感謝する自然科学と工学研究評議会 (レベル) カナダ (発見助成金 435921) Pashby スポーツ安全基金からの資金 (2016: RES0028760)、バンティング研究財団 (ディスカバリー賞 31214), NBEC 株式会社 (カナダ)、およびアルバータの大学機械工学科物質工学科。

1 ヘルメットに合わせてシナリオ配置 <ol><li>定義に合う身体テスト ・ デバイス ・ ヘッドと首 (ハイブリッド III 50 パーセンタイル男性) 575 mm の頭囲について検討すべきシナリオ。 。
	注: フィットの 4 つのシナリオの例は 図 1 に対応するヘルメットの位置の 表 1 に示します。前方と後方のフィット シナリオがない眉毛をカバーもしくは額 3 として適切なヘルメットの位置を指定された以前の疫学的研究から正しいヘルメット使用の定義に基づいていたします</li>。
	<li>各シナリオについて、ヘルメットに合わせてシナリオが一貫して繰り返されますように一夜に各ヘルメットの位置をマークします</li>。
	<li>CPSC の認定ヘルメット、普遍的な特大サイズで利用可能なを使用して、シナリオに合わせすべてのため 。
	注: 製造元提供のフィット ガイドによるとユニバーサル サイズ最も適切に収まる一夜まわり。
	<ol><li>維持その他適合パラメーターの一貫性のあるシナリオを合わせそれぞれのため。具体的には、あごの下のスペースの約 1 本の指の幅を残して、しっかりとフィットを維持するために調節可能なダイヤルを手締めますあごひもを締め</li>。
	</ol></li></ol> 2。力の測定に合わせて 一夜、肌に <ol><li>アレンジ 5 フィット センサー配置、前面、背面、左、右と上 ( 図 2). 
	注: センサーは、グレーティング研究グループ 19 , 20 , 21 , 内で開発力センサーの修正版 22, 0 ~ 50 n. の範囲でフィット力の測定に最適化変更されたセンサーそれぞれ厚さと 2.6 mm と 14 mm の直径がある</li>。
	<li>は、負荷がない非ヘルメットをかぶった一夜をトランスデューサーとの基準測定値を取る。各適合力測定前にこの基準値の測定を取る</li>。
	2.5 kHz のレートで <li>場所 3 の一夜と測定力データにヘルメット s。繰り返し測定のため 6 回のフィットと同じシナリオを繰り返します</li>。
	<li>シナリオに合わせすべてのために同じ測定手順を繰り返します</li>。
	<li>変換波長シフト データ フィットのための前もって決定された校正定数探触子から測定波長を乗じて測定を強制的に強制的にトランスデューサー</li>。
</ol> 3。衝撃シミュレーションのための落下塔 <ol><li>シミュレート頭部への衝撃、ヘルメットをかぶった直線的影響面 19 , 23 をヒットする一夜を導くことによって。これを行うに必要な機器は下記のとおり、特定コンテキスト。
	<ol><li>から成っている調節可能なドロップ ジンバル、身体テスト ・ デバイス ・ ヘッドと首、変数影響表面にアセンブル落下塔 。
		注: 合計ドロップ アセンブリ質量は約 11 キロ。現実的な影響 24 シミュレートするために効果的な胴体質量として完全な人間体除外のジンバル アカウントの付加質量</li>。
		<li>手配 9 一軸加速度計で 3-2-2-2 線形を許可する一夜と角加速度重力の中心 25 で決定する一夜の内にある構成します</li>。
		<li>衝撃の直前に及ぼす衝撃速度を測定する衝撃タワーの建設目的速度ゲートを配置します</li>。
	</ol></li> <li>データ集録システムを使用して頭部の加速度と首フォース/モーメント データを収集します。すべてのチャネルのために 100 kHz でサンプリング、アナログ電圧をフィルター処理します。データ集録システムの前に角周波数は 4 kHz 26 ハードウェア アンチエイリアシング ローパス フィルターが含まれています</li>。
	<li>影響のシナリオをアレンジします。
	<ol><li>すべての影響、モーショントラッ キング中より良い可視性を許可するのにヘルメットのバイザーを削除します。インパクト時にバイザーの効果はその緩やかな添付ファイルのためにごくわずかと見なされます</li>。
		<li>は、額に影響を与えるすべての滴を配置します。これは、影響の共通の場所サイクリング 27、その他のシナリオをシミュレートすることも可能性があります</li>。
		<li>を変えることによってシミュレート 6 異なる影響シナリオに影響を与える速度、面、および 表 2 に従って先頭または胴体最初影響します</li>。
		<li>レイズ適切な高さに一夜、衝撃速度を指定に対応します。それぞれ 4 m/s と 6 m/s の速度を達成するために適切な高さ、0.82 m 通常 1.83 m と一夜をドロップします 。
		注: は、摩擦損失を克服するために必要に応じて高さを追加します。4 m/s と 6 m/s の 2 つの影響の速度は以前の文学と基準 28 を基選択できます</li>。
		<li>は、打撃面を配置します。
		<ol><li>配置はフラットか 45 ° 傾斜アンビル ( 図 4)。フラットのアンビルが平らな面に滝をシミュレートし、傾斜アンビルと接線方向速度成分の影響をシミュレートします</li>。
			<li>は、アスファルトの表面をシミュレートする研磨テープのアンビルの面の両方をカバーします。必要に応じて影響を受けるヘルメット アンビルの平らな面のみに接触への影響、アンビルの位置を調整します</li>。
		</ol></li></ol></li> <li>先頭または胴体最初の影響のため落下塔を配置します。胴体影響の組み合わせと同様で、先頭と胴体最初の影響をシミュレート ・ スミス ら に影響を与える構成の読み込み。 18 <ol><li>頭位の影響をシミュレートするために落下塔を調整しないでください</li>。
		胴、頭の前に地面を押すをシミュレートする <li>は、ドロップ ジンバルのパスで木製のブロックを配置します。頭が胴体影響でアンビルに影響を与えるから約 25 mm の高さでこの木製のブロックを配置します。頭頸部屈曲のみによるアンビルをヒット継続されます</li>。
		<li>落下塔 ( 図 5) からの振動を最小限に抑えるために泡の層が含まれています</li>。
		<li>、頭位の影響と対照をなして胴体最初の影響で首の角度を調整します 。
		注: この首の角度調整ヘッド屈曲後額にアンビルに影響するため、衝突の場所は先頭の影響の例 ( 図 6) に匹敵することができます。額への影響に加えてこの胴体最初シナリオ確かに側面衝突同様に関連するでしょう。先頭と胴体最初の両方の面でこのジンバル システムは、トラックに沿って頭頸部の運動後の衝撃</li>。
	</ol></li> <li>同時にデータ集録システム、高速度カメラ (セクション 4 を参照)、一夜のドロップをトリガーします。同じ影響とたびに新しいヘルメットで 3 回フィット シナリオ構成を繰り返します 。
	注: 高速カメラのセクション 4 で詳述落下塔と並行して設定する必要があります</li>。
	<li>は、6 の異なる影響シナリオのそれぞれに 4 つのフィットのシナリオのそれぞれを対象します。各構成の 3 試験後 72 滴の合計を実行します</li>。
