Towards a protocol for evaluating unrestrained torso neck braces.
Date
2024-02
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The relatively recent introduction of neck braces for the unrestrained, helmeted rider in extreme activities has necessitated an understanding of the underlying biomechanics resulting from headfirst impacts while wearing these devices. Currently, no established or commonly accepted pathway exists to independently evaluate, and subsequently approve, these devices. The aim of this dissertation is to propose key elements of a protocol for the evaluation of unrestrained torso neck braces resulting in a reliable determination of intervention efficacy. Specific objectives include identifying the relevant neck injury mechanisms from literature, recreating those mechanisms in testing and computational simulations, and identifying applicable neck measures, criteria, and injury risks to evaluate. A further objective is to critically evaluate the proposed methods, measures, and correlates through a case study, using a neck brace. The dissertation presents two tests and a computational model to evaluate neck brace efficacy. The first test, an inverted pendulum test, is proposed to evaluate compression flexion, tension flexion, and tension extension using an HIII ATD neck, and a motorcycle-specific ATD neck (MATD). The second test addresses the most important neck injury mechanism related to motorcycle accidents, compression flexion. This test distinguishes itself from the first test in that the degree of anterior head impact eccentricity is reduced and the baseline impact energy results in neck axial forces approaching injury assessment reference values (IARV). Using a current neck brace as a case study, the proposed tests bring to light important observations in evaluating a neck brace for each mechanism investigated. The ability of the tests to underscore the potential benefits and adverse effects of a neck brace is investigated through the evaluation of the appropriate upper and lower neck response measures. Lastly, a solid-body computational model is proposed to simulate neck response with and without a neck brace for a variety of head impact conditions. These simulations may be used to augment tests that use an HIII ATD neck, considering the challenges associated with using these instruments. The computational model can highlight aspects such as changing neck brace efficacy for varying impact configurations. The proposed method identifies a set of novel methods to visualize and interpret computed neck response data with and without a neck brace when large datasets are created. This work contributes towards the establishment of a novel protocol by which to gauge neck brace performance using applicable biomechanical considerations through testing and computational biomechanics. The chosen loading modalities, neck injury mechanisms, resulting neck response measures, injury criteria, and injury risks evaluated are relevant to the proposed analyses and create a basis for the establishment of a formal testing protocol. A protocol whereby unrestrained torso neck braces can effectively and critically be evaluated will allow product designers to be creative in their endeavors while conforming to a set of safety measures that effectively address important biomechanical considerations required for these device types. The combination of testing and real-world impact simulations enables the efficacy prediction of neck braces to converge with real-world effectiveness.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die betreklik onlangse bekendstelling van nekstutte vir die gehelmde-ruiter, met vrybewegende liggaam, wat aan ekstreme aktiwiteite deelneem, noodsaak 'n begrip van die onderliggende biomeganika as gevolg van kop-eerste impakte met hierdie toestelle. Daar bestaan geen gevestigde of algemeen aanvaarde metode om hierdie toestelle onafhanklik te evalueer en daarna goed te keur nie. Die doel van hierdie tesis is om kern elemente van 'n protokol voor te stel vir die evaluering van vrybewegende torso-nekstutte wat lei tot 'n betroubare bepaling van intervensie-effektiwiteit. Spesifieke doelwitte sluit in die identifisering van die relevante nekbeseringsmeganismes vanaf die literatuur, nabootsing van daardie meganismes deur middel van toetse en numeriese simulasies, en die identifisering van toepaslike nekmaatstawwe, kriteria en beseringsrisiko's om te evalueer. 'n Verdere doelwit is om die voorgestelde metodes, maatstawwe en korrelate krities te evalueer deur 'n gevallestudie met behulp van 'n bestaande nekstut. Die proefskrif stel twee toetse en 'n simulasiemodel voor om die doeltreffendheid van ‘n nekstut te evalueer. Die eerste toets, 'n omgekeerde pendulum-toets, word voorgestel om kompressie-fleksie, trek-fleksie en trek-ekstensie te evalueer deur 'n HIII ATD-nek en 'n motorfietsspesifieke ATD-nek (MATD) te gebruik. Die tweede toets spreek die belangrikste nekbeseringsmeganisme aan wat met motorfietsongelukke verband hou, naamlik kompressie-fleksie. Hierdie toets onderskei hom van die eerste toets deurdat die kop impak eksentrisiteit verminder word en dat die basis impak-energie lei tot nek aksiale kragte wat beserings assessering verwysingswaardes nader. Deur 'n huidige nekstut as 'n gevallestudie te gebruik, bring die voorgestelde toetse belangrike waarnemings met betrekking tot die evaluering van 'n nekstut vir