Innovation

  — Testlaboratoriet

MIPS hjälmtestlaboratorium ligger 15 km norr om Stockholm och är resultatet av tjugo års kontinuerlig utveckling. Det hypermoderna komplexet på 300 kvadratmeter rymmer fyra testmaskiner konstruerade för att efterlikna olika verkliga islagsscenarion och de senaste mätverktygen för att vi ska ha full kontroll över det vi mäter, bland annat höghastighetskameror som automatiskt sparar filmer från varje hjälmtest.

Vad mäter vi?

MIPS mäter accelerationer över tid med 6DoF (six degees of freedom; frihetsgrader). För att vi ska veta att MIPS BPS verkligen ger ett extra skydd testar vi samma hjälmmodell med och utan MIPS BPS i alla tillgängliga storlekar.

 

För varje hjälm inriktar vi testet på tre olika områden: frontalt, lateralt och i vinkel. Eftersom statistiken visar att de allra flesta olyckor leder till sneda islag testar vi alla hjälmar med islag med 45 graders vinkel.

 

Men det viktigaste är att ha kontroll över huvudets och hjälmens utgångsposition vid det vertikala fallet mot islagsunderlaget.

Utmaningar

Det tog 15 år att utveckla den kompletta MIPS-testmiljön. Vår första testmaskin stod klar 1997, och sedan dess har den utvecklats till den välkontrollerade maskin vi använder i dag.

Hur testar vi?

Vi har utvecklat våra testmetoder för att de ska efterlikna verkliga olyckssituationer. Analys av statistiken för cykelolyckor visar till exempel att islag oftast sker med hastigheten 6,0–6,5 m/s och 45 graders vinkel (Richter et al. 2007, Verschueren 2009, Bourdet et al. 2013). Därför tester vi hjälmarna vid hastigheten 6,2 m/s och den lutningsvinkeln.

 

Som ersättning för människohuvudet använder vi experimentsystemet Hybrid III, som har formen av ett huvud. Inne i Hybrid III finns en uppsättning accelerometrar som mäter accelerationen med sex frihetsgrader (DoF) över tid. Alla hjälmar testas med tre olika islagspunkter för att kontrollera MIPS BPS-funktionen kring alla de tre anatomiska axlarna (x, y och z).

 

Efter testet samlas testdata in och analyseras. De grundliga testerna genomförs för att bekräfta att MIPS BPS-versionen av en hjälm verkligen ger ett extra skydd och kan godkännas enligt MIPS-standarden.

Testrigg

Vi genomförde vårt första test 1996 med en pendel som träffade en sfär som skulle motsvara en hjälm, se figur A. Det var givetvis en starkt förenklad konstruktion, men den gav oss information som visade att MIPS BPS kunde minska krafterna, eller vridmomentet, som verkade på huvudet.

Figur A: Pendeltestrigg med mätning av vridmoment. B och C: Rörlig platta som kan accelereras med en tryckluftscylinder. D: Huvudform med hjälm som släpps mot en islagsyta med 45 graders lutning. I test B–D har huvudformen ett system med nio accelerometerpunkter [1, 2].

 

Konstruktionen som visas i figur B och C användes i Halldin et al 2001 och Aare et al 2003. Testmetoden som visas i figur D användes i Halldin et al 2015, och var även den som föreslogs i CEN TC158 som en framtida testmetod.

Rörlig yta

Flera publikationer beskriver i detalj en metod för att mäta energiupptaget vid ett snett islag där en betydande tangentiell acceleration verkar på hjälmen. Aldman et al. 1968 presenterade en metod som använder ett snurrande betonghjul som hjälmarna släpps mot. Halldin et al. (2001) och Mills och Gilchrist (2008) har presenterat metoder där huvudet släpps mot en glidande stålplatta för att skapa ett snett islag. Pang et al. (2008) presenterade en metod liknande den som användes av Halldin, men med tillägg av ett HIII-huvud och möjlighet att mäta kraften på plattan.

Fall mot lutande yta

Ett annat sätt att testa hjälmar vid sneda islag är att låta dem falla mot en lutande yta. Deck et al. föreslog ett islag för hjälmen med hastigheten 6,5 m/s och en lutning på 60 grader (90 grader definierar ett helt vertikalt fall enligt aktuella testmetoder för hjälmar). Det föreslogs också att man skulle använda HIII-huvudet eftersom dess tröghetsegenskaper mer liknar dem hos ett människohuvud än den huvudform som används i dag (EN960). Willinger et al. (2014) föreslog dessutom en vidareutveckling av metoderna för hjälmtestning genom att införa Hybrid III-huvudformen, tester av tangentiell acceleration och modellbaserade kriterier för hjärnskada.