	<li>一夜の運動学的・動力学的データをポスト プロセスします。
	<ol><li>加速とフォース/モーメント インダスを満たすために後処理で 4 th 順序バターワース フィルターを使用した際にフィルター アナログ信号推奨される方法は 26 をみてください。頭部の加速度と首力チャネル周波数クラス (CFC) 1000 あたりをフィルターします。首瞬間フロン 600 ごとにフィルターを適用します</li>。
	</ol></li></ol> 4。モーション キャプチャの高速デュアル カメラ システムを用いた 注: 2 台の高速度カメラから記録マーカー位置の DLT 法 16 で決定する三次元マーカー位置を許可します。後処理。頭部ヘルメットの変位を決定する頭部とヘルメットの両方でインパクト時のマーカーを追跡する.。
<ol><li>落下塔周りの高速カメラを配置します。
	<ol><li>配置の低下のまわりの 2 つの高速カメラはヘルメットと一夜動きの同期キャプチャ画像にインパクト時タワーします。
		<ol><li>マスター カメラ落下塔の側に置き、約 45 ° ( 図 7) マスターからスレーブ カメラを配置します。十分な露出を可能にするカメラ間の 250 W の光のセットアップします</li>。
		</ol></li></ol></li> <li>高速度カメラを構成します。
	50 ミリメートル f/1.4 または 100 ミリメートル f/2.0 マクロ レンズ、必要な視野によって <ol><li>各装備カメラ。F/8.0 でレンズの開口部を設定します 。
		注: この開口部は、必要な被写し界深度で十分にシャープなフォーカスのことができます。影響のシナリオに応じて、30 〜 60 センチメートルからビューの必要なフィールドが長射程します</li>。
		<li>は、2 番目またはより高速な当たり 1000 フレームのフレーム レートで 1280 x 800 ピクセルで記録する両方のカメラを設定します。したがって、フレームあたりの最大露出時間 600 μ s になります</li>。
		<li>は、フレームと内部クロックの 2 台のカメラを同期させます。同時に両方のカメラをトリガーするようにトリガーを設定します</li>。
	</ol></li> <li>校正フレーム各カメラからの静止画像を撮影して、スペースをキャリブレーションします 。
	注: 直接線形変換 (DLT) メソッドのスペース調整する必要が最初。
	<ol><li>は、両方のカメラの視野に 17 知られているキャリブレーション ポイントの位置と校正ケージを移動し、各カメラから単一の画像を取る。少なくとも 11 の共通点は、両方のカメラから見える必要があります</li>。
		<li>検索ソフトウェアのトラッキングを各マーカーの 2 次元座標 。
		メモ: 座標測定機 (CMM) DLT 校正前に校正ケージのポイントの位置が決まります</li>。
		<li>校正マーカーで実行される一連の計算を使用して &#39; 座標 (DLT として知られている) 16、三次元座標校正ケージに任意の 2 つの次元のマーカーの場所に変換後処理で座標系</li>。
	</ol></li> <li>ヘルメット変位を定量化する一夜の額にポイントと追跡ソフトウェアを使用してヘルメットのつばの間の距離を追跡します 。
	注: これらのポイントを両方のカメラから表示されないので、一夜各 3 つ目に見えるマーカーのセットを追跡し、代わりにヘルメットします。額やヘルメットの上ポイント、直接追跡できますありません</li>。
	<li>モーショントラッ キングの一夜にマーカーを置き、各カメラから一夜のまだ参照イメージを取る。
	<ol><li>の間接マーカー追跡のこのメソッドでは、各カメラで一夜参照イメージを取る。この参照イメージが 3 つのマーカーと頭で定義されている参照マーカーで構成されていることを確認します</li>。
		<li>は、両方のカメラに残っている間 3 つの参照点の位置を使用してマーカー間の距離を最大化する &#39; ビューのフィールド 。
		注: 距離を最大化するエラーを追跡する追跡感度の間接マーカーを減少させることによってより精度のことができます。ポスト処理、額の位置の推定だけでなく、運動の三次元再構成を可能にする 3 つのマーカーです</li>。
		<li>は低額に目の間参照マーカーを押し、他のマーカーにまたがって一夜。これらの 3 つの他のマーカーが影響を与える ( 図 8) で両方のカメラから表示されていることを確認します</li>。
	</ol></li> <li>モーショントラッ キングのヘルメットにマーカーを置き、一夜参照 (セクション 4.5) のとおり、まだ各カメラからヘルメットの参照画像を取る。
	<ol><li>参照で構成されています、少なくとも 4 つのモーション トラッキング マーカーを表示することを確認します。参照としてヘルメットのつばの下に 1 つのマーカーを保持して、ヘルメットの他の 3 つのマーカーを普及します。これらの 3 つのマーカーが影響で両方のカメラから表示されることを確認します。ヘルメット参照 ( 図 9) の各カメラから単一の画像を撮影します</li>。
	</ol></li> <li>セクション 3 で説明したように、同時にデータ集録システム、高速度カメラ、一夜のドロップをトリガーします 。
	注: 落下塔は、同時に高速カメラを設定する必要があります。参照画像を服用後にドロップが行われます。
	<ol><li>アレンジ ヘルメット シナリオに適しています。ドロップを記録します。信号影響により手動でカメラをトリガーします。記録を整理、3 s はトリガーと 8 の前に記録トリガー後 s が記録されます。手動で確認し、ブラケットのみの影響を含む同期カメラ画像</li>。
	</ol></li></ol> 5。頭ヘルメット マーカー追跡と後処理 <ol><li>トラック カメラ固有のソフトウェアを使用して、衝撃で頭とヘルメット マーカー。
	ドロップあたり <ol><li>トラック 6 のポイント: ヘルメットと一夜 ( 図 10) の両方の 3 つ。ソフトウェアで、各マーカーの非定常二次元ピクセル座標を決定します</li>。
	</ol></li> <li>ドロップ時に履歴マーカーの 3次元座標を計算する DLT 法を使用します 。
	注: 校正ケージから校正データと 2 台のカメラからドロップ データ、DLT 法を決めることが履歴マーカーの 3次元座標ドロップ中です</li>。
	<li>一夜の額とヘルメットのつばの 3次元三次元座標を計算する (特異値分解) SVD 法 17 を使用します。この 2 点の違いは頭部ヘルメット変位。
	<ol><li>履歴マーカーから一夜の額とヘルメットのつば各特異メソッドを使用して、参照の位置を推定するポイントします</li>。
		<li>は、3 つのマーカーの参照フレームとドロップの個々 のフレームの間の変換行列を見つけるに特異値分解法を使用します。額またはヘルメットの縁の場所を見つけるにこの変換を適用できます</li>。
	</ol></li> <li>ヘルメットと一夜の両方のこの間接の追跡を行います。額とヘルメットのつば間の変位することができます ( 図 11) を監視します</li>。
</ol>

