Development of a new cycling helmet standard for improved head impact protection

Abstract

Cycling is a popular sport and an easy way of commuting with many health benefits, but also involves risks, like head injuries. Medical data and studies on accident reconstruction have established the common understanding that most cycling accidents involve oblique impacts which lead to injuries due to rotational loading conditions induced on the brain. Conventional helmets lack dedicated mechanisms that aim at rotational acceleration mitigation, since it is not yet a requirement in helmet testing standards. As a result, bicycle helmets need to evolve to better protect against such injuries. At the same time, certification processes should keep up by accurately replicating these accident conditions. Even though there are currently many different technologies available promising to reduce the effect of rotational acceleration during an impact, the lack of an official testing standard means that their evaluation is based on customised set-ups that may differ from each other and may not be sufficiently representative of real accident conditions.The goals of this PhD research were multiple as it is aiming to advance the pre-existing insights in oblique impact testing and standards in order to develop, verify and apply a designing method for bicycle helmets, compatible with these new testing standards.First, a novel testing set-up and process was further developed, where ordinary helmets but also more advanced helmets, designed for reducing rotational acceleration, can be tested. For its validation, motion tracking was utilized and combined with acceleration curves, leading to better repeatability and additional insights in the impact kinematics. The process defined is easy to use, but also capable of imitating the impact conditions during a bicycle accident.Second and in parallel with the first goal, different parameters that influence the biofidelity of the testing process were studied. The two most important that were investigated were the presence of a neckform and a scalp. Results showed that both parameters can have significant influence on the kinematics of the impact. They demonstrate the need for further research and development of biofidelic surrogates to corroborate and extend the current findings before implementing them into a final testing protocol.Third, the tools for a methodology to design bicycle helmets had to be developed, certifiable by the defined testing process, yet appealing and easily adopted by the consumers. Towards that end, the development and validation of a virtual FE model of an impacting helmet was essential, with the incorporation of adequate material models and data. This would require: 1) A newly developed test method to perform tensile tests on EPS foam at different strain rates. Results were used to define a density and strain rate dependent material model, applied in the FEA in combination with a crushable foam material model. 2) The development and verification of a FEA model of the head-helmet assembly, using impact experiments on three different bicycle helmets.Forth, the methodology and the gained insights for the development of novel concepts for the next generation of helmets were applied to propose a novel concept for the next generation of helmets. The concept was patented, and experiments on prototype helmets validated the working concept.

