Ein Prüfstand Helm Passform und Retention und biomechanischen Maßnahmen von Kopf- und Nackenverletzungen in simulierten Auswirkungen prüfen

Summary

Mit einem anthropometrischen Kopf und Hals, Glasfaser-basierten Passform zwingen, Wandler, ein Array von Kopf Beschleunigung und Hals Kraft/Moment Aufnehmer und ein dual High-speed-Kamera-System, präsentieren wir einen Prüfstand Helm Retention und Auswirkungen auf die biomechanischen studieren Maßnahmen von Kopf und Hals Verletzungen sekundär zu Kopf Auswirkungen.

Abstract

Konventionelle Weisheit und die Sprache in internationalen Helm Prüfung und Zertifizierung Normen legen nahe, dass entsprechende Helm passen und Aufbewahrung während eines Aufpralls sind wichtige Faktoren bei den Helm-Träger vor Auswirkungen-induzierten Schädigung zu schützen. Dieses Manuskript soll untersuchen Auswirkungen-induzierte Verletzungen Mechanismen in verschiedenen Helm passen Szenarien durch Analyse der simulierten behelmter Auswirkungen bei einer anthropometrischen Testgerät (ATD), ein Array von Kopfform Beschleunigung Wandler und Hals Kraft / in unserer Forschungsgruppe basierend auf Bragg-Gitter in Glasfaser entwickelt Moment Aufnehmer, ein dual-high-Speed-Kamera-System und Helm-Fit Kraftsensoren. Zur Simulation der Auswirkungen fallen einer instrumentierten Kopfform und flexiblen Hals entlang eine lineare Führungsschiene auf einen Amboss. Der Prüfstand ermöglicht die Simulation der Kopf Auswirkungen bei Geschwindigkeiten bis zu 8,3 m/s auf Aufprallflächen, die flachen und schrägen sind. Die Kopfform ist mit einen Sturzhelm und mehrere Fit Szenarien simuliert werden, indem Kontext spezifische Anpassungen an den Helm Positionsindex und/oder Helmgröße. Um Helm Aufbewahrung zu quantifizieren, ist die Bewegung des Helmes auf dem Kopf quantifiziert mit Post-hoc-Bildanalyse. Um Kopf und Hals Verletzungen mögliche zu quantifizieren, werden biomechanische Maßnahmen anhand der Kopfform Beschleunigung und Hals Kraft/Moment gemessen. Diese biomechanischen Maßnahmen durch den Vergleich mit etablierten menschlichen Toleranz Kurven, können das Risiko einer schweren lebensbedrohlichen und/oder leichte diffuse Hirnverletzung abschätzen und Osteoligamentous Hals Verletzungen. Unseres Wissens ist die vorgestellten Testfeld das erste speziell entwickelt, um biomechanischen Auswirkungen auf Kopf und Nacken Verletzung relativ Helm passen und Retention.

Introduction

Die meisten epidemiologischen Hinweise darauf, Fahrradhelme bieten Schutz vor Kopfverletzungen für Radfahrer aller Altersgruppen¹. Die biomechanische Literatur präsentiert das konsequente Design, das den behelmten Kopf relativ weniger schwere Kopf/Gehirn Verletzungen sekundär zu beeinflussen, im Vergleich zu den ungeschützten (UN-behelmter) Kopf²trägt. Einige Untersuchungen zeigen, dass schlechte Helm passen verbunden mit einem erhöhten Risiko von Kopfverletzungen^{3 ist}, was bedeutet, dass Helme am effektivsten sind, wenn richtig passen. Je nach den Kriterien guter Helm Passform definiert falsche Helm benutzen erwies sich so hoch wie bei den behelmte Radfahrer³64 %. Trotz epidemiologische Anhaltspunkte dafür, dass Helm passen in die schwere oder die Wahrscheinlichkeit einer Kopfverletzung bei einem Aufprall relevant ist, gibt es minimale experimentelle Arbeit Beurteilung in einer kontrollierten Laborumgebung, ob richtige Helm passen oder Helm zurückhalten hat erhebliche Auswirkungen auf die biomechanischen Maßnahmen Verletzungsgefahr. Eine bezogene Studie untersucht die Wirkung der Motorrad Helm Größenanpassung während behelmter Auswirkungen simuliert mit einem finite-Elemente-Modell⁴. Eine andere bezogene Studie untersucht die Wirkung der Helm Größenanpassung während experimentelle Auswirkungen⁵ während der Verwendung sensibler Film Druck, um Fit Kräfte im Fußball Helme zu quantifizieren. Die Wirkung der Rückhaltesysteme im Fahrrad und Motorrad Helm Auswirkungen wurden untersuchten^6,7, sowie ein rückwärts Fit Szenario für Preadolescents⁶.