<ol>
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M., Rowson, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparative+analysis+of+helmeted+impact+response+of+Hybrid+III+and+National+Operating+Committee+on+Standards+for+Athletic+Equipment+headforms.">Comparative analysis of helmeted impact response of Hybrid III and National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment headforms.</a> Proc. Inst. Mech. Eng. Part P J. Sports Eng. Technol. 230 (1), 50-60 (2016).</li><li>de Jager, M., Sauren, A., Thunnissen, J., Wismans, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Global+and+a+Detailed+Mathematical+Model+for+Head-Neck+Dynamics.">Global and a Detailed Mathematical Model for Head-Neck Dynamics.</a> Proc. Stapp Car Crash Conf. 40, 269-281 (1996).</li><li>Aare, M., Halldin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+New+Laboratory+Rig+for+Evaluating+Helmets+Subject+to+Oblique+Impacts.">A New Laboratory Rig for Evaluating Helmets Subject to Oblique Impacts.</a> Traffic Inj. Prev. 4 (3), 240-248 (2003).</li></ol>

著者には開示する競合はなく、この作品の公開から財政的に得るために立っていません。

ここでは、調査ヘルメット法適合シミュレートされたヘルメットをかぶった頭への影響が表示されます。フィット ヘルメットの適合力センサーを用いた定量化を行った、ATD 一夜と首ガイド付きドロップ タワーの影響をシミュレートした、ヘルメットの動きは、高速ビデオで追跡されました。異なる影響シナリオをシミュレートしたさまざまなフィット シナリオに合うヘルメットの生体力学...