Το ποδήλατο είναι ένα δημοφιλές άθλημα και ένας εύκολος τρόπος μετακίνησης με πολλά οφέλη για την υγεία, αλλά ενέχει και κινδύνους, όπως τραυματισμούς στο κεφάλι. Τα ιατρικά δεδομένα και οι μελέτες για την αποκατάσταση ατυχημάτων έχουν καθιερώσει την κοινή αντίληψη ότι τα περισσότερα ατυχήματα με ποδήλατο περιλαμβάνουν λοξές κρούσεις που οδηγούν σε τραυματισμούς λόγω συνθηκών περιστροφικής φόρτισης που προκαλούνται στον εγκέφαλο. Τα συμβατικά κράνη δεν διαθέτουν ειδικούς μηχανισμούς που στοχεύουν στον μετριασμό της περιστροφικής επιτάχυνσης, καθώς δεν αποτελεί ακόμη απαίτηση στα πρότυπα δοκιμών κράνους. Ως αποτέλεσμα, τα ποδηλατικά κράνη πρέπει να εξελιχθούν για να προστατεύονται καλύτερα από τέτοιους τραυματισμούς. Ταυτόχρονα, οι διαδικασίες πιστοποίησης θα πρέπει να συμβαδίζουν με την ακριβή αναπαραγωγή αυτών των συνθηκών ατυχήματος. Παρόλο που επί του παρόντος υπάρχουν πολλές διαφορετικές τεχνολογίες διαθέσιμες που υπόσχονται να μειώσουν την επίδραση της περιστροφικής επιτάχυνσης κατά τη διάρκεια μιας πρόσκρουσης, η έλλειψη επίσημων προτύπων δοκιμών σημαίνει ότι η αξιολόγησή τους βασίζεται σε προσαρμοσμένες ρυθμίσεις που μπορεί να διαφέρουν μεταξύ τους και μπορεί να μην είναι επαρκώς αντιπροσωπευτικό πραγματικών συνθηκών ατυχήματος.Δεύτερον και παράλληλα με τον πρώτο στόχο, μελετήθηκαν διαφορετικές παράμετροι που επηρεάζουν τη βιοπιστότητα της διαδικασίας δοκιμής. Τα δύο πιο σημαντικά που διερευνήθηκαν ήταν η παρουσία λαιμού και τριχωτού της κεφαλής. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι και οι δύο παράμετροι μπορούν να έχουν σημαντική επίδραση στην κινηματική της κρούσης. Καταδεικνύουν την ανάγκη για περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη βιοιδελικών υποκατάστατων για να επιβεβαιωθούν και να επεκταθούν τα τρέχοντα ευρήματα πριν από την εφαρμογή τους σε ένα τελικό πρωτόκολλο δοκιμών.Τρίτον, έπρεπε να αναπτυχθούν τα εργαλεία για μια μεθοδολογία σχεδιασμού κράνους ποδηλάτου, τα οποία να πιστοποιούνται από την καθορισμένη διαδικασία δοκιμών, αλλά να είναι ελκυστικά και να υιοθετούνται εύκολα από τους καταναλωτές. Για το σκοπό αυτό, ήταν απαραίτητη η ανάπτυξη και η επικύρωση ενός εικονικού μοντέλου FE κράνους κρούσης, με την ενσωμάτωση επαρκών μοντέλων και δεδομένων υλικού. Αυτό θα απαιτούσε: 1) Μια πρόσφατα αναπτυγμένη μέθοδο δοκιμής για την εκτέλεση δοκιμών εφελκυσμού σε αφρό EPS σε διαφορετικούς ρυθμούς παραμόρφωσης. Τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για τον καθορισμό ενός μοντέλου υλικού εξαρτώμενου από την πυκνότητα και τον ρυθμό παραμόρφωσης, που εφαρμόστηκε στο FEA σε συνδυασμό με ένα μοντέλο θρυμματιζόμενου αφρώδους υλικού. 2) Η ανάπτυξη και η επαλήθευση ενός μοντέλου FEA του συγκροτήματος κεφαλής-κράνος, χρησιμοποιώντας πειράματα κρούσης σε τρία διαφορετικά κράνη ποδηλάτου.Τέταρτον, η μεθοδολογία και οι γνώσεις που αποκτήθηκαν για την ανάπτυξη νέων ιδεών για την επόμενη γενιά κρανών εφαρμόστηκαν για να προταθεί μια νέα ιδέα για την επόμενη γενιά κρανών. Η ιδέα κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και τα πειράματα σε πρωτότυπα κράνη επικύρωσαν την ιδέα εργασίας.Οι στόχοι αυτής της διδακτορικής έρευνας ήταν πολλαπλοί καθώς στοχεύει να προωθήσει τις προϋπάρχουσες γνώσεις σχετικά με τις δοκιμές λοξής πρόσκρουσης και τα πρότυπα προκειμένου να αναπτυχθεί, να επαληθευτεί και να εφαρμοστεί μια μέθοδος σχεδιασμού για κράνη ποδηλάτου, συμβατή με αυτά τα νέα πρότυπα δοκιμών.Πρώτον, αναπτύχθηκε περαιτέρω μια νέα διάταξη και διαδικασία δοκιμών, όπου μπορούν να δοκιμαστούν συνηθισμένα κράνη αλλά και πιο προηγμένα κράνη, σχεδιασμένα για τη μείωση της περιστροφικής επιτάχυνσης. Για την επικύρωσή του, χρησιμοποιήθηκε η παρακολούθηση κίνησης και συνδυάστηκε με καμπύλες επιτάχυνσης, οδηγώντας σε καλύτερη επαναληψιμότητα και πρόσθετες γνώσεις στην κινηματική κρούσης. Η διαδικασία που ορίζεται είναι εύκολη στη χρήση, αλλά και ικανή να μιμηθεί τις συνθήκες πρόσκρουσης κατά τη διάρκεια ενός ατυχήματος με ποδήλατο.