Испытательный стенд для изучения шлем Fit и удержания и биомеханических мер головы и травмы шеи в имитации воздействия

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

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 исследованы^6,7, 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 госпитализации^8,9. 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 в^2,14. 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 данных^12,13.

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.

протокол

1. шлем Fit сценарии механизм

1. определить подходят сценарии быть изучены на антропометрических тест устройства головы и шеи (Hybrid III 50th процентиля мужчин) с окружностью головы 575 мм.
   Примечание: В таблице 1 с позиций шлем, соответствующий Рисунок 1 приведен пример из четырех сценариев подходит. Вперед и назад подходят сценарии были основаны на определениях использования правильных шлем от предыдущих эпидемиологических исследований, в которых заданное положение надлежащего шлема не охватывающий брови или подвергая лоб ³.
2. Для каждого сценария, Марк каждый шлем позицию на муляже головы для обеспечения постоянно повторяется сценарий шлем соответствовать.
3. Использовать CPSC сертифицированных шлем, универсальный и сверхбольших размеров, для всех подходят сценариев.
   Примечание: Согласно производитель представил руководство fit, универсальный размер надлежащим образом соответствует окружности головы.
   1. Каждому подобрать сценарий, для держать других подходят параметры последовательно. В частности, затяните подбородочный ремень оставить приблизительно один палец ширина пространства под подбородком и затяните ручку регулируемые поддерживать безопасную посадку.

2. Fit измерения силы

1. нужным организовать пять датчиков на кожу головы, позиционируется на спереди, сзади, слева направо и сверху ( рис. 2).
   Примечание: Датчики являются модифицированную версию Брэгг решетки датчики силы, разработанных в рамках исследовательской группы ^{19 , 20 , 21 , 22}, оптимизированный для измерения подходят силы в диапазоне от 0 до 50 н. Изменение датчики имеют толщину и диаметром 2,6 мм и 14 мм соответственно.
2. Возьмите измерения ссылку с преобразователями на ООН шлемом муляжа головы без нагрузки. Возьмите измерения этой ссылки перед каждым измерением подходят силы.
3. Место шлем на муляж головы и мера силы данные для 3 s со скоростью 2,5 кГц. Повторите тот же сценарий подходит шесть раз для повторных измерений.
4. Повторить ту же процедуру измерения для всех подходят сценариев.
5. Преобразование волны сдвига данных заставить измерения путем умножения измеренной длины волн от преобразователя на заранее калибровочные константы для fit силы датчика.

