Innovation

  — Laboratorio de pruebas

El laboratorio de pruebas de cascos de MIPS, ubicado a 15 km al norte de Estocolmo (Suecia), es fruto de dos décadas de desarrollo incesante. Este hipermoderno complejo de 300 m2 comprende cuatro dispositivos de prueba experimentales, diseñados para imitar escenarios reales de impacto, y punteros instrumentos que nos garantizan un control absoluto sobre lo que medimos, entre ellos, avanzadas cámaras de alta velocidad que guardan automáticamente las grabaciones de cada ensayo de casco.

¿Qué medimos?

MIPS mide las aceleraciones de 6DOF (seis grados de libertad) a lo largo del tiempo. Para garantizar que el MIPS BPS añada protección, verificamos el mismo modelo de casco con y sin MIPS BPS en todos los tamaños disponibles.

 

Con cada uno de los cascos centramos nuestros ensayos en tres áreas: frontal, lateral e inclinada. Además, dado que las estadísticas nos indican que la gran mayoría de los accidentes van asociados a impactos oblicuos, realizamos todas las pruebas de cascos en un ángulo de 45 grados.

 

Ahora bien, antes que nada, lo más importante es tener bajo control la posición inicial de la cabeza y del casco durante la caída vertical sobre el yunque de impacto.

 

Desafíos

El desarrollo de todo el entorno de prueba de MIPS requirió de 15 años. Nuestro primer dispositivo de ensayo se conformó en 1997 y, desde entonces, ha ido evolucionando en el aparato de prueba controlada que empleamos a día de hoy.

¿Cómo realizamos las comprobaciones?

Desarrollamos nuestros métodos de ensayo para replicar situaciones de siniestros de la vida real. Por ejemplo, el análisis de las estadísticas sobre accidentes de bicicleta evidencia que los impactos suceden con una mayor frecuencia a 6,0-6,5 m/s en un ángulo de 45 grados (Richter et al. 2007, Verschueren 2009, Bourdet et al. 2013). Por lo tanto, probamos los cascos a una velocidad de 6,2 m/s y con un ángulo de impacto similar.

 

Como sustituto de la cabeza humana utilizamos un sistema experimental denominado Hybrid III. Dentro del molde de cabeza, un conjunto de acelerómetros mide las aceleraciones 6DoF a lo largo del tiempo. Todos los cascos se golpean en tres puntos al objeto de comprobar el funcionamiento del MIPS BPS alrededor de los tres ejes anatómicos (X, Y y Z).

 

Una vez realizada la prueba se recogen y analizan los datos del impacto. Estos exhaustivos ensayos se realizan para garantizar que la versión MIPS BPS del casco añada protección y pueda homologarse conforme a nuestros requisitos.

 

Banco de pruebas

Llevamos a cabo nuestra primera prueba en 1996, usando un péndulo para golpear una representación esférica de un casco (figura A). Naturalmente, se trataba de un diseño muy prematuro, pero que nos proporcionó información para demostrar que el BPS MIPS podría servir para reducir las fuerzas o la torsión ejercidos sobre la cabeza.

Figura A: Banco de pruebas de péndulo para medición de la torsión. B y C: Placa móvil acelerada con ayuda de un cilindro neumático. D: Molde de cabeza con casco soltado sobre una superficie de impacto de 45 grados. En las pruebas B-D, el molde de cabeza va equipado con un sistema de nueve acelerómetros [1, 2].

 

El diseño mostrado en las figuras B y C se usa en Halldin et al (2001) y en Aare et al (2003). El método de prueba que aparece en la figura D fue utilizado en Halldin et al (2015), así como el propuesto en CEN TC158 como método de ensayo futuro.

Superficie móvil

En varias publicaciones se detalla el modo de diseñar un método de medición de la absorción de energía en un impacto oblicuo con una fuerza tangencial significativa ejercida sobre el casco. Aldman et al. (1968) presentaron un método que emplea una rueda de hormigón sobre la que se dejan caer los cascos. Halldin et al. (2001) y Mills and Gilchrist (2008) presentaron métodos donde se suelta la cabeza sobre una placa deslizante de acero con el fin de propiciar un impacto oblicuo. Pang et al. (2008) presentaron un método similar al empleado por Halldin, pero agregando un cuello HIII y la opción de medición de la fuerza sobre la placa.

Caída sobre superficie en ángulo

Otra forma de comprobar los cascos con impactos oblicuos es dejándolos caer sobre una superficie en ángulo. Deck et al. propusieron colisionar el casco a 6,5 m/s con un ángulo de 60 grados (90 grados define una caída totalmente vertical, como se realiza en los métodos actuales de verificación de cascos). Se sugirió igualmente el empleo de la cabeza HIII, ya que posee características de inercia más parecidas a las humanas que el molde de cabeza usado actualmente (EN960). Más tarde, Willinger et al. (2014) sugirieron un desarrollo del método de prueba de cascos con la introducción del molde de cabeza Hybrid III, ensayos tangenciales y criterios de lesión cerebral basados en modelos.

