Evaluación de dos tecnologías de cascos rotacionales para disminuir la aceleración rotacional máxima en cascos de ciclismo

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 7735 (2022) Citar este artículo

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El riesgo de traumatismo cerebral se ha asociado con la cinemática rotacional, lo que ha llevado al desarrollo de cascos con diversas tecnologías de gestión de la rotación. El propósito de este artículo fue emplear un protocolo de prueba específico de rotación para evaluar la efectividad de dos de estas tecnologías. Se midió la respuesta dinámica de la cabeza para evaluar el rendimiento de cada tecnología. En este estudio se incluyeron tres cascos de ciclismo con construcción idéntica. Se probaron un casco sin tecnología rotacional, una tecnología comercial establecida y un casco novedoso con tecnología rotacional diseñado y ensamblado por los autores. Se utilizó una prueba de caída sobre un yunque de 45° para medir la capacidad de cada casco para gestionar la respuesta dinámica de la forma de la cabeza durante una serie de impactos. Los resultados revelaron que ambas tecnologías de casco rotacional dieron como resultado una menor aceleración rotacional máxima y tensión cerebral; sin embargo, cada tecnología demostró características de rendimiento únicas dependiendo de la condición del impacto.

El sistema de atención sanitaria de Estados Unidos requiere dos mil millones de dólares al año para tratar y gestionar las lesiones en la cabeza en la población general1,2. Las conmociones cerebrales, que representan entre el 30% y el 40% de las hospitalizaciones de niños y adolescentes3, son la causa más común de lesiones en la cabeza en niños mientras andan en bicicleta. Las conmociones cerebrales relacionadas con el deporte en general se han descrito como una “epidemia silenciosa”, y la prevalencia y los efectos de estas lesiones no se describen completamente1,2,3,4,5. Se han desarrollado tecnologías de casco para minimizar el riesgo de traumatismo craneoencefálico, incluidas las conmociones cerebrales por impactos en la cabeza en el deporte5,6,7,8. Si bien han demostrado ser útiles para reducir las lesiones en la cabeza en el ciclismo, el mecanismo de lesión asociado con la conmoción cerebral no se refleja completamente en los protocolos actuales de prueba de cascos9,10,11,12. La cinemática rotacional que describe la dinámica de la cabeza durante los impactos se ha asociado con lesiones cerebrales difusas, incluida la conmoción cerebral9,10,11,13,14,15,16,17. Sin embargo, la eficacia de los cascos deportivos para tratar los traumatismos craneoencefálicos suele implicar medir la aceleración lineal mediante una prueba de caída vertical sobre un yunque plano18. Post et al.19 y Rowson et al.20 informaron una relación débil entre las aceleraciones máximas rotacionales y lineales para los impactos en la cabeza. Si bien se han empleado varios métodos de prueba, hasta la fecha ningún estándar de prueba de cascos de ciclismo incluye un criterio de rendimiento rotacional10,12,14,21,22,23,24,25,26,27. Se utilizó un protocolo de prueba de impacto de alta fricción propuesto para medir la capacidad de un casco para gestionar la aceleración rotacional. Incluía una forma de cabeza con casco de caída libre sobre un yunque de impacto en ángulo equipado con papel de lija de alta fricción.

Los fabricantes de cascos de ciclismo aumentaron el interés en integrar tecnologías eficaces de gestión de la rotación en los cascos de ciclismo tras informes de que las características del impacto rotacional son importantes predictores del riesgo de lesiones por conmoción cerebral6,10,11,12.

El propósito de este estudio fue evaluar la capacidad de dos tecnologías de casco rotacional instaladas en la misma marca y modelo de casco de ciclismo para manejar el trauma por impacto utilizando un protocolo de prueba de impacto de alta fricción.

En este estudio se incluyeron tres cascos de ciclismo idénticos de tamaño mediano: un casco de ciclismo disponible comercialmente sin tecnología rotacional, un casco de ciclismo disponible comercialmente con capa de baja fricción con tecnología rotacional (MIPS, sistema de protección contra impactos multidireccionales, Suecia) y un casco de ciclismo comercialmente disponible con tecnología rotacional y capa de baja fricción. casco de ciclismo disponible equipado con una novedosa tecnología rotacional compuesta de vejigas llenas de líquido (Fig. 1). Los tres cascos estaban compuestos por una microcarcasa de policarbonato, un forro de poliestireno expandido, inserciones de Koroyd®, almohadillas de ajuste y una correa para la barbilla. El tamaño de la muestra incluyó cuatro cascos para cada tipo de casco para un total de doce cascos.