elke meganisme wat ondersoek word, na vore. Die vermoë van die toetse om die potensiële voordele en nadelige effekte van 'n nekstut na vore te bring word ondersoek deur die evaluering van die toepaslike maatstawwe vir boonste en onderste nekrespons. Laastens word 'n soliede liggaam numeriese model voorgestel om nekrespons met en sonder 'n nekstut vir 'n verskeidenheid kop impak toestande te simuleer. Hierdie simulasies kan gebruik word om toetse wat 'n HIII ATD-nek gebruik, aan te vul, met inagneming van die uitdagings verbonde aan die gebruik van hierdie instrumente. Die numeriese model kan aspekte uitwys soos die verandering van nekstut-doeltreffendheid vir verskillende impakkonfigurasies. Die voorgestelde metode identifiseer 'n stel nuwe metodes om berekende nekresponsdata met en sonder 'n nekstut te visualiseer en te interpreteer wanneer groot hoeveelhede data geskep word. Hierdie werk dra by tot die daarstelling van 'n nuwe protokol om nekstut effektiwiteit te bepaal via toepaslike biomeganiese oorwegings deur toetse en numeriese biomeganika. Die gekose lasmodaliteite, nekbeseringsmeganismes, gevolglike nekmetings, beseringskriteria en beseringsrisiko's wat geëvalueer is, is relevant tot die voorgestelde ontledings en skep 'n basis vir 'n formele toetsprotokol. 'n Protokol waarvolgens vrybewegende torso nekstutte effektief en krities geëvalueer kan word, sal produkontwerpers in staat stel om kreatief te wees in hul pogings terwyl hulle voldoen aan 'n stel veiligheidsmaatreëls wat belangrike biomeganiese oorwegings aanspreek wat vir hierdie toesteltipes vereis word. Die kombinasie van toetse en realistiese impaksimulasies konvergeer die doeltreffendheidvoorspelling van nekstutte met werklike doeltreffendheid.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die betreklik onlangse bekendstelling van nekstutte vir die gehelmde-ruiter, met vrybewegende liggaam, wat aan ekstreme aktiwiteite deelneem, noodsaak 'n begrip van die onderliggende biomeganika as gevolg van kop-eerste impakte met hierdie toestelle. Daar bestaan geen gevestigde of algemeen aanvaarde metode om hierdie toestelle onafhanklik te evalueer en daarna goed te keur nie. Die doel van hierdie tesis is om kern elemente van 'n protokol voor te stel vir die evaluering van vrybewegende torso-nekstutte wat lei tot 'n betroubare bepaling van intervensie-effektiwiteit. Spesifieke doelwitte sluit in die identifisering van die relevante nekbeseringsmeganismes vanaf die literatuur, nabootsing van daardie meganismes deur middel van toetse en numeriese simulasies, en die identifisering van toepaslike nekmaatstawwe, kriteria en beseringsrisiko's om te evalueer. 'n Verdere doelwit is om die voorgestelde metodes, maatstawwe en korrelate krities te evalueer deur 'n gevallestudie met behulp van 'n bestaande nekstut. Die proefskrif stel twee toetse en 'n simulasiemodel voor om die doeltreffendheid van ‘n nekstut te evalueer. Die eerste toets, 'n omgekeerde pendulum-toets, word voorgestel om kompressie-fleksie, trek-fleksie en trek-ekstensie te evalueer deur 'n HIII ATD-nek en 'n motorfietsspesifieke ATD-nek (MATD) te gebruik. Die tweede toets spreek die belangrikste nekbeseringsmeganisme aan wat met motorfietsongelukke verband hou, naamlik kompressie-fleksie. Hierdie toets onderskei hom van die eerste toets deurdat die kop impak eksentrisiteit verminder word en dat die basis impak-energie lei tot nek aksiale kragte wat beserings assessering verwysingswaardes nader. Deur 'n huidige nekstut as 'n gevallestudie te gebruik, bring die voorgestelde toetse belangrike waarnemings met betrekking tot die evaluering van 'n nekstut vir elke meganisme wat ondersoek word, na vore. Die vermoë van die toetse om die potensiële voordele en nadelige effekte van 'n nekstut na vore te bring word ondersoek deur die evaluering van die toepaslike maatstawwe vir boonste en onderste nekrespons. Laastens word 'n soliede liggaam numeriese model voorgestel om nekrespons met en sonder 'n nekstut vir 'n verskeidenheid kop impak toestande te simuleer. Hierdie simulasies kan gebruik word om toetse wat 'n HIII ATD-nek gebruik, aan te vul, met inagneming van die uitdagings verbonde aan die gebruik van hierdie instrumente. Die numeriese model kan aspekte uitwys soos die verandering van nekstut-doeltreffendheid vir verskillende impakkonfigurasies. Die voorgestelde metode identifiseer 'n stel nuwe metodes om berekende nekresponsdata met en sonder 'n nekstut te visualiseer en te interpreteer wanneer groot hoeveelhede data geskep word. Hierdie werk dra by tot die daarstelling van 'n nuwe protokol om nekstut effektiwiteit te bepaal via toepaslike biomeganiese oorwegings deur toetse en numeriese biomeganika. Die gekose lasmodaliteite, nekbeseringsmeganismes, gevolglike nekmetings, beseringskriteria en beseringsrisiko's wat geëvalueer is, is relevant tot die voorgestelde ontledings en skep 'n basis vir 'n formele toetsprotokol. 'n Protokol waarvolgens vrybewegende torso nekstutte effektief en krities geëvalueer kan word, sal produkontwerpers in staat stel om kreatief te wees in hul pogings terwyl hulle voldoen aan 'n stel veiligheidsmaatreëls wat belangrike biomeganiese oorwegings aanspreek wat vir hierdie toesteltipes vereis word. Die kombinasie van toetse en realistiese impaksimulasies konvergeer die doeltreffendheidvoorspelling van nekstutte met werklike doeltreffendheid.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2024.