3. Капля башня для моделирования воздействия

1. моделирование воздействия шлемом голову, линейно направляя муляжа головы ударил влияние поверхности ^{19 , 23}. Необходимое для этого оборудование является контекст конкретные, как описано ниже.
   1. Собрать падения башни состоят из карданного регулируемый падение, антропометрические тест устройства головы и шеи и переменная ударной поверхности.
      Примечание: Общее падение Ассамблея масса составляет примерно 11 кг. Добавлена масса карданного счетов для исключения человеческое тело как эффективной туловища массы лучше имитировать реалистичные воздействия ²⁴.
   2. Организовать 9 uni осевой акселерометров в 3-2-2-2 конфигурации в пределах муляжа головы, чтобы позволить линейных и угловых ускорений муляжа головы должна быть определена на центр тяжести ²⁵.
   3. Организовать ворота скорость цели построен на влияния башню для измерения скорости удара непосредственно перед ударом.
2. Собирать головы ускорение и шеи сил/момент данных, с помощью системы сбора данных. Фильтр аналогового напряжения, отобранных на 100 кГц для всех каналов. До система сбора данных, включают аппаратное сглаживание НЧ фильтр с угловой частотой 4 кГц ²⁶.
3. Организовать воздействие сценарий.
   1. Для всех последствий, извлеките забрало шлема, чтобы разрешить для лучшей видимости во время отслеживания движения. Предполагается, что эффект козырька во время удара является незначительным из-за его потерять вложения.
   2. Организовать все капли, чтобы повлиять на лбу. Это общее место удара в Велоспорт ²⁷, хотя другие сценарии также могут быть смоделированы.
   3. Моделировать шесть различных последствий сценариев варьируя влияют на скорость, ударной поверхности и головой или ТОРС первый воздействия согласно таблице 2.
   4. Поднять головы на соответствующую высоту, соответствующую указанным соударений. Падения муляжа головы с соответствующей высоты, обычно 0,82 м и 1,83 м, для достижения скорости 4 м/с и 6 м/с, соответственно.
      Примечание: Добавьте высоты при необходимости преодоления потерь на трение. Два соударений, 4 м/с и 6 м/с могут быть выбраны на основе от предыдущих литературы и стандартов ²⁸.
   5. Организовать ударной поверхности.
      1. Организовать либо плоским или 45° угловой опоры ( рис. 4). Плоской опоре имитирует падает на плоской поверхности, в то время как угловые опоры имитирует воздействие с компонентом тангенциальная скорость.
      2. Крышка обе поверхности наковальни в абразивной ленты для имитации поверхности асфальта. Отрегулируйте положение опоры при необходимости между последствиями для обеспечения шлем, чтобы быть затронуты контакты только плоскую поверхность наковальни.
4. Организовать башня падение головой или ТОРС первого удара. Имитировать головой и торс первый воздействий, с ТОРС воздействия аналогичны комбинированных загрузки влияние конфигурации представлены в Смит и др. ¹⁸
   1. для имитации удара головой, не регулируйте падение башня.
   2. Для имитации удара о землю до головы, туловища место деревянный блок на пути карданного падение. Поместите этот деревянный блок на высоте, таким образом, что руководитель находится примерно в 25 мм от влияющих на опоре на ТОРС воздействия. Затем руководитель продолжит хит наковальню посредством сгибания шеи только.
   3. Включают слой пены для сведения к минимуму колебаний от падения башни ( рис. 5).
   4. В отличие от воздействия головой, отрегулируйте угол шеи в ТОРС первый воздействия.
      Примечание: Эта регулировка угла шеи позволяет голову, чтобы воздействие на опоре на лбу после сгибания, так что место удара сопоставима с головой воздействия дела ( рис. 6). Помимо воздействия лоб этот сценарий ТОРС первый, несомненно, будет актуальным в сторону воздействия также. В головой и торс первое воздействие, эта система карданов подвес позволяет для движения головы и шеи вдоль дорожки после удара.
5. Триггер системы сбора данных, высокая скорость камеры (см. раздел 4) и падения муляжа головы одновременно. Повторить такое же воздействие и подходят сценарий конфигурации 3 раза с новые шлемы каждый раз,.
   Примечание: Высокоскоростной камеры нужно будет устанавливаться параллельно с падения башни, подробно изложены в разделе 4.
6. Тема каждого из четырех сценариев подходит каждому из 6 воздействия различных сценариев. Выполнение в общей сложности 72 капли после 3 испытания каждой конфигурации.
7. Постобработку муляжа головы кинематической и кинетические данные.
   1. Фильтра аналоговых сигналов для ускорения и силы/момент впоследствии используя фильтр Баттерворта порядка 4 ^й в пост-обработки для удовлетворения ИндПопробуйте предлагаемые практика ²⁶. Фильтр ускорений головы и шеи сил согласно канал частоты класса (ХФУ) 1000. Фильтр шеи моменты по КЧХ 600.

4. Движение захвата с использованием высокой скорости двойной камеры системы

Примечание: запись маркер позиции с двух камер высокой скорости позволяют трехмерной маркер позиции будут определены с DLT метод ¹⁶ в пост-обработки. Для определения перемещений головы шлем, отслеживать маркеры на муляже головы и шлем во время удара.

