Kask uyum ve saklama ve biyomekanik önlemlerine baş ve boyun yaralanma simüle darbe incelemek için bir Test yatağı
Summary
Bir antropometrik baş ve boyun kullanarak, optik fiber tabanlı uyum zorla güç çeviriciler, baş ivme ve boyun kuvvet/an dönüştürücüleri bir dizi ve bir çift yüksek hız kamera sistemi, biz mevcut kask saklama ve biyomekanik üzerindeki etkileri test yatağı baş ve boyun yaralanma kafa etkisi ikincil önlemler.
Abstract
Geleneksel bilgelik ve uluslararası kask test ve sertifikasyon standartları dilde uygun kask sığacak ve tutma etkisi sırasında kask takan darbe kaynaklı yaralanmalara karşı korumada önemli faktörlerdir öneririz. Bu el yazması bir antropometrik test cihazı (ATD), bir dizi bölgesinde ivme güç çeviriciler darbe kaynaklı yaralanma mekanizmaları farklı kask uygun senaryolar simüle miğferli etkilerin analizi ile yılında araştırmak ve kuvvet boyun amaçlayan / an dönüştürücü, bir çift yüksek hızlı kamera sistemi ve kask-fit kuvvet sensörleri optik fiber Bragg Izgaralar göre bizim araştırma grubu geliştirdi. Etkileri simüle etmek için örs üzerine bir doğrusal Kılavuzu Demiryolu boyunca bir Araçlı bölgesinde ve esnek boyun düşer. Test yatağı 8.3 m/s, düz ve açılı etkisi yüzeyler üzerine hızlarda baş etkisi simülasyonu sağlar. Bölgesinde bir kask ile uygun ve çeşitli uygun senaryolar kask konum dizini ve/veya kask boyutu için bağlam belirli ayarlamalar yaparak benzetimi yapılabilir. Kask saklama ölçmek için kask baş hareketi post-hoc görüntü analizi kullanarak sayılabilir. Baş ve boyun yaralanma potansiyel ölçmek için biyomekanik önlemler bölgesinde hızlanma ve boyun kuvvet/andan göre ölçülür. İle kurulan insan tolerans eğrileri, karşılaştırma yoluyla biyomekanik bu önlemlerin ağır yaşamı tehdit eden ve/veya hafif yaygın beyin hasarı riskini tahmin edebilir ve osteoligamentous boyun yaralanma. Bilgimizi, özellikle uygun kask ve saklama göre baş ve boyun yaralanma biyomekanik etkileri değerlendirmek için geliştirilen ilk sunulan test yatağı var.
Introduction
Bisiklet kaskları tüm yaş1bisikletçiler için kafa travması nedeniyle karşı koruma sağlamak en epidemiyolojik kanıtlar gösteriyor. Biyomekanik edebiyat miğferli baş nispeten daha az şiddetli baş/beyin yaralanmaları korumasız (un miğferli) baş2göre çarpışmaya ikincil ayakta tutan tutarlı Tema sunar. Biraz araştırma zavallı kask uygun kafa travması3ne zaman düzgün uygun kask en etkili olduğunu ima, riski ile ilişkili olduğunu göstermektedir. İyi kask uyum tanımlamak için kullanılan ölçütlere bağlı olarak yanlış kask kullanımı miğferli bisikletçiler3arasında % 64 olarak yüksek bulundu. Bu başlığı uygun önem veya bir darbe baş yaralanma olasılığı ilgili epidemiyolojik kanıtlar mı ima rağmen işte doğru kask uygun olup olmadığını bir kontrollü laboratuvar ortamında deneysel bağlayabilmeniz değerlendirmek ya da kask saklama yaralanma biyomekanik önlemler üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bir çalışma motosiklet kask boyutlandırma sırasında miğferli etkileri bir Sonlu elemanlar modeli4ile simüle etkisini araştıran ilgili. Diğer ilişkili bir çalışma kask boyutlandırma sırasında futbol kask uygun Kuvvetleri ölçmek için basınç duyarlı film kullanırken deneysel etkileri5 etkisini inceler. İncelenen6,7, aynı zamanda geriye dönük bir uygun senaryo preadolescents6için bisiklet ve motosiklet kask etkileri sistemlerinde tutma etkisi olmuştur.