Cascos de ciclismo probados, casco estándar (arriba), Tecnología n.º 1 (MIPS) (centro) y Tecnología n.º 2 (abajo).

Se han introducido en el mercado una serie de tecnologías de mitigación rotacional, incluida Wavecell, una estructura de copolímero, SPIN, un material de gel de espuma, turbina Leatt de 360°, tecnología de suspensión 6D ODS y Atomic AMID con un material de compresión y corte. Las tecnologías utilizadas en esta investigación incluyeron el sistema de protección contra impactos multidireccional líder de la industria, el sistema MIPS y una novedosa tecnología de vejiga llena de líquido. Para esta investigación, el casco 1 (Standard Liner) era un casco estándar disponible comercialmente sin tecnología de gestión de rotación. El casco 2, identificado como Tecnología n.° 1, era un casco de ciclismo disponible comercialmente con un sistema de gestión de aceleración rotacional (Sistema de protección contra impactos multidireccionales, MIPS) y el Casco 3 identificado como Tecnología n.° 2 tenía la espuma de ajuste reemplazada por tres vejigas de uretano termoplástico (TPU). que contiene fluido de baja viscosidad dispuesto para producir una respuesta de baja fricción entre el cabezal y el revestimiento28,29. Cada vejiga estaba compuesta de una película plástica TPU 85, que contenía 3 ml de aceite mineral incoloro con un diámetro total de 65 mm y un espesor de 3 mm. El grosor (3 mm) era el mismo que el de la espuma de ajuste que reemplazaron para garantizar un ajuste adecuado. Los cascos con tecnologías rotacionales aumentaron ligeramente la masa del casco (25–45 g)30. Aparte de las tecnologías rotacionales, los tres cascos eran idénticos en construcción (Fig. 1).

Para impactar los cascos se utilizó un sistema de plataforma de caída monorriel fabricado por Cadex Impact Inc. (St. Jean-sur-Richelieu, Quebec, Canadá), como se muestra en la Fig. 2. Este aparato se utilizó junto con un cabezal Hybrid III para realizar una caída libre. El halo sostenía la forma de cabeza con casco y pasa alrededor del yunque para permitir un impacto preciso en la ubicación de la cabeza con casco sin interferencia de la plataforma móvil o el yunque. Se utilizó un dispositivo de medición de velocidad láser ajustable para obtener la velocidad de la cabeza justo antes del impacto. Si bien se encuentran disponibles varios métodos de prueba que utilizan formas de cuello, para esta investigación se eligió un sistema de caída libre para garantizar que se minimizara el efecto de la forma de cuello en la respuesta de la forma de cabeza30,31,32,33. Se utilizó la forma de cabeza Hybrid III para incluir el conjunto de aceleración 3-2-2-2 más común34,35.

Suelte el aparejo, el halo y el yunque de 45° con el papel de lija colocado.

Se colocó una forma de cabeza Híbrido III del percentil 50 en la plataforma de caída monorraíl equipada con un halo de caída libre Fig. 2. La forma de cabeza Híbrido III se equipó con nueve acelerómetros Endevco uniaxiales en una matriz 3-2-2-2 que se recolectan en 20.000 Hz. El conjunto 3-2-2-2 se basó en la investigación de Padgaonkar et al.35 para capturar aceleraciones tanto rotacionales como lineales. Los acelerómetros se conectaron a un módulo de control DTS TDAS-Control (DTS, San Juan Capistrano, California, EE. UU.) utilizado en simulaciones de impacto. Las señales se procesaron utilizando un filtro CFC 1000 según la convención SAE J211.