 

Den huvudsakliga skillnaden mellan att låta hjälmen träffa en rörlig platta och att låta den falla mot en lutande yta är gravitationsvektorn i förhållande till normalkraftsvektorn mot hjälmen, vilket skulle kunna ge olika utfall för de två metoderna, även vid testning av identiska hjälmar med samma islagshastighet och islagsvinkel. Därför skulle en rörlig platta kunna ge en mer verklighetstrogen simulering av ett fall mot marken från en cykel eller häst. Metoden med en rörlig platta har dock nackdelar jämfört med metoden med en lutande yta genom att den är mer komplex och att det kan vara svårare att hålla plattans hastighet konstant under islaget.

Linjärt islag

En tredje potentiell testmetod är NOCSAE (2006), en pneumatisk linjär islagskropp som först utvecklades av Biokinetics i Kanada. Den linjära islagskroppen har en böjd plastyta fäst på en skiva av vinylnitrilskum som efterliknar ett hjälm-mot-hjälm-islag (konstruerad för hjälmar för amerikansk fotboll eller ishockey). I detta test är huvudformen fäst på en HIII-hals och en släde som rör sig horisontellt. Testmetoden specificerar olika islagsställen på hjälmen som alla innebär att krafterna vid islaget verkar på krockhuvudets tyngdpunkt (NOCSAE, 2006). Rousseau et al. (2011) har föreslagit en modifiering av testmetoden genom att islagen mot hjälmen kommer från olika riktningar med förskjutning från huvudets tyngdpunkt för att simulera verkliga islag som de ser ut vid matcher inom amerikansk fotboll och ishockey. Ingen hänsyn tas dock till detta test eftersom islagen ger mindre tangentiell acceleration och inte överensstämmer med verkliga cykelolyckor.

Vilken testmetod är lämpligast?

Eftersom den är enkel och robust använder MIPS metoden med vertikalt fall mot en lutande yta.

Varför har ni inte med någon hals i era tester?

I de nuvarande testmetoderna faller huvudet antingen utan begränsningar mot islagsytan (europeiska teststandarder) eller begränsas av en skena via en styv arm som är fäst vid huvudet (amerikanska teststandarder). Dessa båda varianter kan sägas representera de båda extremerna på skalan av testmetoder. Någonstans mitt emellan finns normalsituationen, där halsen begränsar huvudets rörelser.

 

Istället för att konstruera ett test utan hals kunde ett alternativ vara att fästa en experimentell hals (t.ex. en HIII-hals) på en vertikal släde i en testrigg med en skena. Men om en testmetod med snett islag ska utvecklas återstår det fortfarande att klarlägga om halsen kommer att påverka den translationella acceleration och vinkelacceleration som mäts i krockhuvudet. Det är uppenbart att halsen begränsar huvudet och att huvudet vid någon tidpunkt roterar kring en punkt i halsen eller ännu längre ner i bröstkorgen.

 

Tidigare studier, bland annat COST 327, har visat att vinkelaccelerationens amplitud påverkas av halsen. Hela Hybrid III-krockdockor med hjälm släpptes på en lutande yta och jämfördes med fritt fallande huvudformer med hjälm. Resultaten visade att vinkelaccelerationen skiljde sig med ungefär 20 procent.

 

 

Studier med
och utan hals

Beusenberg et al. (2001) presenterade en numerisk studie av hjälm-mot-hjälm-islag som simulerade olyckor vid amerikansk fotboll. Studiens slutsats var att halsen faktiskt förändrade vinkelaccelerationens egenskaper vid jämförelse av islag med och utan hals. I Beusenbergs studie var islagen dock nära ett radiellt islag mot hjälmen, där halsen är orsaken till att huvudet roterar, dvs. där islagets tangentiella komponent är liten.

 

Ghajari et al. (2012) visade att vinkelaccelerationskomponenten kunde skilja så mycket som 40 procent vid jämförelse mellan ett hjälmislag med en hel kropp och ett med enbart huvud. I sin studie använde Ghajari THUMS-modellen med finita element och simulerade ett snett islag på hjälmens laterala (temporala) del. Ghajari föreslog att huvudets tröghetsegenskaper skulle ändras för att kompensera för halsen och kroppen om endast huvudet användes i ett test med snett islag.

 

Forero (2009) rekonstruerade 12 jockeyolyckor med användning av MADYMO. Två av dessa studerades i detalj i simuleringar med och utan kropp med islag hjälm-mot-gräsbana. Vinkelaccelerationen ökade från 6462 rad/s2 till 10104 rad/s2 i ett fall och från 5141 rad/s2 till 6444 rad/s2 i det andra fallet, vid jämförelse mellan simulering med en hel kropp och med enbart huvudet. Forero tog också upp att frånvaron av hals och kropp kan innebära att accelerationens riktning ändras. Studiens slutsats var att MADYMO-modellen av människokroppen ger en orealistisk återgivning av ryggradens böjlighet som kan ha lett till den stora diskrepansen.