Bizim çalışma yöntemleri Bisiklet kask etkisini incelemek için yaralanma riski uygun kask kuvvet sensörleri ile uygun, antropometrik bir baş ve boyun ve stereoskopik yüksek hızlı kameralar ile etkileri simüle öneriyor. Bizim önerilen yöntemleri uyum ölçmek ve farklı gerçekçi etkisi senaryolarda yaralanma riski değerlendirmek hedeflerdir. İlgili yöntemler aksine, bizim iş, nerede uygun kask kullanımı çeşitli uygun Bisiklet kask inceler. Önceki benzer yöntemleri, baş kinematik belirlenir; Ancak, boyun yükleme ve baş-kask talebiyle da sayısal. Bisiklet boyun yaralanma Epidemiyolojisi boyun yaralanma nadir olduğunu göstermektedir rağmen onlar daha şiddetli baş etkileri ve hastaneye yatış8,9ile ilişkili olma eğilimindedirler. Kanıt olup olmadığını kask kullanımı boyun yaralanma8 oranda azaltır karıştırılır ve atıf epidemiyolojik çalışmalar hiçbiri uygun kask yönlerini ölçmek. Bisiklet boyun yaralanma daha şiddetli kazalar ile ilişkili olma eğilimindedir ve bu başlığı uygun boyun yaralanma Epidemiyoloji muayene değil gerçeği göz önüne alındığında, baş ve boyun yaralanma incelenmesi için biyomekanik araştırma değerli yöntemlerdir. Tüm durumlarda kontrol etkisi önem veya uygun kask için cant epidemiyolojik çalışmalar tamamlayıcı biyomekanik çalışmalar tür deneysel yöntemler kullanılabilir.
Çalışmamızda, baş ve kask arasında göreceli hareketleri sırasında etkisi izleme yeni bir yöntem geliştirdi. Kaskı kafasına hamle olup olmadığını izleme olanağı kask istikrar ve pozlama korumasız kafasının içine değerli bilgiler yaralanma sırasında etkisi verebilir. Uygun kask araştıran bir çalışmada, kask istikrar ve baş pozlama kask performans değerlendirilmesinde özellikle değerlidir. İlgili çalışma, farklı etkisi ve uyum aksine çeşitli kask konumlandırma vurgulayan senaryoları da test edilecektir.
Şu anda, doğru kask sığacak öznel ve nonspecifically tanımlanmış. Genel olarak, iyi kask sığacak istikrar ve konumu ile karakterizedir. Kaskı kafasına bir kez güvenli hareket için dayanıklı olmalıdır ve öyle ki kaşlar değil kaplıdır ve alnına aşırı maruz yerleştirilmiş olmalıdır. Ayrıca, yaklaşık bir parmak genişliğinde alan çene ve miğfer3arasında uygun olmalıdır. Sayısal kask uygun önlemler yaygın değildir; kuvvet dışında kask uygun yöntem karşılaştırın baş ve kask geometri karşılaştırılmasına dayanan. Böyle bir yöntem kask sığacak Ellena vd tarafından önerilen dizin. 10. kask uygun, uygun kuvvet sensörleri, miktarının bizim önerilen yöntem farklı kask uygun senaryolarda form ortalama ve standart sapma kafasına sarf güçlerinin karşılaştırarak, nesnel bir yol oluşturur. Bu uyum kuvvet değerleri temsil bir kask gerginlik, hem de gerginlik varyasyonu kafasına deneyimli. Bu Sensörler farklı uygun senaryolar arasında yapılabilir güçlerinin quantified bir karşılaştırma sağlar. Gevşek bir kask daha düşük Kuvvetleri gösterirken güvenli sıkı uygun kask daha yüksek kuvvetler gösterir. Bu yöntem uygun kuvvet ölçü ortalama uygun Jadischke5tarafından önerilen dizin benzer. Ancak, Jadischke’nın yöntemleri basınç duyarlı film kullanmak. Biz mevcut optik sensörler baş veya kask çevresinde uygun gücünün göze batmayan ölçüm sağlar.