1. Организовать высокоскоростной камеры вокруг башни падения.
   1. Организовать две Высокоскоростные камеры вокруг падения башня синхронизации захвата изображения движения шлем и муляжа головы во время удара.
      1. Место главную камеру в сторону падения башни и поместите камеру раб приблизительно в 45 ° от мастера ( Рисунок 7). Установка 250 W свет между камерами для достаточного воздействия.
2. Настроить высокой скорости камеры.
   1. Оборудовать каждой камеры с f/1.4 50 мм или 100 мм f/2.0 макро-объектив, в зависимости от поля зрения требуется. Установка диафрагмы на линзы в f/8.0.
      Примечание: Это отверстие позволяет достаточно четкий фокус на нужную глубину резкости. Необходимые поля зрения варьировались от 30-60 см, в зависимости от сценария воздействия.
   2. Настроить обе камеры для записи на 1280 x 800 пикселей с частотой кадров 1000 кадров в секунду и быстрее. Таким образом, Максимальная выдержка на кадр будет 600 МКС.
   3. Синхронизировать две камеры в рамах и внутренних часов. Создать триггер, так что обе камеры одновременно инициировать.
3. Калибровки пространство, принимая неподвижное изображение кадра калибровки от каждой камеры.
   Примечание: Для метода прямого линейного преобразования (DLT), пространство должно быть изначально откалиброван.
   1. Переместить калибровки клетку с 17 известных калибровки местоположения точки в поле зрения обеих камер и принять единое изображение от каждой камеры. Как минимум 11 общих точек должны быть видны с обеих камер.
   2. Найти двухмерные координаты каждого маркера с отслеживания программного обеспечения с.
      Примечание: Координатно-измерительных машин (CMM) определяет расположение точки калибровки клетки до калибровки DLT.
   3. Использование серию вычислений, выполняемых с маркерами калибровки ' координаты (известный как DLT) ¹⁶, преобразовать любые две мерных маркер места в трехмерные координаты относительно калибровки Кейдж система координат в постобработке.
4. Для количественной оценки шлем перемещения, отслеживать расстояние между точкой на лбу муляжа головы и краев шлема с помощью программного обеспечения отслеживания.
   Примечание: Потому что эти моменты не видны с обеих камер, отслеживать набор трех видны маркеры на каждом муляжа головы и шлем вместо. Очки на лоб и шлем может затем косвенно отслеживаться.
5. Место отслеживания маркеров на муляже головы движения и принимать еще эталонный образ муляжа головы от каждой камеры.
   1. Для этого метода косвенного маркером отслеживания, возьмите эталонный образ муляжа головы с каждой камеры. Убедитесь, что этот эталонный образ состоит из трех маркеров и маркер ссылки, определенные на голове.
   2. Увеличить расстояние между маркерами, используя три местоположения точки ссылки при этом оставаясь в обе камеры ' поле мнений.
      Примечание: Максимальное расстояние позволяет для улучшения точности путем сокращения косвенных маркер для отслеживания ошибок отслеживания чувствительность. Три маркеры позволяют для трехмерной реконструкции движения в пост-обработки, а также оценки местоположения лоб.
   3. Держите маркер ссылки между глаз на нижней лоб и другие маркеры распространения через муляжа головы. Убедитесь, что эти три другие маркеры являются видимыми с обеих камер на протяжении всего последствия ( рис. 8).
6. Место отслеживания маркеров на шлеме движения и принимать еще ссылки изображения шлем от каждой камеры, как описано для ссылки на муляже головы (раздел 4.5).
   1. Убедитесь, что ссылка состоит из просмотра по меньшей мере четыре движения отслеживания маркеров. Держите один маркер на нижней части краев шлема как ссылка и распространение других трех маркеров на шлеме. Убедитесь, что эти три маркеры являются видимыми с обеих камер на протяжении всего последствия. Возьмите один образ от каждой камеры для ссылки на шлем ( рис. 9).
7. Триггер системы сбора данных, высокая скорость камеры и падения муляжа головы одновременно, как описано в разделе 3.
   Примечание: Падение башня нужно будет устанавливаться параллельно с высокоскоростной камеры. После снятия ссылки изображений, падение может быть выполнено.
   1. Организовать шлем соответствовать сценарий. Рекорд падения. Сигнал триггера для камеры вручную при ударе. Упорядочить записи так что 3 s записывается перед спусковой крючок и 8 s записывается после триггера. Обзор и кронштейн синхронизированные камеры изображения, чтобы сдержать воздействие только вручную.

5. Руководитель шлем маркером отслеживания и пост-обработка

1. трек голову и шлем маркеры на протяжении всего последствия, с использованием камеры конкретного программного обеспечения.
   1. Трек шесть очков за падение: три на шлеме и муляжа головы ( рис. 10). С программным обеспечением, определить временные двумерных пиксельные координаты каждого маркера.
2. Используйте метод DLT для вычисления трехмерные координаты гусеничных маркеров во время падения.
   Примечание: С калибровки данных из клетки калибровки и падение данные из двух камер, метод DLT может определить трехмерные координаты отслеживаемых маркеров во время падения.
3. Используется метод СВД (Сингулярное разложение) ¹⁷ для вычисления 3-D трехмерные координаты муляжа головы лоб и шлем краев. Разница между этими двумя точками является перемещение головы шлем.
   1. Используйте метод СВД для оценки расположение ссылки указывают на каждом муляжа головы лоб и шлем краев от отслеживаемого маркеров.
   2. Использовать метод СВД найти матрицу преобразования трех маркеров между опорный кадр и каждого отдельного кадра падение. Это преобразование может быть применен к найти на лоб или шлем краев местах.
4. Выполнять этот косвенный отслеживания на шлеме и муляжа головы. Перемещение между лбом и шлем краев затем можно контролировать ( Рисунок 11).

Результаты

Fit силы измерение
Каждый подобрать сценарий, для подходят силы измерения была исполнена на каждом месте датчика (рис. 12) и t тест, дисперсиями, была проведена для определения значимости (p < 0,05). Средняя стандартное отклонение во всех измерени?...

Обсуждение

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...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Hybrid III Headform	Humanetics or Jasti-Utama	N/A	50th Percentile ATD, for impact simulation
Hybrid III Neck	Humanetics or 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