最も疫学的証拠では、自転車のヘルメットを提供すべての年齢1のサイクリストのための頭部外傷に対する保護を示唆しています。生体力学的文学は、ヘルメットをかぶった頭が比較的少ない厳しい頭部/脳傷害保護されていない (非ヘルメットをかぶった) ヘッド2を基準に、影響を与える二次を支える一貫したテーマを提示します。いくつかの研究では、貧しいヘルメット フィットが頭部外傷3ヘルメットがきちんと合うときに最も効果的なことを意味のリスクの増加に関連付けられていることを示唆しています。よいヘルメットの適合を定義するために使用する抽出条件によって正しくないヘルメットの使用はヘルメットをかぶった自転車364% と高いことが判明しました。疫学的証拠を示唆、重大度または頭部外傷の影響の可能性に関連してフィットするヘルメット、にもかかわらず、正しいヘルメットに合うかどうか、最小限の実験的作業は管理された実験室の設定で評価またはヘルメット保持損傷の生体力学的対策に大きな影響を及ぼします。1 つ関連研究はヘルメットをかぶった影響の有限要素モデル4とシミュレーション中にオートバイのヘルメット サイズの効果を調査しています。別の関連調査を行った実験的影響5フットボール用ヘルメットのフィット力を定量化する圧力敏感なフィルムを使用している間中ヘルメット サイズ変更の効果。中学6下位フィット シナリオと同様、調査6、7自転車やオートバイのヘルメットの影響で保持システムの効果がされています。
私たちの仕事は、自転車のヘルメットの効果を研究する手法フィット ヘルメット力センサーと傷害の危険に合う、人体の頭と首、立体高速カメラと影響をシミュレーションを提案します。提案方式の目的は、フィットを定量化し、別の現実的な影響シナリオで負傷の危険を評価することです。関連のメソッドとは対照的は、我々 の仕事は適合、適切なヘルメットの使用は様々 な自転車のヘルメットを調査します。頭の運動前に同様のメソッドが決定されます。しかし、首の読み込みと頭ヘルメット変位は定量化も。サイクリングで頸部損傷の疫学では、首の負傷が多いことを示唆している、彼らはより深刻な頭部の影響および入院8,9に関連する傾向があります。ヘルメットの着用が首の負傷8の率を低減するかどうかの証拠を混合して引用された疫学の研究のどれもがフィット ヘルメットの側面を定量化します。サイクリングで首の負傷より深刻な事故に関連する傾向があるし、フィットするヘルメットは首の傷害の疫学検査されなかった事実を考える頭頚部外傷の調査の方法、生体力学的研究で貴重です。このような実験は、影響の重大度またはヘルメットに合わせてすべての場合コントロールのできない疫学研究を補完する生体力学的研究される可能性があります。
我々 の仕事では、インパクト時の頭とヘルメットの間の相対的な動きを監視する手法をしました。ヘルメットが頭の上に移動するかどうかを監視する機能は、衝突時の怪我にヘルメットの安定性と保護されていない頭の露出に貴重な洞察を与えることができます。フィット ヘルメットを調査研究、ヘルメットの安定性と頭部曝露がヘルメットの性能評価で特に貴重です。関連作業、異なる影響とフィットとは対照的、様々 なヘルメットの位置づけを強調してシナリオはテストも。
現在、正しいヘルメットの適合は主観的と特異的定義です。一般に合う良いヘルメットは、安定性と位置によって特徴付けられます。ヘルメットは一度頭の上保護の動きに耐えられるし、眉毛は扱われておらず、額が過度に公開されていないするように配置する必要があります。さらに、スペースの幅の約 1 本の指はあごとチンス トラップ3間合うべきであります。定量化のヘルメットに合わせての対策が蔓延しています。メソッド可能性がありますヘルメット フィットを比較、力以外頭とヘルメットの形状の比較に基づきます。このような方法の 1 つはエレナらによって提案されたヘルメットに合わせてインデックス10. ヘルメット フィット、フィット力センサーを定量化の提案は頭の上力の標準偏差と平均の形で別のヘルメットに合わせてシナリオを比較する客観的方法を作成します。これらのフィット力値を表す気密性の変化だけでなく、ヘルメットの気密性頭を経験豊富です。これらのセンサーは、フィットの異なるシナリオ間作ることができる力の定量化された比較を提供します。緩いヘルメットが低い部隊を表示しながら、安全なタイト フィット ヘルメットはより高い力を示すでしょう。適合力測定のこの方法は、Jadischke5によって提案された平均に合わせてインデックスに似ています。しかし、Jadischke の方法は、圧力敏感なフィルムを活用します。提案する光センサーは、頭やヘルメットの周りのフィット力の控えめな測定を許可します。
ヘルメットの認定、削除するある特定の高さに上げられるしのインストルメント化された一夜のヘルメットを確保します。頭とヘルメットは、アンビルに自由落下ドロップ対象と直線加速度を記録中。通常はヘルメット業界規格で使用される、ハイブリッド III 頭 (頭部) と首アセンブリへの影響をシミュレートするために導かれた落下塔で、この作品で使用されました。通常線形キネマティックを使用基準と対照をなして頭部加速度計アレイができます回転運動、びまん性脳損傷、脳震盪11を含む可能性を予測する上で重要なパラメーターの決定.文献で提案運動学に基づく損傷評価手法に運動を比較することによって直線加速度と回転加速度と速度の両方の測定を通して焦点とびまん性頭部外傷の見積もりを行う12,13。 一夜自動車のクラッシュ テストとして開発された、ヘルメット評価とヘルメットをかぶった衝撃で頭部外傷リスクの推定に使用はよくとり上げられる2,14。衝撃シミュレーション セットアップには、力と測定する首の負傷に関連付けられた瞬間、首の上部負荷セルも含まれています。首の傷害の危険は、自動車傷害データ12,13から傷害評価データに首の速度を比較することによって推定できます。
高速ビデオとインパクト時ヘルメット頭の相対的な動きを追跡する方法も提案します。現在、インパクト時のヘルメットの安定性を評価するための定量法は存在しません。消費者製品安全委員会 (CPSC)15自転車ヘルメット標準位置安定性テストが影響を与えるの代表ではないです。さらに、ヘルメットが一夜を取れるかどうかはテストによって測定されるだけの結果です。頭のけがへの暴露, に関係なく、テスト中に一夜にとどまる限り、まだヘルメットを渡すことができます。ヘルメットの動きを追跡する手法は、ヘルメット位置指数 (HPI)15に似ており、ヘルメットのつばと額の間の距離を測定します。この頭ヘルメットの変位は、インパクト時のヘルメットの安定性と頭の露出の表現を取得するために影響を与える中高速の映像を使用して追跡されます。2 台のカメラから直接線形変換 (DLT)16および単一価値分解 (SVD)17メソッドを使用して、マーカーを追跡します。三次元空間とし、ヘルメットと頭の間の相対変位の点の位置を決定します。
いくつかの影響の重大度とフィット パラメーターを検討しました。影響シナリオでは、2 つの衝撃速度をアンビル表面と胴体最初先頭の影響に影響を与える 2 つなどがあります。典型的なフラット アンビル表面に加えて傾斜アンビル影響も接線方向の力成分を誘導するためにシミュレートされます。先頭への影響ではなく、胴体最初影響が競技者の肩が頭、同様に前の仕事18で実行の前に地面に影響を与えるシナリオをシミュレートするために含まれます。最後に、これら 4 つのヘルメットに合わせてシナリオが検討: 下位フィット前方フィット、特大に合わせてレギュラー フィット。前作とは異なり調査のパラメーターと同様、ヘルメットのフィットとヘルメット サイズは頭の上にヘルメットが位置決めです。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Hybrid III Headform</td>
			<td>Humanetics/Jasti-Utama</td>
			<td>N/A</td>
			<td>50th Percentile ATD, for impact simulation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hybrid III Neck</td>
			<td>Humanetics/Jasti-Utama</td>
			<td>N/A</td>
			<td>50th Percentile ATD, for impact simulation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linear Accelerometers</td>
			<td>Measurement Specialties</td>
			<td>64C-2000-360</td>
			<td>for head acceleration measurement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Upper Neck Load Cell</td>
			<td>mg Sensor</td>
			<td>N6ALB11A</td>
			<td>for neck load measurement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High Speed Camera</td>
			<td>Vision Research</td>
			<td>v611</td>
			<td>for motion capture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera Lens</td>
			<td>Carl Zeiss</td>
			<td>N/A</td>
			<td>50 mm f1/.4, for motion capture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera Lens</td>
			<td>Carl Zeiss</td>
			<td>N/A</td>
			<td>100 mm f/2.0, for motion capture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bicycle Helmet</td>
			<td>Bell</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Traverse</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Acquisition System</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>PXI 6251</td>
			<td>for Hybrid III signal acquisition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Head Impact Drop Tower</td>
			<td>University of Alberta</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Custom-designed, for impact simulation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical Interrogator</td>
			<td>Smart Fibres Ltd.</td>
			<td>N/A</td>
			<td>SmartScan, for optical sensor force measurement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fit Force Sensor</td>
			<td>University of Alberta</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Custom-designed, for measuring helmet fit forces</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a test bed to examine helmet fit and retention and biomechanical measures of head and neck injury in simulated impact

