面向坠落防护的安全头盔性能评估新方法：构建特定冲击测试体系与STAR风险评级系统

《Annals of Biomedical Engineering》：Development of a Fall-Specific Impact Testing Method to Evaluate Safety Helmet Performance and Injury Risk

本刊推荐：为解决工作相关创伤性脑损伤（WRTBI）中坠落事故高发但安全头盔标准缺乏针对性评估的问题，研究人员开展了坠落特异性冲击测试方法的开发研究。通过分析OSHA事故报告、文献数据及斜向冲击测试，确立了以5.5 m/s和6.8 m/s冲击速度、25°斜角及三个关键撞击位置（前额隆起部、后额隆起部、后部）为核心的测试方案。研究结果表明，II型头盔相较I型可降低32.7%脑震荡风险和57.5%颅骨骨折风险，且不同II型头盔性能差异显著。本研究提出的Construction STAR评分系统首次将颅骨骨折与脑震荡风险整合评估，为工业安全头盔的性能优化与消费者选择提供了量化依据。

　　

在建筑工地等高风险工作环境中，坠落事故是导致致命和非致命工作相关创伤性脑损伤（WRTBI）的首要原因。尽管安全头盔（俗称“安全帽”）是工人头部防护的重要装备，但现有的安全标准（如ANSI Z89.1-2014）主要针对垂直方向的冲击和低能量冲击进行测试，并未充分考虑坠落场景中常见的斜向、高能量冲击特性。此外，标准测试仅评估线性加速度，而真实坠落中产生的旋转加速度对脑震荡等损伤有重要影响。据统计，建筑行业54%的非致命性和57%的致命性TBI由坠落引起，凸显了改进头盔测试方法的紧迫性。

为弥补这一空白，弗吉尼亚理工学院的研究团队在《Annals of Biomedical Engineering》上发表了一项研究，旨在开发一种针对坠落场景的安全头盔测试方法，并建立一套名为“Construction STAR”的评分系统，以量化评估头盔在减少脑震荡和颅骨骨折风险方面的性能。该研究通过多步骤方法，结合职业安全与健康管理局（OSHA）事故报告分析、文献回顾和实验测试，确定了模拟真实坠落的实验室冲击条件。

研究采用的关键技术方法主要包括：1）分析OSHA死亡与灾难调查总结数据库，确定常见坠落高度（中位数14英尺，85百分位数25英尺）和冲击表面（73%为混凝土）；2）通过分析坠落能量减轻机制（FIMMs）和尸体头部冲击数据，计算正常头部冲击速度（对应14英尺和25英尺坠落分别为4.9 m/s和6.2 m/s）；3）结合人类受试者坠落研究和计算机模拟数据，确定切向速度范围和冲击角度，最终选择25°斜角冲击台；4）利用50百分位NOCSAE头模，在80目砂纸覆盖的斜台上进行冲击测试，评估峰值线性加速度（PLA）和峰值旋转加速度（PRA）；5）基于冲击动力学数据，使用双变量风险函数计算脑震荡风险，并结合基于PLA的颅骨骨折风险曲线，构建综合STAR评分系统。

冲击位置确定

通过分析 ladder 坠落研究、工业头部损伤调查和模拟数据，确定了三个关键冲击位置：左前额隆起部（反映前向坠落中的偏前冲击）、右后额隆起部（对应侧向或后向坠落）和正后部（常见于后向坠落）。这些位置接近头盔边缘，与标准测试的顶部冲击形成互补。

冲击表面选择

静态摩擦测试显示，80目砂纸与头盔外壳材料（ABS、HDPE、PC）的摩擦系数（0.89）远高于混凝土（0.43）。尽管商业地板砖的摩擦系数（0.34）更接近混凝土，但冲击测试中发现其导致旋转加速度（PRA）变异大且出现非生理性旋转方向。因此，选择80目砂纸作为冲击表面，以确保测试的重复性和生物逼真度。

头盔测试与性能比较

研究测试了五种代表性头盔模型（一种I型和四种II型）。在低冲击速度（5.5 m/s，模拟14英尺坠落）下，II型头盔平均脑震荡风险为56.7%（排除I型头盔后），而I型头盔（ULINE Standard Hard Hat）在多个位置风险接近100%。在高冲击速度（6.8 m/s，模拟25英尺坠落）下，所有头盔在前额隆起部的脑震荡风险均接近饱和（约100%），但颅骨骨折风险差异显著：II型头盔平均风险为68.0%，而I型头盔高达89.4%。峰值头部运动学数据显示，前额隆起部冲击产生的旋转加速度最高，表明该位置是头盔设计的薄弱环节。

STAR评分结果

Construction STAR评分综合了脑震荡和颅骨骨折风险，并加权不同冲击速度和位置的暴露频率。结果显示，II型头盔整体优于I型头盔，其中Milwaukee Tool BOLT和PIP Traverse MIPS（均配备下巴带和全包裹泡沫）表现最佳，STAR评分最低（合计约66.7次损伤/200次潜在头部损伤），而ERB Safety Americana 360和Honeywell Matterhorn A89（仅额部有泡沫条和旋钮固定系统）性能相对较差。这表明设计特征（如固定系统和内部泡沫覆盖范围）对防护性能有显著影响。

研究结论与意义

本研究成功开发了一种基于真实坠落生物力学的安全头盔测试方法，首次将颅骨骨折和脑震荡风险同时纳入评估体系。结果表明，II型头盔在斜向坠落冲击中能提供显著优于I型头盔的防护，但不同II型头盔性能存在较大差异，凸显了设计优化的重要性。提出的STAR评分系统为制造商改进头盔设计和消费者选择高性能产品提供了科学依据。未来，随着建筑行业特定头部损伤数据的积累，该方法可进一步验证和细化，最终降低坠落相关头部损伤的发生率。