Rekonstruktioner
med MADYMO

Verschueren et al. 2009 rekonstruerade 22 cykelolyckor med användning av MADYMO. Nio av olyckorna simulerades både med enbart huvud och med hela kroppen. Resultaten av studien visade att korrelationen mellan vinkelaccelerationen mellan simulering med enbart huvudet och simulering med hela kroppen var god vid fyra av de nio rekonstruktionerna. Korrelationen definierades som medelvärdet av tre. I två av nio fall definierades korrelationen som dålig, med en skillnad på ca 30 procent i ett av dessa två fall.

 

Forero 2009 diskuterade islagspulsens varaktighet och påpekade att det är skillnad mellan en jockeyolycka med fall mot en gräsbana (8–20 ms) och cykelolyckor med fall mot en hård vägbana (5–10 ms). När ett test ska konstrueras som efterliknar en gräsbana för jockeyhjälmar kan det därför vara nödvändigt med en hals.

 

Även Fahlstedt et al. (2015) och Klug et al. (2015) har utrett effekten av en hals vid islag med hjälm. Slutsatsen från båda dessa studier är att halsen inte behövs, i synnerhet inte vid jämförelse av förändringen av vinkelhastigheten.

Slutsats

Den slutsats som kan dras här, är att halsen vanligen påverkar huvudets rörelser. Det kan också hävdas att det går att definiera en testmetod med islagsvinklar där halsens effekt är liten under den korta tidsrymd (5–10 ms) då hjälmen är i kontakt med islagsytan.

 

Försök med döda kroppar visar att den övre delen av människans hals är flexibel och kan ses som frikopplad från huvudet för en viss andel av förflyttning eller rotation. Rörelse i en mänsklig led som inte leder till en kraft eller rörelse definieras som den neutrala zonen. Den neutrala zonen i halsens övre del som låter huvudet rotera utan större belastning är omkring 10 grader, beroende på rotationsaxeln.

 

Om vi inte tar hänsyn till muskelaktivitet kan huvudet alltså rotera omkring 10 grader utan att det påverkar kinematiken vid horisontell belastning av huvudet. I ett typiskt islag när en hjälm träffar asfalt, roterar det fritt fallande huvudet omkring 10 grader under islagets första 10 millisekunder. Det går att hävda att den tiden inte räcker för att halsen ska hinna påverka huvudet i någon betydande omfattning i den specifika islagsriktningen. Varken Ivancic eller Camacho et al. analyserade dock en situation med hjälmislag där halsen belastas med vertikal kompressionskraft.

För att avgöra hur viktig halsen är vid ett typiskt islag där en hjälm träffar marken utförde COST-partnerna FE-studier på hur halsen skulle påverka ett huvud med hjälm. Slutsatsen var att halsen påverkar huvudets kinematik men att påverkan är beroende av islagets träffpunkt och riktning.

 

Det är heller inte ännu klart hur lik en människas hals är jämfört med HIII-halsen i en islagssituation med hjälm. HIII-halsen är konstruerad och validerad endast för frontalkrockar med bil i hastigheter runt 11 m/s som ger en flexionsrörelse i halsen/nacken. Det betyder att HIII-krockdockshalsen inte är validerad med avseende på kompressionslast, lateral böjning eller rotation runt den vertikala axeln, vilket även har visats av Myers et al. (1989) och DiSantis (1991).

 

Andra aspekter av frågan om hals/ingen hals som skulle behöva utredas vid design av en ny testmetod är:

  • Om vi antar att människans hals inte påverkar huvudet under de första 10 millisekunderna i de flesta islagssituationer, blir resultatet detsamma när musklerna är spända i en teoretiskt maximal sammandragning?
  • Det finns nackdelar med att använda en hals, bland annat kostnaden och behovet av kalibrering.
  • Det finns fördelar med att använda en experimentell hals i ett hjälmtest eftersom halsen håller huvudet i läge så att det blir lättare att positionera hjälmen.

Slutsatsen är att den mänskliga halsen i dess gränsförhållande till det mänskliga huvudet påverkar huvudets kinematik. Vid cykelolyckor är islagstiden mot marken dock vanligen kort (5–10 ms), vilket betyder att halsen inte påverkar huvudets kinematik så mycket att halsen är nödvändig. Med hänsyn till alla kända aspekter föreslås det att designa den nya testmetoden utan hals.