单独的头部-颈部组件在导向轨道上坠落时，无法重现全身坠落时的头部撞击运动学特征：一项使用替代模型的实验研究

军事头盔生物力学评估中引导坠落塔与全 Hybrid III ATD 的动力学对比研究。通过3.0m/s和4.5m/s两种速度、30°和75°两种角度的刚性表面冲击实验，比较了引导式头颈模型与完整ATD的线性加速度、角加速度及角速度等动力学参数。结果表明：虽然引导式测试可用于评估头盔线性冲击衰减性能，但其无法复现完整ATD的角动力学变化特征，尤其在初始冲击后角加速度持续升高的阶段存在显著差异，提示现有测试方法在捕捉全身体征对头盔性能影响方面存在局限性。

作者：亚伦·布里斯（Aaron Brice）、A.J. 希因曼（A.J. Hinman）、西蒙·奥埃莱特（Simon Ouellet）、克里斯托弗·R·丹尼森（Christopher R. Dennison）

维多利亚大学机械工程系生物力学与仪器实验室，地址：加拿大不列颠哥伦比亚省维多利亚市芬纳蒂路3800号（3800 Finnerty Rd, Victoria, BC V8P 5C2）

摘要

跌落引起的创伤性脑损伤（TBI）约占军队人员报告的TBI病例的20%。因此，使用能够准确模拟现实世界跌落情况的方法来评估军用头盔的防护性能至关重要，以确保测试结果的可靠性。引导式跌落试验塔旨在实现这种模拟，但其运动自由度受到限制，并且通常不考虑整个身体的质量。本研究旨在验证引导式跌落与完整人体模型跌落在运动学上的相似性。如果两者不同，就需要记录关键差异及其对头盔评估的影响。实验中，物体以3.0米/秒和4.5米/秒的速度撞击刚性表面，撞击角度分别为30°（身体接近仰卧状态）和75°（身体几乎直立，头部向下），并测量头部的重心加速度、角加速度和角速度。实验中将可变质量的引导式跌落装置与Hybrid III头颈模型进行了对比。结果表明，引导式跌落试验塔对峰值运动学数据的估计与完整人体模型的结果存在差异。虽然这些结果表明引导式跌落试验适用于评估军用头盔的防护效果，但其在所有测试配置下均无法完全再现头盔、头部和颈部的实际运动机制。

引言

跌落引起的创伤性脑损伤（TBI）对军队人员构成了重大威胁，约占军事行动中所有TBI病例的20%（Kong等人，2022年；Lindquist等人，2017年）。尽管军队人员配备了旨在减轻头部撞击伤害的防护装备，TBI的发生率仍然很高（ACH AR/PD 10-02，2010年；McEntire和Whitley，2005年）。

跌落引起的TBI高发可能与高风险操作有关，例如在不稳定结构上行走、从建筑物或飞机上跳下以及低空撤离（Kong等人，2022年；Lindquist等人，2017年）。为了改进头盔评估方法，以确定现有和未来头盔是否能有效保护佩戴者免受TBI伤害，人们希望采用尽可能接近实际撞击情况的测试方法。这些撞击过程包括直接的头部撞击以及随后的头部反弹阶段，两者共同影响受伤风险。

大多数现代头盔的测试使用跌落试验塔进行。然而，现有的跌落试验塔通常仅允许物体沿一个方向自由落体，且系统通常不考虑整个身体的质量（参考标准：49 CFR 571.218—标准编号218；摩托车头盔，2004年；修订版B-95标准最终手册，1998年；ACH AR/PD 10-02，2010年；M2025D-Final-11-1-23.pdf，2023年；NOCSAE DOC ND 001 – 17m24a，2024年）。

一个合理的评估标准可能是让穿着防护装备的活体受试者在类似实战环境中进行跌落测试（Crandall等人，2011年；NATO，1996年）。但从伦理角度来看，这种方法存在争议。因此，大多数实验室采用被认为在运动学上更接近人体的模型（如Hybrid III头颈模型，Humanetics公司，位于密歇根州法明顿希尔斯，标准编号ATD 78051–218-H），这些模型配备了测量跌落运动学的仪器（Crandall等人，2011年；NATO，1996年）。由于Hybrid III头颈模型的成本较高，头盔测试实验室通常只使用其头部和颈部部分进行测试。在这些实验中，通常仅记录与头盔防护效果相关的短暂时间窗口内的运动数据，而忽略了头部反弹阶段的运动情况（Chung等人，2022年）。此外，一些研究机构还开发了有限元分析（FEA）模型来研究全身佩戴头盔时的头部-大脑反应（Ghajari等人，2009年；Ghajari等人，2011年）。尽管相关研究有限（Chinn等人，2001年），但引导式跌落试验塔是否能准确模拟完整人体模型的运动情况仍是一个未解决的问题。尽管存在这些疑问，许多实验室仍继续使用跌落试验塔进行测试（Crandall等人，2011年；Melvin，1988年）。

为了验证完整人体模型是否能产生与引导式跌落相似的运动数据，我们提出了以下假设：配备柔性颈部和合适有效躯干的引导式跌落试验塔在评估军用头盔防护效果时，能否产生与完整Hybrid III人体模型一致的运动数据。

方法

为了对比完整人体模型（ATD）和引导式跌落试验塔的测试结果，我们在两种撞击速度和两个撞击角度下对头盔进行了多次撞击实验（每种配置重复3次）。选择3.0米/秒和4.5米/秒的撞击速度，前者符合现行高级战斗头盔（ACH）评估标准（AR/PD 10–02）的要求，后者则是根据作者建议、更贴近实际跌落情况的速度。

结果

表1总结了峰值运动学数据和损伤指标的平均值。运动学对比结果显示，在多种情况下，完整人体模型与不同跌落试验塔之间的差异显著。

图2展示了各测量指标的时间平均变化曲线，以便直观展示两种测试方法在所有角度和速度下的运动学差异。

讨论

本研究通过模拟自由落体和引导式跌落，探讨了两者之间的运动学差异。测试了两种撞击速度（3.0米/秒和4.5米/秒）以及两种撞击角度（30°和75°）。

结论

研究结果表明，对于完整人体模型而言，角加速度在初始峰值加速度时开始增加；随后角加速度持续增大，对评估头盔内的头部损伤情况具有重要意义。引导式跌落试验塔产生的运动数据与完整人体模型的结果存在明显差异，这种差异在撞击的早期和后期阶段均表现明显。

作者贡献声明

亚伦·布里斯（Aaron Brice）：负责撰写初稿、方法设计、数据分析、概念构建。

A.J. 希因曼（A.J. Hinman）：负责审稿与编辑、撰写初稿、数据可视化。

西蒙·奥埃莱特（Simon Ouellet）：负责项目监督、资源协调、资金申请、概念构思。克里斯托弗·R·丹尼森（Christopher R. Dennison）：负责审稿与编辑、项目监督、数据收集、调查分析、概念构思。

资金支持

生物力学与仪器实验室感谢自然科学与工程研究委员会（Natural Sciences and Engineering Research Council）在发现计划（Discovery Program）、研究工具与仪器（Research Tools and Instruments）以及联盟项目（Alliance Programs）方面的资金支持。部分实验设备的购置还得到了加拿大创新领袖机会基金（Canada Foundation for Innovation Leaders Opportunities Fund）的资助。本研究是在与加拿大国防研究与发展部（Defence Research and Development Canada）的合作协议下完成的。

利益冲突声明

作者声明：他们没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。