量化设计特征对青少年自行车头盔在斜向撞击中性能的影响：守护青春骑行的关键探索

　　在青少年自行车运动中，头部受伤问题频发。为探究青少年自行车头盔设计特征对其性能的影响，研究人员对 21 种头盔进行斜向撞击测试。结果发现不同头盔的峰值线性加速度（PLA）和峰值旋转加速度（PRA）差异大，EPS 厚度等设计特征影响显著。这为优化头盔设计提供了重要依据。

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　　在青春洋溢的骑行时光里，自行车本应是青少年探索世界的快乐伙伴，然而现实却暗藏危机。在美国，自行车事故是导致 14 岁及以下儿童脑震荡的第五大原因。2020 年，14 岁以下儿童因自行车事故急诊超 109,000 次，50 人死亡，其中 26 人因创伤性脑损伤（TBI）离世 。尽管头盔能显著降低头部受伤风险，但现有青少年自行车头盔的研究却存在诸多空白。

目前，美国消费者产品安全委员会（CPSC）制定的头盔安全标准，主要通过限制头部峰值线性加速度（PLA）来降低严重伤害风险，要求头盔在撞击测试中使 PLA 低于 300g 。但这一标准并未考虑到脑震荡发生时涉及的线性和旋转加速度，而且青少年与成人头部受伤的生物力学阈值不同，儿童骑行时的高度和速度也与成人有别，现有的基于成人自行车头部撞击的测试协议，无法准确评估青少年自行车头盔的性能。此外，青少年自行车头盔款式多样，独特的设计特征如外壳突起等，可能会改变头部在撞击时的运动学响应，但此前却鲜有研究对此进行量化分析。

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为了填补这些研究空白，弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）的研究人员 Caitlyn Jung、Nicole E.-P. Stark 等人开展了一项关于青少年自行车头盔性能的研究，相关成果发表在《Annals of Biomedical Engineering》上。这项研究意义重大，它能帮助制造商更好地了解头盔设计与性能之间的关系，从而开发出更能有效降低青少年脑震荡风险的头盔。

研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。首先，利用斜向落塔进行撞击测试，以模拟青少年骑行时可能发生的斜向撞击场景。测试中使用 6 岁儿童 Hybrid III 头模，通过定制工具将头盔正确佩戴在头模上，并在头模重心处安装六自由度传感器包，用于记录线性和旋转头部运动学数据。同时，根据 YouTube 上公开的青少年骑行事故视频确定撞击位置和速度。此外，运用线性混合效应回归模型（LMER）对数据进行统计分析，以量化设计特征对 PLA 和 PRA 的影响。

研究结果如下：

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• 头盔性能差异显著：在不同速度下，21 种头盔模型的 PLA 和 PRA 响应差异明显。在 3.1m/s 的低速撞击时，PLA 平均值为 95.9±26.1g，PRA 平均值为 3150±1275rad/s2 ；在 5.2m/s 的高速撞击时，PLA 平均值为 170.1±43.5g，PRA 平均值为 4990±1977rad/s2 。不同头盔的累积脑震荡风险值也各不相同，范围从 2.71 到 8.15，表明最差的头盔脑震荡风险是最好头盔的三倍。
• 设计特征影响显著：撞击位置、撞击速度和 EPS 厚度对 PLA 和 PRA 都有显著影响。EPS 厚度每增加 1mm，PLA 降低 2.0g，PRA 降低 44.8rad/s2 。外壳突起对 PLA 有显著影响，在撞击部位有突起时，PLA 降低 24.6g ，但对 PRA 的影响存在较大置信区间。外壳厚度增加会使 PLA 和 PRA 上升，每增加 1mm，PLA 增加 14.9g，PRA 增加 465.5rad/s2 。
• 旋转技术和外壳表面处理效果不明显：研究中测试的旋转技术（如 MIPS、WaveCel 和 Kineticore）对 PRA 没有明显影响。外壳表面处理（如哑光、光泽等）在本研究中也未对 PLA 和 PRA 产生影响。

研究结论和讨论部分指出，本研究表明 EPS 厚度、外壳厚度和外壳突起等设计特征对青少年自行车头盔的线性和旋转运动学指标有重要影响。其中，Raskullz Flame Hawk 头盔在降低 PLA、PRA 和脑震荡风险方面表现最佳，其具有平均的 EPS 厚度、较薄的外壳厚度以及两个撞击位置的突起；Nutcase Little Nutty 头盔则在降低 PLA 方面表现最差，Eight Ball Helmet 在降低 PRA 方面表现最差，且 Nutcase Little Nutty 头盔的累积脑震荡风险最大。这说明不同头盔的设计特征差异会导致其性能的显著不同。

然而，本研究也存在一些局限性。样本数量仅为 21 种头盔模型，无法涵盖市场上所有头盔，可能导致部分设计特征的重要性被低估。实验的撞击条件基于网络视频确定，可能无法完全代表现实世界中的撞击场景，存在一定的偏差。此外，撞击位置和速度是近似值，未通过软件精确量化。

尽管如此，这项研究为青少年自行车头盔的设计和评估提供了重要参考。它提醒制造商在设计头盔时，应综合考虑线性和旋转头部运动学指标，不仅仅满足于 CPSC 标准，更要关注如何有效降低青少年在骑行过程中的脑震荡风险。未来的研究可以进一步扩大样本量，更精确地模拟现实世界的撞击场景，深入探究外壳突起等设计特征在不同条件下的作用，为保障青少年骑行安全提供更有力的支持。

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