 

La principal diferencia entre golpear la placa móvil y dejar caer el casco sobre una superficie en ángulo es la diferencia del vector de gravitación respecto al vector de fuerza normal contra el casco, lo que puede conllevar distintos resultados con ambos métodos, incluso en la verificación de cascos idénticos con la misma velocidad y ángulo de impacto. En consecuencia, la placa móvil puede ofrecer un mayor realismo en la simulación de una caída al suelo desde una bicicleta o un caballo. No obstante, el método de placa móvil implica desventajas en comparación con la técnica de superficie en ángulo, puesto que es más complejo y puede resultar más difícil mantener una velocidad constante de la placa durante el impacto.

Impacto lineal

Un tercer método potencial de prueba es el impactador lineal neumático NOCSAE (2006), que fue desarrollado originariamente por la canadiense Biokinetics. Dicho dispositivo va equipado con una superficie curvada de plástico unida a un disco elaborado en espuma de nitrilo de vinilo con el fin de replicar un golpe entre cascos (diseñado para cascos de fútbol americano o hockey sobre hielo). En esta prueba, el molde de cabeza se acopla a un cuello HIII y a un trineo que se desplaza en horizontal. El método de ensayo especifica distintos puntos de choque en el casco, todos las cuales resultan en impactos sobre el centro de gravedad de la cabeza de maniquí (NOCSAE, 2006). Rousseau et al. (2011) han propuesto una modificación del método de ensayo con el golpeo del casco en direcciones desviadas respecto al centro de gravedad de la cabeza. De esta manera se pretende simular los impactos reales que se aprecian en los partidos de fútbol americano y de hockey sobre hielo. Sin embargo, dicha prueba no se tiene en cuenta ya que los impactos resultan en una fuerza tangencial inferior y no son realistas en lo que concierne a los accidentes de bicicleta.

¿Qué método de comprobación debe usarse?

Por su simplicidad y robustez, MIPS aplica el método de caída vertical sobre una superficie de impacto en ángulo.

¿Por qué no incluyen un cuello en sus pruebas?

En los métodos de prueba actuales, la cabeza cae sin restricciones sobre la superficie de impacto (estándares de prueba europeos) o se ve constreñida a un monorraíl mediante un brazo rígido sujeto a la cabeza (estándares de prueba estadounidenses). Se puede afirmar que estos dos métodos representan los extremos de la escala. Entre medias se encuentra la situación habitual, en la que el cuello constriñe la cabeza.

 

Una alternativa al diseño de una prueba sin cuello podría consistir en el acoplamiento de un cuello experimental (como el HIII) al trineo vertical en un banco de pruebas de cascos sobre monorraíl. No obstante, en la configuración de un método de prueba oblicuo puede plantearse si el cuello va a afectar a las aceleraciones translativas y angulares registradas en la cabeza del maniquí. Resulta evidente que el cuello restringe la cabeza y que esta, en algún momento, girará en torno a un punto del cuello, o incluso en un punto inferior de la región torácica.

 

Estudios anteriores, como el COST 327, han demostrado que la amplitud de la aceleración angular se ve afectada por el cuello. Se dejaron caer maniquíes Hybrid III de cuerpo completo y dotados de casco sobre una superficie en ángulo y se compararon con los modelos de cabeza con casco en caída libre. Los resultados mostraron una diferencia aproximada del 20% en la amplitud de la aceleración angular.

 

 

Estudios con
y sin cuello

llegó a la conclusión de que el cuello modificaba efectivamente las características de la aceleración angular en la comparación de impactos con y sin cuello. Ahora bien, en el estudio llevado a cabo por Beusenberg, los choques se aproximaron a un impacto radial sobre el casco, donde el cuello es la única causa de la rotación de la cabeza, es decir, no hubo un componente tangencial en el impacto, o bien fue menor.

 

Ghajari et al. (2012) mostraron que el componente de aceleración angular podía diferir hasta en un 40% en la comparación de un impacto de casco de cuerpo entero y únicamente la cabeza. Para este estudio, Ghajari recurrió al modelo de elementos finitos THUMS, simulando un impacto oblicuo en el segmento lateral (temporal) del casco. Ghajari propuso la modificación de las propiedades de inercia de la cabeza para la compensación del cuello y el cuerpo en caso de usar solamente la cabeza en una prueba de impacto oblicuo.

 

Forero (2009) reconstruyó 12 accidentes de jinetes con ayuda de MADYMO. Dos de ellos fueron estudiados en detalle mediante simulaciones con y sin cuerpo en un impacto de casco con el césped de la pista de carreras. La aceleración angular se incrementó de 6.462 a 10.104 rad/s2 en uno de los casos, y de 5.141 a 6.444 rad/s2 en el segundo de ellos, comparando la simulación de un cuerpo completo con otra de solo la cabeza. Forero mencionó asimismo que la ausencia del cuello y el cuerpo puede provocar una alteración en la dirección de la aceleración. En este estudio se señaló que el modelo de cuerpo humano MADYMO proporciona una representación poco realista de la flexibilidad de la articulación vertebral que podría haber dado lugar a esta considerable discrepancia.