従来の知恵と国際ヘルメットのテストと認定基準の言語は、適切なヘルメットに合うし、インパクト時の保持、衝撃誘起損傷からヘルメット着用者を保護する上で重要な要因をお勧めします。この原稿を目指して身体テスト デバイス (ATD) 頭部加速度変換器の配列をシミュレートされたヘルメットをかぶった影響の分析を通して異なるヘルメット適合シナリオで衝撃誘起損傷メカニズムを調査し、首の力/瞬間トランスデューサー、デュアル高速カメラ システム、およびヘルメット フィット力センサーは、光ファイバーのブラッググレーティングに基づく我々 の研究グループで開発。影響をシミュレートするためにインストルメント化された一夜と柔軟な首がアンビルに線形ガイドレールに沿って落ちる。テスト ベッドは、平坦で、斜め衝撃表面に 8.3 m/s までの速度で頭部衝撃のシミュレーションをことができます。一夜はヘルメットに合うし、ヘルメットの位置インデックスおよび/またはヘルメット サイズをコンテキスト特定調整することでフィットのいくつかのシナリオをシミュレートできます。ヘルメット保持を定量化するには、頭にヘルメットの動きは、事後画像解析を用いた定量化されます。潜在的な頭と首の負傷を定量化するには、頭部加速度と首力/モーメントに基づく生体力学的措置が測定されます。確立された人間の許容曲線との比較を通して、これらの生体力学的措置は、重篤な生命を脅かすまたは軽度のびまん性脳損傷のリスクを見積もることができます、osteoligamentous 首の傷害。我々 の知識に提示されたテスト ベッド フィット ヘルメットとリテンションを基準にして頭と首の傷害に及ぼす力学的影響を評価するために特に開発された最初のです。

適合力測定 シナリオに合わせてそれぞれの力に合わせて各センサーの位置 (図 12) で測定を行ったし、不均衡な差異を想定して t 検定を行った意義を決定 (p &#60; 0.05)。すべての測定値の平均の標準偏差は ± 0.14 n. 高等フィット力を示すタイトなフィット。
頭の運動、首の速度論?...

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A Test Bed to Examine Helmet Fit and Retention and Biomechanical Measures of Head and Neck Injury in Simulated Impact

ヘルメットのフィットと保持と頭とシミュレートされた衝撃で頸部損傷の生体力学的措置を検討するテスト ベッド

人体頭頸部を使用して、光ファイバーを用いたフィット力型探触子, 首フォース/モーメント トランスデューサーおよび頭部加速度の配列とデュアル高速カメラ システム、今回ヘルメット保持と生体に及ぼす影響を検討するテスト ベッド頭頸部頭部衝撃への二次損傷の対策。

Conventional wisdom and the language in international helmet testing and certification standards suggest that appropriate helmet fit and retention during ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.9K ビュー.  University of Alberta. 人体頭頸部を使用して、光ファイバーを用いたフィット力型探触子, 首フォース/モーメント トランスデューサーおよび頭部加速度の配列とデュアル高速カメラ システム、今回ヘルメット保持と生体に及ぼす影響を検討するテスト ベッド頭頸部頭部衝撃への二次損傷の対策。

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Creating Two-Dimensional Patterned Substrates for Protein and Cell Confinement

Microcontact printing provides a rapid, highly reproducible method for the creation of well-defined patterned substrates.1 While microcontact printing can be employed to directly print a large number of molecules, including proteins,2 DNA,3 and silanes,4 the formation of self-assembled monolayers (SAMs) from long chain alkane thiols on gold provides a simple way to confine proteins and cells to specific patterns containing adhesive and resistant regions. This confinement can be used to control cell morphology and is useful for examining a variety of questions in protein and cell biology. Here, we describe a general method for the creation of well-defined protein patterns for cellular studies.5 This process involves three steps: the production of a patterned master using photolithography, the creation of a PDMS stamp, and microcontact printing of a gold-coated substrate. Once patterned, these cell culture substrates are capable of confining proteins and/or cells (primary cells or cell lines) to the pattern.
The use of self-assembled monolayer chemistry allows for precise control over the patterned protein/cell adhesive regions and non-adhesive regions; this cannot be achieved using direct protein stamping. Hexadecanethiol, the long chain alkane thiol used in the microcontact printing step, produces a hydrophobic surface that readily adsorbs protein from solution. The glycol-terminated thiol, used for backfilling the non-printed regions of the substrate, creates a monolayer that is resistant to protein adsorption and therefore cell growth.6 These thiol monomers produce highly structured monolayers that precisely define regions of the substrate that can support protein adsorption and cell growth. As a result, these substrates are useful for a wide variety of applications from the study of intercellular behavior7 to the creation of microelectronics.8
While other types of monolayer chemistry have been used for cell culture studies, including work from our group using trichlorosilanes to create patterns directly on glass substrates,9 patterned monolayers formed from alkane thiols on gold are straight-forward to prepare. Moreover, the monomers used for monolayer preparation are commercially available, stable, and do not require storage or handling under inert atmosphere. Patterned substrates prepared from alkane thiols can also be recycled and reused several times, maintaining cell confinement.10

Self-assembled monolayers (SAMs) formed from long chain alkane thiols on gold provide well-defined substrates for the formation of protein patterns and cell confinement. Microcontact printing of hexadecanethiol using a polydimethylsiloxane (PDMS) stamp followed by backfilling with a glycol-terminated alkane thiol monomer produces a pattern where protein and cells adsorb only to the stamped hexadecanethiol region.

