medir. Riesgo de lesión de cuello puede estimarse entonces cinética de cuello en comparación con datos de la evaluación de lesiones de lesiones automotriz datos^12,13.

También se propone un método de seguimiento de movimiento de casco concerniente a la cabeza durante el impacto con video de alta velocidad. Actualmente, no hay métodos cuantitativos existen para evaluar la estabilidad del casco durante el impacto. La Comisión de seguridad de productos de consumo (CPSC)¹⁵ bicicleta casco norma pide una prueba de estabilidad posicional, pero no es representativo de un impacto. Además, si o no el casco sale de la cabeza es el único resultado medido por la prueba. Independientemente de la exposición de la cabeza a la lesión, un casco puede pasar aún mientras permanece en la cabeza durante las pruebas. El método propuesto de rastrear el movimiento del casco es similar a la posición de casco Index (HPI)¹⁵ y mide la distancia entre el borde del casco y la frente. Este desplazamiento de la cabeza-casco se realiza un seguimiento con imágenes de vídeo de alta velocidad a través de un impacto con el fin de obtener una representación de la exposición de la estabilidad y la cabeza de casco durante el impacto. Mediante la transformación lineal directa (DLT)¹⁶ y¹⁷ métodos de descomposición de valor único (SVD), los marcadores se realiza un seguimiento de dos cámaraspara determinar la ubicación del punto en el espacio tridimensional y entonces el desplazamiento relativo entre el casco y la cabeza.

Se investigan varios parámetros de ajuste y severidad de impacto. Los escenarios de impacto incluyen dos velocidades de impacto, dos que afectan a las superficies del yunque y primer torso y cabeza-primer impacto. Además de una superficie de yunque plano típico, un impacto del yunque ángulo también es simulado para inducir a un componente de la fuerza tangencial. Un torso-primer impacto, frente a un impacto cefálico, se incluye para simular un escenario en el cual hombro del jinete impacta el suelo antes de la cabeza, igualmente realizado en obra anterior¹⁸. Finalmente, se investigan estos escenarios cuatro casco ajuste: un ajuste regular, un ajuste de gran tamaño, un ajuste hacia delante y un ajuste hacia atrás. A diferencia de trabajos anteriores, colocación de casco en la cabeza es un parámetro investigado, así como ajuste de casco y tamaño de casco.

Protocol

1. arreglo de escenarios de ajuste casco definir montar escenarios para ser estudiado en un examen antropométrico dispositivo cabeza y cuello (hombre del percentil del híbrido III 50) con un perímetro cefálico de 575 mm. Nota: Se muestra un ejemplo de cuatro escenarios de ajuste en la tabla 1 con las posiciones del casco correspondiente a la figura 1. Los escenarios de ajuste hacia delanteros y hacia atrás se basaron en las definiciones de uso correct…

Representative Results

Ajuste de la fuerza de mediciónCada ajuste escenario, ajustar fuerza de medición fue realizada en cada ubicación del sensor (figura 12) y se realizó una prueba t asumiendo varianzas desiguales, para determinar la significación (p < 0.05). La desviación estándar promedio en todas las mediciones fue de ± 0,14 N. superior ajuste fuerzas indican un ajuste más apretado. …

Discussion

Aquí, métodos de investigación casco caben en cabeza Paují simulada se presentan impactos. Casco ajuste se cuantificó con sensores de fuerza forma impactos se simularon con un movimiento de cabeza y cuello en una torre de caída guiada y movimiento del casco fue registrado con video de alta velocidad. Escenarios de impacto diferentes fueron simuladas bajo diferentes escenarios aptos para investigar los efectos sobre las medidas biomecánicas de casco de montar.

El casco montar los sensore…

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