Unsere Arbeit schlägt Methoden, um die Wirkung der Fahrradhelm passen auf das Risiko von Verletzungen mit Helm passen Kraftsensoren, simuliert Auswirkungen mit einer anthropometrischen Kopf und Hals und stereoskopische Hochgeschwindigkeitskameras. Die Ziele unserer vorgeschlagenen Methoden sind Passform zu quantifizieren und das Risiko von Verletzungen in verschiedenen realistischen Auswirkungen Szenarien zu bewerten. Im Gegensatz zu verwandten Methoden untersucht unsere Arbeit Fahrradhelm passen, wo richtige Helm benutzen variiert wird. Ähnlich wie bei vorherigen Methoden, Kopf Kinematik bestimmt sind; Hals-be- und Kopf-Helm Verschiebungen werden jedoch auch quantifiziert. Obwohl die Epidemiologie der Nackenverletzung im Radsport vermuten lässt, dass Nackenverletzungen selten sind, sind sie tendenziell schwerer Kopf Auswirkungen und Krankenhausaufenthalt^8,9zugeordnet werden. Der Beweis ist auf ob Helm benutzen reduziert die Preise von Hals Verletzungen⁸ gemischt und keines der genannten epidemiologischen Studien quantifizieren Aspekte der Helm passt. In Anbetracht der Tatsache, die Nackenverletzung im Radsport tendenziell mehr schwere Unfälle zugeordnet werden und dass Helm passen nicht in Hals Verletzungen Epidemiologie geprüft wurden sind Methoden zur Untersuchung von Kopf und Hals Verletzungen in biomechanische Forschung wertvoll. Diese experimentellen Methoden könnte in biomechanische Studien verwendet werden, die epidemiologische Studien ergänzen die nicht in allen Fällen Steuerung für schwere Auswirkungen oder Helm passen.

In unserer Arbeit wurde eine neuartige Methode zur Überwachung von Relativbewegungen zwischen Kopf und Helm während des Aufpralls entwickelt. Die Fähigkeit zur Überwachung, unabhängig davon, ob der Helm auf dem Kopf bewegt kann wertvolle Einblicke in Helm Stabilität und Strahlenbelastung des ungeschützten Kopfes Verletzungen während des Aufpralls geben. In einer Studie untersucht Helm passen sind Helm Stabilität und Kopf Exposition besonders wertvoll im Helm Leistungsbewertung. Im Gegensatz zu den damit verbundenen Arbeiten, unterschiedliche Auswirkungen und Passform werden Szenarien betonend, abwechslungsreiche Helm Positionierung auch getestet werden.

Derzeit ist richtige Helm passen subjektive und nonspecifically definiert. Im Allgemeinen zeichnet sich guter Helm passen durch Stabilität und Position. Der Helm sollte resistent gegen Bewegung einmal am Kopf befestigt werden und sollte positioniert werden, so dass die Augenbrauen nicht erfasst sind und die Stirn ist nicht übermäßig ausgesetzt. Darüber hinaus sollte etwa eine Fingerbreite Platz zwischen dem Kinn und Kinnriemen³passen. Maßnahmen der Quantifizierung Helm passen sind nicht weit verbreitet; außer Kraft, können Methoden vergleichen Helm Passform basiert auf dem Vergleich von Kopf und Helm Geometrie. Eine solche Methode ist der Helm passen Index von Ellena Et Al. vorgeschlagen ¹⁰. unsere vorgeschlagene Methode zur Quantifizierung der Helm passt, Fit Kraftsensoren, schafft ein objektiven Grundlagen für den Vergleich der verschiedenen Helm passen Szenarien in Form von Mittelwert und Standardabweichung der Kräfte, die auf den Kopf. Diese Passform zwingen Werte repräsentieren die Dichtheit eines Helmes sowie die Variation der Dichtheit erfahrenen auf dem Kopf. Diese Sensoren bieten einen quantifizierten Vergleich der Kräfte, die zwischen verschiedenen Szenarien Fit gemacht werden können. Ein sichere eng anliegende Helm würde höhere Kräfte zeigen, während ein lose Helm niederen Kräfte anzeigen würde. Diese Methode der Fit Kraftmessung ist vergleichbar mit dem durchschnittlichen Fit Index von Jadischke⁵vorgeschlagen. Allerdings nutzen Jadischkes Methoden Druck sensibler Film. Die optischen Sensoren präsentieren wir ermöglichen unauffällige Messung Fit Kraft um den Kopf oder Helm.

Für die Zertifizierung von Helmen ist ein Helm auf einer instrumentierten Kopfform gesichert, die dann ausgelöst wird, zu einer bestimmten Höhe fallen gelassen werden. Kopf und Helm unterliegt dann einem Freifall-Tropfen auf einen Amboss während der Aufnahme von linearen Beschleunigungen. Obwohl in der Regel nicht im Helm-Industrie-Standards verwendet, dienten ein Hybrid III Kopf (Kopfform) und Hals Montage in diese Arbeit mit einer geführten Fallturm Auswirkungen zu simulieren. Im Gegensatz zu den Standards, die in der Regel lineare Kinematik verwenden, erlaubt die Kopfform Beschleunigungsmesser Array auch die Bestimmung der rotatorischen Kinematik, ein wichtiger Parameter bei der Vorhersage der Wahrscheinlichkeit einer diffusen-Hirn-Verletzungen, einschließlich Gehirnerschütterung¹¹ . Durch Messung der linearen Beschleunigung und rotatorische Beschleunigung und Geschwindigkeit Schätzungen der schwere fokalen und diffusen Kopfverletzung erfolgt durch Vergleich der Kinematik, die mehrere vorgeschlagene Kinematik-basierte Verletzungen Bewertungsmethoden in der Literatur ^{12 , 13}. während die Kopfform für automotive Crashtests entwickelt wurde, ist seine Verwendung in Helm Bewertung und Abschätzung des Risikos der Kopfverletzung in behelmter Auswirkungen gut dokumentiert^2,14. Die Auswirkungen Simulation Setup enthält auch eine Wägezelle oberen Hals, so dass die Kräfte und Momente mit Nackenschmerzen verbunden zu messenden. Hals-Verletzungsgefahr kann dann durch einen Vergleich Hals Kinetik zu Verletzungen Bewertungsdaten von automotive Verletzung Daten^12,13geschätzt werden.