El casco se fijó a la forma de cabeza usando la correa de retención y se verificó para garantizar que estuviera alineado con los mismos puntos de referencia en la forma de cabeza. La forma de la cabeza con casco se colocó sobre un halo unido a un monorraíl y se dejó caer sobre un yunque en ángulo de 45° con adhesivo de papel de lija de grano 80 aplicado a la superficie9,36,37. La velocidad de impacto se fijó en 6,5 m por segundo (DE ± 0,2). Las ubicaciones de impacto incluyeron la parte frontal (eje Rot Y), lateral (eje Rot X), corona (eje Rot Y) y trasera (eje Rot Y) y se definieron en relación con el impactador en ángulo (Fig. 3).

Colocación del cabezal para impactar el yunque en las condiciones frontal, trasera (trasera), lateral y coronaria.

Para obtener la tensión principal máxima (MPS) para impactos con casco de ciclismo, las curvas de carga lineal y rotacional para cada impacto se utilizaron como datos de entrada en el modelo de trauma cerebral de la University College Dublin (UCDBTM)38,39. El modelo se desarrolló utilizando tomografía computarizada (CT) y exploraciones por resonancia magnética (MRI) de un cadáver humano masculino para desarrollar la geometría de la cabeza del UCDBTM40. El modelo tridimensional de elementos finitos incluía el cuero cabelludo, el cráneo, la piamadre, la hoz, la tienda, el líquido cefalorraquídeo (LCR), la materia gris y blanca, el cerebelo y el tronco del encéfalo, representados por aproximadamente 26.000 elementos hexaédricos40. El tejido cerebral se caracterizó como viscoelástico en corte y su comportamiento cerebral se representó mediante un modelo viscoelástico lineal. La naturaleza compresiva del tejido cerebral se definió como elástica. La característica de corte del cerebro viscoelástico estuvo representada por la ecuación. (1), donde G1, se define como el módulo de corte a largo plazo, G0, es el módulo de corte a corto plazo, y b es el factor de caída40:

La validación del UCDBTM se realizó frente a las respuestas de presión cadavérica y la investigación del movimiento cerebral38,40 Hardy et al.39. También se hicieron comparaciones de la respuesta de la presión intracraneal del modelo con los experimentos de Nahum et al.41 que involucraban impactos con componentes de aceleración tanto rotacional como lineal. También se encontró que la respuesta de la presión intracraneal del modelo concordaba con las respuestas de la presión cadavérica de Hardy et al.38 con respecto a la forma general y la duración de Horgan y Gilchrist40. Se descubrió que los rastros de movimiento cerebral del modelo eran similares a la investigación realizada por Trosseille42. Se realizó un examen más detallado del modelo utilizando reconstrucciones de incidentes de lesiones cerebrales del mundo real en los que se encontró una buena concordancia en las magnitudes de las tensiones y tensiones cerebrales en comparación con la literatura. . Los valores máximos de deformación para la materia blanca y la materia gris se informan como el principal máximo para la materia blanca y la materia gris. Cabe señalar que los valores máximos de deformación principal se incluyen en este artículo como una medida de traumatismo cerebral y no representan niveles de lesión cerebral. Por ese motivo, los valores de deformación no se incluyeron en el análisis estadístico.

Una serie de ANOVA de medidas repetidas compararon la aceleración lineal y rotacional máxima resultante para cada tipo de casco. Se completó un ANOVA para cada una de las ubicaciones impactadas con comparaciones del efecto de cada estrategia tecnológica de casco con la línea de base y comparando cada tecnología de casco. Se realizaron comparaciones por pares (α = 0,05) para cada métrica, aceleración lineal máxima y rotacional.

Se completó un análisis estadístico para las variables de respuesta dinámica (aceleración lineal máxima y rotacional). La tensión principal máxima para la materia gris y blanca se incluyó en los resultados solo como referencia. Para la ubicación del impacto frontal, las comparaciones por pares para la aceleración lineal máxima no revelaron diferencias significativas entre el revestimiento estándar y la tecnología n.º 1 (p = 0,230), ni la tecnología n.º 1 y la tecnología n.º 2 (p = 0,159). Sin embargo, hubo una reducción significativa en la aceleración lineal máxima entre el revestimiento estándar y la tecnología n.º 2 (p = 0,026). Para la aceleración rotacional máxima hubo diferencias significativas entre el casco estándar y la tecnología #1 (p = 0,006), el casco estándar y la tecnología #2 (p = 0,000), así como entre la tecnología #1 y #2 (p = 0,000) (Tabla 1; Figura 4).