タンパク質、細胞閉じ込めのための二次元加工基板を作成する

Microcontact printing provides a rapid, highly reproducible method for the creation of well-defined patterned substrates.1  While microcontact printing ...

生物工学

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic valve leaflets are composed of interstitial cells suspended within an extracellular matrix (ECM) and are lined with an endothelial cell monolayer. The valve withstands a harsh, dynamic environment and is constantly exposed to shear, flexion, tension, and compression. Research has shown calcific lesions in diseased valves occur in areas of high mechanical stress as a result of endothelial disruption or interstitial matrix damage1-3. Hence, it is not surprising that epidemiological studies have shown high blood pressure to be a leading risk factor in the onset of aortic valve disease4. 
The only treatment option currently available for valve disease is surgical replacement of the diseased valve with a bioprosthetic or mechanical valve5. Improved understanding of valve biology in response to physical stresses would help elucidate the mechanisms of valve pathogenesis. In turn, this could help in the development of non-invasive therapies such as pharmaceutical intervention or prevention. Several bioreactors have been previously developed to study the mechanobiology of native or engineered heart valves6-9. Pulsatile bioreactors have also been developed to study a range of tissues including cartilage10, bone11 and bladder12. The aim of this work was to develop a cyclic pressure system that could be used to elucidate the biological response of aortic valve leaflets to increased pressure loads. 
The system consisted of an acrylic chamber in which to place samples and produce cyclic pressure, viton diaphragm solenoid valves to control the timing of the pressure cycle, and a computer to control electrical devices. The pressure was monitored using a pressure transducer, and the signal was conditioned using a load cell conditioner. A LabVIEW program regulated the pressure using an analog device to pump compressed air into the system at the appropriate rate. The system mimicked the dynamic transvalvular pressure levels associated with the aortic valve; a saw tooth wave produced a gradual increase in pressure, typical of the transvalvular pressure gradient that is present across the valve during diastole, followed by a sharp pressure drop depicting valve opening in systole. The LabVIEW program allowed users to control the magnitude and frequency of cyclic pressure. The system was able to subject tissue samples to physiological and pathological pressure conditions. This device can be used to increase our understanding of how heart valves respond to changes in the local mechanical environment.

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

A cyclic pressure bioreactor capable of subjecting heart valve tissue to physiological and pathological pressure conditions has been designed. A LabVIEW program allows users to control pressure magnitude, amplitude and frequency. This device can be used to study the mechanobiology of heart valve tissue or isolated cells.

のための周期的圧力のバイオリアクターの設計生体外で</em大動脈心臓弁の>研究

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic ...

Directed Cellular Self-Assembly to Fabricate Cell-Derived Tissue Rings for Biomechanical Analysis and Tissue Engineering

Each year, hundreds of thousands of patients undergo coronary artery bypass surgery in the United States.1 Approximately one third of these patients do not have suitable autologous donor vessels due to disease progression or previous harvest. The aim of vascular tissue engineering is to develop a suitable alternative source for these bypass grafts. In addition, engineered vascular tissue may prove valuable as living vascular models to study cardiovascular diseases. Several promising approaches to engineering blood vessels have been explored, with many recent studies focusing on development and analysis of cell-based methods.2-5 Herein, we present a method to rapidly self-assemble cells into 3D tissue rings that can be used in vitro to model vascular tissues.
To do this, suspensions of smooth muscle cells are seeded into round-bottomed annular agarose wells. The non-adhesive properties of the agarose allow the cells to settle, aggregate and contract around a post at the center of the well to form a cohesive tissue ring.6,7 These rings can be cultured for several days prior to harvesting for mechanical, physiological, biochemical, or histological analysis. We have shown that these cell-derived tissue rings yield at 100-500 kPa ultimate tensile strength8 which exceeds the value reported for other tissue engineered vascular constructs cultured for similar durations (&lt;30 kPa).9,10 Our results demonstrate that robust cell-derived vascular tissue ring generation can be achieved within a short time period, and offers the opportunity for direct and quantitative assessment of the contributions of cells and cell-derived matrix (CDM) to vascular tissue structure and function.

This article outlines a versatile method to create cell-derived tissue rings by cellular self-assembly. Smooth muscle cells seeded into ring-shaped agarose wells aggregate and contract to form robust three-dimensional (3D) tissues within 7 days. Millimeter-scale tissue rings are conducive to mechanical testing and serve as building blocks for tissue assembly.

生体力学的解析と組織工学のための細胞由来の組織のリングを製作する監督セルラーセルフアセンブリ

Each year, hundreds of thousands of patients undergo coronary artery bypass surgery in the United States.1 Approximately one third of these patients do ...