Reconstrucciones
con MADYMO

Verschueren et al. (2009) realizaron reconstrucciones de 22 accidentes de bicicleta utilizando MADYMO. Nueve de ellos se simularon tanto con la cabeza únicamente como con el cuerpo entero. Los resultados de dicho estudio demostraron que la correlación de la aceleración angular entre las simulaciones de solo cabeza y de cuerpo entero fue elevada en cuatro de las nueve reconstrucciones, media en tres de ellas y baja en las dos restantes (con una diferencia cercana al 30% en uno de los ejemplos designados como de baja correlación).

 

Forero (2009) objetó acerca de la duración del pulso de impacto, indicando que difiere en un siniestro de un jinete contra el césped de un hipódromo (8-20 ms) respecto a la de los accidentes de bicicleta contra una calzada dura (5-10 ms). Por tanto, en el diseño de una prueba con una superficie que replica el césped del hipódromo para cascos de jinete puede resultar necesario un cuello.

 

Asimismo, Fahlstedt et al. (2015) y Klug et al. (2015) han investigado el efecto del cuello en los impactos con casco. La conclusión de ambos estudios es que no se precisa de cuello, en particular en la comparación de la modificación de la velocidad angular.

Conclusión

La conclusión que puede extraerse de todo ello es que, por lo general, el cuello afecta al movimiento de la cabeza. También puede argumentarse la posibilidad de definir un método de prueba con ángulos de impacto donde el efecto del cuello sea reducido durante el breve lapso (5-10 ms) en que el casco contacta con la superficie de impacto.

 

Pruebas experimentales en cadáveres ponen de manifiesto que la parte superior del cuello humano es flexible y que puede considerarse como desacoplada de la cabeza con una cota determinada de desplazamiento o rotación. El movimiento de una articulación humana no resultante en una fuerza o momento se define como zona neutra. La zona neutra en la que la parte superior del cuello permite el giro de la cabeza sin una amplia carga se sitúa en un intervalo de 10 grados, dependiendo del eje de rotación.

 

En consecuencia, si no consideramos la actividad muscular, la cabeza puede girar unos 10 grados sin ejercer efecto alguno sobre la cinemática de la carga horizontal de la cabeza. En un impacto típico de casco sobre el asfalto, la cabeza en caída libre gira en torno a 10 grados durante los primeros 10 ms de choque. Basado en esto último se podría argumentar que no hay tiempo suficiente para que el cuello afecte a la cabeza de modo significativo en esta dirección de impacto concreta. Sin embargo, ni Ivancic ni Camacho et al. analizaron una situación de impacto de casco con una fuerza de compresión vertical sobre el cuello.

 

A fin de definir la importancia del cuello en una situación típica de impacto de casco contra terreno, los colaboradores de esta actuación COST llevaron a cabo estudios de FE en relación con el modo en que el cuello podría afectar a la cabeza en un caso de impacto con casco. Se llegó a la conclusión de que el cuello incide sobre la cinemática de la cabeza, pero que esto depende del punto y la dirección del impacto.

 

También podría cuestionarse cómo de humano es el cuello HIII en situaciones de impacto con el casco. El cuello HIII ha sido diseñado y validado únicamente para colisiones frontales de automóviles a una velocidad aproximada de 11 m/s que resultan en un flexión del cuello. Por consiguiente, el cuello de maniquí HIII no está homologado para cargas de compresión, pliegue lateral o rotación alrededor del eje vertical, como también demuestran Myers et al. (1989) y DiSantis (1991).

 

Otros aspectos de la cuestión de cuello/no cuello que deberían considerarse en el diseño de un nuevo método de ensayo son los siguientes:

  • Presuponiendo que en la mayoría de las situaciones de impacto el cuello humano no influye sobre la cabeza en los primeros 10 ms, ¿el resultado será idéntico si la musculatura se tensa en una contracción máxima teórica?
  • El uso de un cuello conlleva inconvenientes, tales como el coste que implica y la necesidad de calibración.
  • Existen también ventajas asociadas al empleo de un cuello experimental en el ensayo de un casco, ya que facilita la colocación de este al mantener la cabeza en posición.

Puede afirmarse a manera de conclusión que el cuello humano como condición limitadora de la cabeza humana efectivamente repercutirá sobre la cinemática de esta. Sin embargo, en los accidentes de bicicleta, en los que se choca con mayor frecuencia contra el suelo y provocan impactos cortos (5-10 ms), el cuello no repercutirá en la cinemática de la cabeza de tal modo que resulte esencial. Teniendo en cuenta todos los aspectos conocidos, se propone diseñar el nuevo método de ensayo sin inclusión del cuello.