İçin sertifika kask kask sonra belli bir yükseklikten düştü gibi kaldırdı Araçlı bir bölgesinde üzerinde sabitlenir. Baş ve kask tabidir sonra bir serbest düşme damla örs üzerine lineer ivmeler kaydederken. Değil genellikle kask endüstri standartlarını kullanılmış olmasına rağmen bir melez III baş (bölgesinde) ve boyun derleme bu iş etkileri benzetimini yapmak için bir rehber eşliğinde açılan kule ile kullanılmaya başlanmıştır. Genellikle doğrusal kinematik kullandığı standartlar aksine bölgesinde accelerometer dizi aynı zamanda dönme kinematik, diffüz beyin yaralanmaları, beyin sarsıntısı11 de dahil olmak üzere, olasılığını öngörmede önemli bir parametre tayini sağlar . Lineer hızlandırma ve dönme hızlanma ve hız ölçümü ile kinematik birkaç önerilen kinematik tabanlı yaralanma değerlendirme yöntemleri literatürde karşılaştırarak ağır odak ve diffüz kafa travması tahminler yapılabilir 12 , 13. bölgesinde was orijinal gelişmiş otomotiv crash test etmek için ise, onun kask değerlendirme ve tahmini miğferli darbe travması riski iyi belgelenmiş2,14kullanılıyor. Etkisi simülasyon Kur aynı zamanda kuvvetler ve ölçülecek boyun yaralanma ile ilişkili birkaç dakika izin veren bir üst boyun yük hücresi içerir. Boyun yaralanma riski sonra boyun Kinetik yaralanma değerlendirme verileri için otomotiv yaralanma veri12,13karşılaştırarak tahmin edilebilir.
Yüksek hızlı video ile çarpışma sırasında kask hareket kafasına göre izleme yöntemi Ayrıca önerilmiştir. Şu anda, nicel yöntemlerin kask istikrar sırasında etkisini değerlendirmek için vardır. Tüketici ürün Komisyonu (CPSC)15 Bisiklet kask standart bir konumsal istikrar testi için diyor ama bir etki temsilcisi değil. Ayrıca, olsun veya olmasın bölgesinde kask gelir testi ile ölçülen tek sonuç olur; Testler sırasında üzerinde bölgesinde kaldığı sürece baş yaralanma için pozlama ne olursa olsun bir kask hala geçebilir. Kask hareketi izlemek için önerilen yöntem kask pozisyon dizin (HPI)15 ‘ e benzer ve kask ağzına kadar ve alın arasındaki uzaklığı ölçer. Bu kafa-kask deplasman kask istikrar ve baş pozlama gösterimi sırasında etkisi elde etmek için yüksek hızlı video görüntüleri etkisi boyunca kullanarak izlenir. Doğrudan lineer dönüşümü (DLT)16 ve tek değer ayrıştırma (SVG)17 yöntemleri kullanarak, işaretleri iki kamera izlenirüç-boyutlu uzayda ve sonra kask ve kafa arasındaki göreceli öteleme noktası yerlerde belirlemek için.
Birkaç darbe şiddeti ve uygun parametreleri incelenmiştir. Etkisi senaryolar iki örs yüzeyler ve gövde-ilk ve kafa ilk etkileri etkileyen iki darbe hızı içerir. Tipik düz örs yüzey ek olarak açılı örs etkisi de teğet kuvvet bileşen ikna etmek için simüle. Bir kafa ilk etkisi karşı bir gövde-ilk etkisi bir binicinin omuz başından benzer şekilde önceki iş18yılında gerçekleştirilen önce yere etkileri bir senaryo benzetimi yapmak için bulunur. Son olarak, bu dört kask uygun senaryolar incelenmiştir: düzenli bir uyum, bir büyük boy uyum, ileri bir uyum ve bir geriye dönük uyum. Önceki, kask kafasına konumlandırma bir incelenen parametresi, aynı zamanda kask uyum ve kask boyutlandırma bir iştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Buraya, yöntemleri araştıran kask için etkileri sunulmaktadır simüle miğferli kafasına uygun. Uygun kask uygun kuvvet sensörleri ile sayısal, etkileri bir ATD bölgesinde ve boyun destekli açılan kule üzerinde simüle ve kask hareket yüksek hızda video ile takip edildi. Farklı etki senaryolar altında uygun kask biyomekanik önlemler üzerindeki etkilerini araştırmak için farklı uygun senaryolar simüle.
Uygun kask sensörler zinde kuvvetler farklı kask uygun senaryolar (<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Doğa Bilimleri ve mühendislik Araştırma Konseyi (NSERC) Kanada (keşif hibe 435921), Pashby spor emanet fonu fon minnetle anıyoruz (2016: RES0028760), Banting Araştırma Vakfı (keşif Ödülü 31214), NBEC A.ş. () Kanada) ve mühendislik ve Alberta Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi.
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).