Ferromagnetic Bare Metal Stent for Endothelial Cell Capture and Retention

Rapid endothelialization of cardiovascular stents is needed to reduce stent thrombosis and to avoid anti-platelet therapy which can reduce bleeding risk. The feasibility of using magnetic forces to capture and retain endothelial outgrowth cells (EOC) labeled with super paramagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) has been shown previously. But this technique requires the development of a mechanically functional stent from a magnetic and biocompatible material followed by in-vitro and in-vivo testing to prove rapid endothelialization. We developed a weakly ferromagnetic stent from 2205 duplex stainless steel using computer aided design (CAD) and its design was further refined using finite element analysis (FEA). The final design of the stent exhibited a principal strain below the fracture limit of the material during mechanical crimping and expansion. One hundred stents were manufactured and a subset of them was used for mechanical testing, retained magnetic field measurements, in-vitro cell capture studies, and in-vivo implantation studies. Ten stents were tested for deployment to verify if they sustained crimping and expansion cycle without failure. Another 10 stents were magnetized using a strong neodymium magnet and their retained magnetic field was measured. The stents showed that the retained magnetism was sufficient to capture SPION-labeled EOC in our in-vitro studies. SPION-labeled EOC capture and retention was verified in large animal models by implanting 1 magnetized stent and 1 non-magnetized control stent in each of 4 pigs. The stented arteries were explanted after 7 days and analyzed histologically. The weakly magnetic stents developed in this study were capable of attracting and retaining SPION-labeled endothelial cells which can promote rapid healing.

Our goals were to design, manufacture and test ferromagnetic stents for endothelial cell capture. Ten stents were tested for fracture and 10 more stents were tested for retained magnetism. Finally, 10 stents were tested in-vitro and 8 more stents were implanted in 4 pigs to show cell capture and retention.

内皮細胞捕捉および保持のための強磁性ベアメタルステント

Rapid endothelialization of cardiovascular stents is needed to reduce stent thrombosis and to avoid anti-platelet therapy which can reduce bleeding risk. ...

Training Persons with Spinal Cord Injury to Ambulate Using a Powered Exoskeleton

Powered exoskeletons have become available for overground ambulation in persons with paralyses due to spinal cord injury (SCI) who have intact upper extremity function and are able to maintain upright balance using forearm crutches. To ambulate in an exoskeleton, the user must acquire the ability to maintain balance while standing, sitting and appropriate weight shifting with each step. This can be a challenging task for those with deficits in sensation and proprioception in their lower extremities. This manuscript describes screening criteria and a training program developed at the James J. Peters VA Medical Center, Bronx, NY to teach users the skills needed to utilize these devices in institutional, home or community environments. Before training can begin, potential users are screened for appropriate range of motion of the hip, knee and ankle joints. Persons with SCI are at an increased risk of sustaining lower extremity fractures, even with minimal strain or trauma, therefore a bone mineral density assessment is performed to reduce the risk of fracture. Also, as part of screening, a physical examination is performed in order to identify additional health-related contraindications. 
Once the person has successfully passed all screening requirements, they are cleared to begin the training program. The device is properly adjusted to fit the user. A series of static and dynamic balance tasks are taught and performed by the user before learning to walk. The person is taught to ambulate in various environments ranging from indoor level surfaces to outdoors over uneven or changing surfaces. Once skilled enough to be a candidate for home use with the exoskeleton, the user is then required to designate a companion-walker who will train alongside them. Together, the pair must demonstrate the ability to perform various advanced tasks in order to be permitted to use the exoskeleton in their home/community environment.

Training a person with paralysis to ambulate using a powered exoskeleton may present challenges. The goals are to present the candidate selection criteria and the training procedures for exoskeletal-assisted walking and other mobility skills that can be progressed as the participant's skill level improves.

パワードスーツを使用して歩行する脊髄損傷者のトレーニング

Powered exoskeletons have become available for overground ambulation in persons with paralyses due to spinal cord injury (SCI) who have intact upper ...

Biomechanical Characterization of Human Soft Tissues Using Indentation and Tensile Testing

Regenerative medicine aims to engineer materials to replace or restore damaged or diseased organs. The mechanical properties of such materials should mimic the human tissues they are aiming to replace; to provide the required anatomical shape, the materials must be able to sustain the mechanical forces they will experience when implanted at the defect site. Although the mechanical properties of tissue-engineered scaffolds are of great importance, many human tissues that undergo restoration with engineered materials have not been fully biomechanically characterized. Several compressive and tensile protocols are reported for evaluating materials, but with large variability it is difficult to compare results between studies. Further complicating the studies is the often destructive nature of mechanical testing. Whilst an understanding of tissue failure is important, it is also important to have knowledge of the elastic and viscoelastic properties under more physiological loading conditions.
This report aims to provide a minimally destructive protocol to evaluate the compressive and tensile properties of human soft tissues. As examples of this technique, the tensile testing of skin and the compressive testing of cartilage are described. These protocols can also be directly applied to synthetic materials to ensure that the mechanical properties are similar to the native tissue. Protocols to assess the mechanical properties of human native tissue will allow a benchmark by which to create suitable tissue-engineered substitutes.

Tissue biomechanics is important for maintaining cell shape and function and for determining phenotype. This report demonstrates non-destructive mechanical protocols for characterizing elastic and viscoelastic properties of human soft tissues, which can be directly applied to tissue-engineered substrates to allow a close matching of engineered materials to native tissue.

インデントと引張試験を用いたヒト軟部組織の生体力学的特性評価

Regenerative medicine aims to engineer materials to replace or restore damaged or diseased organs. The mechanical properties of such materials should ...

An Experimental and Finite Element Protocol to Investigate the Transport of Neutral and Charged Solutes across Articular Cartilage

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular cartilage impairs its load-bearing function substantially as it experiences tremendous chemical degradation, i.e. proteoglycan loss and collagen fibril disruption. One promising way to investigate chemical damage mechanisms during OA is to expose the cartilage specimens to an external solute and monitor the diffusion of the molecules. The degree of cartilage damage (i.e. concentration and configuration of essential macromolecules) is associated with collisional energy loss of external solutes while moving across articular cartilage creates different diffusion characteristics compared to healthy cartilage. In this study, we introduce a protocol, which consists of several steps and is based on previously developed experimental micro-Computed Tomography (micro-CT) and finite element modeling. The transport of charged and uncharged iodinated molecules is first recorded using micro-CT, which is followed by applying biphasic-solute and multiphasic finite element models to obtain diffusion coefficients and fixed charge densities across cartilage zones.

We propose a protocol to investigate the transport of charged and uncharged molecules across articular cartilage with the aid of recently developed experimental and numerical methods.

