不同冲击测试系统下马球头盔性能评估：差异剖析与测试选择依据

在马球运动中，球员头部受伤风险高，头盔标准多样且现有测试方法存在局限。研究人员对比 10 种马球头盔在不同测试系统下的性能。结果显示各系统测试结果有差异但头盔排名有一定相关性。该研究为选择合适测试系统评估头盔提供参考。

　　在充满激情与挑战的马球运动中，骑手们在赛场上风驰电掣，然而这项运动却隐藏着不小的风险。马球比赛中，球员们频繁遭遇摔倒、碰撞，还有可能被球或球杆击中，头部受伤的情况时有发生。为了保障球员的安全，佩戴合格的头盔成为了关键措施。但目前马球头盔的标准在不同地区和组织间差异较大，而且现有的头盔测试方法大多只关注线性加速度，忽视了同样重要的旋转加速度，而线性和旋转加速度都是导致脑损伤的关键因素（线性加速度指物体在直线方向上速度变化的快慢；旋转加速度指物体绕某一轴转动时角速度变化的快慢）。同时，不同的头盔测试系统，如斜向冲击测试系统和摆锤冲击测试系统，在实际应用中的差异也尚不明确。在这样的背景下，为了更全面、准确地评估马球头盔的性能，弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）的研究人员开展了一项关于不同冲击测试系统下马球头盔性能评估的研究。
研究人员对 10 种马球头盔进行了测试，这些头盔中有 4 种符合当前美国国家运动设备标准操作委员会（NOCSAE）标准，还有一款配备了多向冲击保护系统（MIPS）技术。研究采用了三种不同的测试系统，分别是 NOCSAE 落塔、冲击摆锤和斜向落塔，在两个不同的冲击速度（3.46m/s 和 5.46m/s ，这两个速度代表了低和高冲击严重程度）以及三个冲击位置（前顶、侧面和后顶）进行了共计 180 次冲击测试。
研究人员运用了多种技术方法来确保测试的准确性和科学性。在数据采集方面，通过在 NOCSAE 头模的质心位置安装不同自由度的传感器包，来测量线性和旋转的头部运动学数据。对于采集到的数据，利用旋转矩阵进行转换，以校正传感器安装时的角度偏移，并且按照 SAE J211 规范，使用四极无相数字巴特沃斯低通滤波器对运动学信号进行滤波处理。此外，研究人员还通过特定的算法计算出旋转加速度、峰值线性加速度（PLA）、峰值旋转加速度（PRA）、峰值旋转速度（PRV）以及脑震荡风险 ，这些指标对于评估头盔的防护性能至关重要。
研究结果主要从测试系统比较和头盔模型比较两个方面展开。在测试系统比较方面：线性加速度受测试系统、冲击位置和冲击速度的显著影响。斜向落塔产生的线性加速度平均比摆锤高 52.7g（95% 置信区间 44.5 - 60.9g） ，NOCSAE 落塔产生的线性加速度比摆锤高 40.9g（95% 置信区间 32.7 - 49.1g），斜向落塔比 NOCSAE 落塔高 11.8g（95% 置信区间 3.6 - 20.0g）。不同速度下，各系统间线性加速度的相关性有所不同，3.46m/s 时，摆锤与斜向系统、摆锤与 NOCSAE 系统相关性较高；5.46m/s 时，摆锤与斜向系统相关性强，而斜向与 NOCSAE 系统相关性较弱甚至呈负相关。旋转加速度同样受测试系统、冲击位置和冲击速度影响。斜向落塔产生的旋转加速度平均比摆锤高 460rad/s2（ - 2 - 923rad/s2 ），两个系统间旋转加速度存在中等程度的相关性。在旋转速度方面，斜向落塔产生的旋转速度平均比摆锤高 4.34rad/s（2.69 - 5.98rad/s） ，且在冲击持续时间内，斜向系统的旋转速度更高。在头盔模型比较方面：不同头盔模型产生的线性和旋转加速度差异明显。例如，查尔斯?欧文君主（Charles Owen Sovereign）和卡萨布兰卡 NEU（Casablanca NEU）头盔产生的平均线性加速度最低，而拉马丁娜温莎（La Martina Windsor）和阿姆斯边缘（Armis Edge）头盔最高；本能阿斯卡里（Instinct Askari）和 KEP 克罗莫 2.0（KEP Cromo 2.0）头盔产生的平均旋转加速度最低，而克罗诺阿尔法（Krono Alpha）和拉马丁娜 X - 进化（La Martina X - Volution）头盔最高。在脑震荡风险评估上，查尔斯?欧文君主和阿姆斯维拉（Armis Vera）头盔产生的平均脑震荡风险最低，克罗诺阿尔法和拉马丁娜 X - 进化头盔最高。而且，在头盔模型排名上，斜向和摆锤测试系统在旋转加速度和脑震荡风险评估方面具有较强的相关性。
研究结论和讨论部分指出，不同测试系统在相同冲击速度下的测试结果存在差异，但在头盔性能排名上有一定的相关性。这种差异主要源于各测试系统的结构和作用方式不同。例如，摆锤系统允许冲击器摆动，减少了垂直平移力，因此产生的线性加速度较低；而斜向系统由于头部撞击金属砧，能量传递和旋转方式不同，导致其与其他系统存在差异。尽管如此，斜向和摆锤系统都能在马球运动中模拟可能出现的头部冲击情况，对于评估头盔的防护能力都有一定价值。此外，研究还发现 NOCSAE 认证的头盔在降低线性和旋转加速度以及脑震荡风险方面表现更优。然而，该研究也存在一定的局限性，如未收集现场数据、测试速度受限、未考虑冲击表面的摩擦和刚度变化等。尽管如此，这项研究为不同加载条件下头模响应的比较提供了框架，强调在选择测试系统评估特定运动的头盔时，必须充分考虑相关的冲击条件和加载模式，以确保实验室测试能准确反映现实场景，这对于保障马球运动员的头部安全具有重要的指导意义。该研究成果发表在《Annals of Biomedical Engineering》上，为头盔测试领域的进一步研究提供了有价值的参考。