El gráfico de barras que muestra la aceleración lineal máxima da como resultado g para la ubicación del impacto y el tipo de casco.

Para la ubicación del impacto lateral, las comparaciones por pares para las respuestas de aceleración lineal resultantes máximas no revelaron significación entre el revestimiento estándar y la tecnología n.° 1 (p = 0,078) (Fig. 5). Hubo diferencias significativas entre el liner estándar y la tecnología #2 (p = 0,001) y entre la tecnología #1 y la tecnología #2 (p = 0,010). Para la aceleración de rotación máxima, las comparaciones por pares revelaron que los tres tipos de casco eran significativamente diferentes entre sí; el liner estándar comparado con la tecnología #1 (p = 0,002), el liner estándar comparado con la tecnología #2 (p = 0,000) (Tabla 2).

El gráfico de barras que muestra los resultados de la aceleración rotacional máxima en radianes por segundo al cuadrado (Rad/s2) para las ubicaciones de impacto y el tipo de casco.

Para la ubicación del impacto de la corona, las comparaciones por pares no revelaron significación para la aceleración lineal máxima entre el revestimiento estándar y la tecnología n.° 1 (p = 0,344) o entre las tecnologías n.° 1 y n.° 2 (p = 0,778). Hubo una diferencia significativa entre el liner estándar y la tecnología #2 (p = 0,034). Para la aceleración de rotación máxima, las comparaciones por pares no revelaron diferencias significativas entre el revestimiento estándar y la tecnología n.° 1 (p = 0,344) y las tecnologías n.° 1 y n.° 2 (p = 0,778); sin embargo, sí hubo significancia entre el revestimiento estándar y la tecnología n.° 2 (p = 0,778 ) (Tabla 3; Figura 5).

Para la ubicación trasera, las comparaciones por pares para las aceleraciones máximas lineales y rotacionales entre tipos de casco no revelaron diferencias significativas (Tabla 4; Figuras 4 y 5).

El protocolo de prueba utilizado en esta investigación identificó diferencias entre la capacidad de los tres cascos probados para gestionar la aceleración lineal y rotacional máxima (Tablas 1, 2, 3, 4). La capa de baja fricción en la tecnología n.° 1 (MIPS) y las vejigas llenas de líquido en la tecnología n.° 2 redujeron las aceleraciones lineales y rotacionales máximas. Si bien ambas tecnologías superaron consistentemente a la tecnología de casco convencional, la tecnología número 2 fue más efectiva en el manejo de aceleraciones lineales y rotacionales para los impactos frontales y laterales. Si bien la tecnología n.° 2 disminuyó significativamente la aceleración lineal y rotacional para el sitio de impacto de la corona, la tecnología n.° 1 no funcionó tan bien (Fig. 5). Las diferencias en las dos estructuras tecnológicas probablemente contribuyeron a las diferencias en la capacidad de las dos tecnologías para gestionar aceleraciones lineales y rotacionales para los cuatro sitios de impacto. Ambas tecnologías redujeron las aceleraciones máximas lineales y rotacionales en el lugar del impacto trasero, aunque no fue estadísticamente significativo. Este hallazgo no fue inesperado ya que ambas tecnologías de rotación no cubrieron completamente el lugar del impacto trasero. Además, había una geometría pronunciada en el lugar del impacto trasero, lo que aumentaba la variación en las mediciones y, por lo tanto, disminuía la probabilidad de significancia estadística. El casco de ciclismo estándar no logró la respuesta dinámica durante los impactos con tanta eficacia como los dos cascos con tecnología rotacional. Las dos tecnologías rotacionales también dieron como resultado una menor tensión tanto para la materia gris como para la blanca en comparación con todas las condiciones de impacto (12,70–27,16%). Los resultados demostraron que las dos tecnologías rotacionales en este estudio fueron efectivas para disminuir la aceleración lineal y rotacional máxima en las condiciones probadas (Fig. 5). Si bien no se hizo ningún intento de optimizar las tecnologías de rotación para condiciones de impacto específicas, incluida la ubicación y dirección del impacto, estos resultados respaldan la idea de que una tecnología específica puede ser más efectiva para gestionar la aceleración de rotación en condiciones de impacto específicas. Se deberían considerar investigaciones adicionales para investigar la oportunidad de optimizar el rendimiento del casco utilizando tecnología específica para condiciones de impacto. La protección mejorada proporcionada por la tecnología rotacional en esta investigación respalda la importancia de incluir protocolos de prueba rotacionales en los estándares de certificación de cascos.