実験および有限要素議定書は、関節軟骨全体で中性および荷電溶質の輸送を調査します

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular ...

A Microfluidic Flow Chamber Model for Platelet Transfusion and Hemostasis Measures Platelet Deposition and Fibrin Formation in Real-time

Microfluidic models of hemostasis assess platelet function under conditions of hydrodynamic shear, but in the presence of anticoagulants, this analysis is restricted to platelet deposition only. The intricate relationship between Ca2+-dependent coagulation and platelet function requires careful and controlled recalcification of blood prior to analysis. Our setup uses a Y-shaped mixing channel, which supplies concentrated Ca2+/Mg2+ buffer to flowing blood just prior to perfusion, enabling rapid recalcification without sample stasis. A ten-fold difference in flow velocity between both reservoirs minimizes dilution. The recalcified blood is then perfused in a collagen-coated analysis chamber, and differential labeling permits real-time imaging of both platelet and fibrin deposition using fluorescence video microscopy. The system uses only commercially available tools, increasing the chances of standardization. Reconstitution of thrombocytopenic blood with platelets from banked concentrates furthermore models platelet transfusion, proving its use in this research domain. Exemplary data demonstrated that coagulation onset and fibrin deposition were linearly dependent on the platelet concentration, confirming the relationship between primary and secondary hemostasis in our model. In a timeframe of 16 perfusion min, contact activation did not take place, despite recalcification to normal Ca2+ and Mg2+ levels. When coagulation factor XIIa was inhibited by corn trypsin inhibitor, this time frame was even longer, indicating a considerable dynamic range in which the changes in the procoagulant nature of the platelets can be assessed. Co-immobilization of tissue factor with collagen significantly reduced the time to onset of coagulation, but not its rate. The option to study the tissue factor and/or the contact pathway increases the versatility and utility of the assay.

This paper describes an experimental model of hemostasis that simultaneously measures platelet function and coagulation. Platelet and fibrin fluorescence is measured in real-time, and platelet adhesion rate, coagulation rate, and onset of coagulation are determined. The model is used to determine platelet procoagulant properties under flow in concentrates for transfusion.

血小板輸血や止血のためのマイクロ流体フローチャンバーモデルは、リアルタイムでの血小板沈着およびフィブリン形成を測定します

Microfluidic models of hemostasis assess platelet function under conditions of hydrodynamic shear, but in the presence of anticoagulants, this analysis is ...

Retroductal Nanoparticle Injection to the Murine Submandibular Gland

Two common goals of salivary gland therapeutics are prevention and cure of tissue dysfunction following either autoimmune or radiation injury. By locally delivering bioactive compounds to the salivary glands, greater tissue concentrations can be safely achieved versus systemic administration. Furthermore, off target tissue effects from extra-glandular accumulation of material can be dramatically reduced. In this regard, retroductal injection is a widely used method for investigating both salivary gland biology and pathophysiology. Retroductal administration of growth factors, primary cells, adenoviral vectors, and small molecule drugs has been shown to support gland function in the setting of injury. We have previously shown the efficacy of a retroductally injected nanoparticle-siRNA strategy to maintain gland function following irradiation. Here, a highly effective and reproducible method to administer nanomaterials to the murine submandibular gland through Wharton's duct is detailed (Figure 1). We describe accessing the oral cavity and outline the steps necessary to cannulate Wharton's duct, with further observations serving as quality checks throughout the procedure.

Local drug delivery to the submandibular glands is of interest in understanding salivary gland biology and for the development of novel therapeutics. We present an updated and detailed retroductal injection protocol, designed to improve delivery accuracy and experimental reproducibility. The application presented herein is the delivery of polymeric nanoparticles.

マウス顎下腺への Retroductal ナノ粒子注入

Two common goals of salivary gland therapeutics are prevention and cure of tissue dysfunction following either autoimmune or radiation injury. By locally ...

Seeding and Implantation of a Biosynthetic Tissue-engineered Tracheal Graft in a Mouse Model

Treatment options for congenital or secondary long segment tracheal defects have historically been limited due to an inability to replace functional tissue. Tissue engineering holds great promise as a potential solution with its ability to integrate cells and signaling molecules into a 3-dimensional scaffold. Recent work with tissue engineered tracheal grafts (TETGs) has seen some success but their translation has been limited by graft stenosis, graft collapse, and delayed epithelialization. In order to investigate the mechanisms driving these issues, we have developed a mouse model for tissue engineered tracheal graft implantation. TETGs were constructed using electrospun polymers polyethylene terephthalate (PET) and polyurethane (PU) in a mixture of PET and PU (20:80 percent weight). Scaffolds were then seeded using bone marrow mononuclear cells isolated from 6-8 week-old C57BL/6 mice by gradient centrifugation. Ten million cells per graft were seeded onto the lumen of the scaffold and allowed to incubate overnight before implantation between the third and seventh tracheal rings. These grafts were able to recapitulate the findings of stenosis and delayed epithelialization as demonstrated by histological analysis and lack of Keratin 5 and Keratin 14 basal epithelial cells on immunofluorescence. This model will serve as a tool for investigating cellular and molecular mechanisms involved in host remodeling.

Graft stenosis poses a critical obstacle in tissue engineered airway replacement. To investigate cellular mechanisms underlying stenosis, we utilize a murine model of tissue engineered tracheal replacement with seeded bone marrow mononuclear cells (BM-MNC). Here, we detail our protocol, including scaffold manufacturing, BM-MNC isolation, graft seeding, and implantation.

シードとマウス モデルにおける合成組織設計気管移植片の移植

Treatment options for congenital or secondary long segment tracheal defects have historically been limited due to an inability to replace functional ...

ヘルメットのフィットと保持と頭とシミュレートされた衝撃で頸部損傷の生体力学的措置を検討するテスト ベッド

ヘルメットのフィットと保持と頭とシミュレートされた衝撃で頸部損傷の生体力学的措置を検討するテストベッド