Außerdem wird eine Methode zur Verfolgung Helm Bewegung im Verhältnis zu den Kopf während des Aufpralls mit high-Speed Video vorgeschlagen. Derzeit gibt es keine quantitative Methoden um Helm Stabilität während des Aufpralls zu bewerten. Die Consumer Product Safety Commission (CPSC)¹⁵ Fahrrad Helm Standard fordert eine Lagestabilität Test, aber ist nicht Vertreter eines Aufpralls. Darüber hinaus ergibt unabhängig davon, ob der Helm kommt aus der Kopfform sich nur durch den Test gemessen. Unabhängig von der Strahlenbelastung des Kopfes zu Verletzungen kann ein Helm noch passieren, solange es bei Tests auf die Kopfform bleibt. Die vorgeschlagene Methode von tracking-Helm Bewegung ähnelt dem Helm Position Index (HPI)¹⁵ und misst den Abstand zwischen den Rand eines Helmes und die Stirn. Diese Kopf-Helm Verschiebung wird verfolgt, mit High-Speed-video-Aufnahmen in der gesamten Auswirkungen um eine Darstellung der Helm Stabilität und Kopf Belichtung während des Aufpralls zu erhalten. Mit direkter lineare verwandeln (DLT)¹⁶ und einzigen Wert Zersetzung (SVD)¹⁷ Methoden werden Markierungen von zwei Kameras verfolgt.Positionen der Punkte im dreidimensionalen Raum und dann die relative Verschiebung zwischen Helm und Kopf zu bestimmen.

Verschiedene Auswirkungen schwere und Passform Parameter untersucht werden. Die Auswirkungen Szenarien umfassen zwei Aufprallgeschwindigkeiten, zwei Auswirkungen auf Amboss Oberflächen und Torso-erste und Kopf-erste Auswirkungen. Neben einer typischen flachen Amboss-Oberfläche ist abgewinkelt Amboss Auswirkungen auch simuliert, um eine tangentiale Kraftkomponente induzieren. Eine Torso-erste Auswirkungen, im Gegensatz zu einen kopfüber Einfluss ist im Preis inbegriffen, ein Szenario zu simulieren, in der Schulter des Fahrers wirkt sich auf den Boden vor den Kopf, ähnlich wie in früheren Arbeiten¹⁸durchgeführt. Schließlich werden diese vier Helm passen Szenarien untersucht: ein regular-Fit, oversized-Passform, eine nach vorne Passform und eine nach hinten Passform. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten ist die Positionierung Helm auf dem Kopf einer untersuchten Parameter sowie Helm Fit und Helm Größe.

Protocol

1. Helm passen Szenarien Anordnung Define passen Szenarien untersucht werden, auf eine anthropometrische Test Gerätekopf und Hals (Hybrid III 50. Perzentil männlich) mit einem Kopfumfang von 575 mm. Hinweis: Ein Beispiel für vier Fit Szenarien ist in Tabelle 1 mit Helm Positionen entsprechend Abbildung 1 dargestellt. Die vorwärts und rückwärts Fit Szenarien beruhten auf Definitionen der richtige Helm benutzen aus früheren epidemiologischen Studien, …

Representative Results

Fit KraftmessungFür jedes Szenario passen, passen Kraft Messung an jedem Sensor-Standort (Abbildung 12) durchgeführt wurde und ein t-Test, ungleiche Varianzen vorausgesetzt wurde durchgeführt, um die Bedeutung zu bestimmen (p < 0,05). Die durchschnittliche Standardabweichung über alle Messungen betrug ± 0,14 N. Higher Fit Kräfte zeigen eine engere Passform. Kin…

Discussion

Methoden zur Untersuchung Helm passt hier, in simulierten behelmter Kopf, den Auswirkungen dargestellt werden. Helm passen wurde mit Fit Kraftsensoren quantifiziert, Auswirkungen wurden mit einem ATD Kopfform und Hals auf eine geführte Fallturm simuliert und Helm-Bewegung wurde mit high-Speed Video verfolgt. Unter verschiedenen Fit Szenarien, die Auswirkungen auf die biomechanischen Maßnahmen der Helm passt zu untersuchen wurden unterschiedliche Auswirkungen Szenarien simuliert.

Die Helm pas…

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