Como ocurre con todas las investigaciones de laboratorio que no involucran participantes humanos, la aplicación e interpretación de estos resultados deben considerar las limitaciones de las herramientas utilizadas para medir el trauma por impacto. Los impactos utilizados en esta prueba no incluyeron una prueba específica para crear aceleración alrededor del eje Z. La asociación de la aceleración en este eje con el riesgo de traumatismo cerebral respalda la adición de un impacto para crear aceleración en el eje Z en futuras investigaciones. Esta investigación involucró dos tecnologías únicas como ejemplos de tecnologías de gestión rotacional y no puede considerarse representativa de otras tecnologías rotativas. La geometría de la calota de este casco se considera aerodinámica; por tanto, la forma no es redonda. Estas conclusiones son específicas de los cascos de ciclismo probados y pueden ser diferentes para otros cascos. El alcance de la investigación se limitó al traumatismo craneoencefálico en el ciclismo43,44,45,46. Finalmente, el protocolo de impacto fue una modificación de los métodos existentes propuestos por el método de prueba europeo para impactos rotacionales Halldin et al.30,36,43.

El propósito de este trabajo fue evaluar la efectividad de un protocolo de prueba específico de rotación en la evaluación de dos tecnologías diseñadas para disminuir las aceleraciones de rotación durante los impactos en la cabeza en cascos de ciclismo. Los hallazgos revelaron que la prueba específica de rotación demostró reducciones significativas en la aceleración de rotación máxima para ambas tecnologías de rotación en comparación con el casco convencional. La Tecnología #1 tuvo reducciones significativas en la aceleración de rotación para los sitios de impacto frontal y lateral, mientras que la Tecnología #2 tuvo reducciones significativas en la aceleración de rotación para los sitios de impacto frontal, lateral y de corona. Cada tecnología demostró características de rendimiento únicas según la condición del impacto. Esta investigación respalda el uso de protocolos de prueba de rotación del casco para evaluar la capacidad del casco para gestionar el riesgo de traumatismo craneoencefálico.

Actualmente, en la Universidad de Ottawa (Canadá) se almacenan datos físicos y computacionales sin procesar y procesados ​​de todas las variables. Está disponible previa solicitud y también ha estado disponible en "archivos complementarios".

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Departamento de Kinesiología, Universidad de Waterloo, 200 University Avenue West, Waterloo, ON, N2L 3G1, Canadá

Thomas Hoshizaki

Departamento de Cinética Humana, Universidad de Ottawa, Ottawa, Canadá

Andrew M. Post y T. Blaine Hoshizaki

Escuela de Kinesiología, Universidad de Lakehead, Thunder Bay, Canadá

Thomas Hoshizaki, Carlos E. Zerpa & Elizabeth Legace

Escuela de Ingeniería Mecánica y de Materiales, University College Dublin, Dublín, República de Irlanda

Andrew M. Post y Michael D. Gilchrist

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TH conceptualizó el estudio, recopiló los datos, analizó y escribió el manuscrito. AP ayudó con el análisis e interpretación de los datos. EL preparó las Figs. 1, 2, 3. MG desarrolló el modelo FE. TBH conceptualizó y también escribió el manuscrito. CZ ayudó con la conceptualización. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Thomas Hoshizaki.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Hoshizaki, T., Post, AM, Zerpa, CE et al. Evaluación de dos tecnologías de cascos rotacionales para disminuir la aceleración rotacional máxima en cascos de ciclismo. Representante científico 12, 7735 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11559-0

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Recibido: 12 de enero de 2022

Aceptado: 26 de abril de 2022

Publicado: 11 de mayo de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11559-0

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