裝有傳感器的頭盔和護目鏡可定量地測量頭部的沖擊力

自供電傳感器將頸部張力轉(zhuǎn)換為電脈沖，以檢測運動員的頭部創(chuàng)傷。

Nelson Sepúlveda坐在斯巴達體育場（Spartan Stadium）的看臺上，看著他的家鄉(xiāng)密歇根州球員與來自密歇根大學(xué)（University of Michigan）的跨州足球?qū)κ诌M行對決，這時他有了一個科學(xué)頓悟。

也許他多年來一直致力于研究的納米技術(shù)——被稱為鐵電納米發(fā)電機的薄如紙設(shè)備——可以將機械能轉(zhuǎn)換為電能，可以幫助這些運動員免受創(chuàng)傷性腦損傷的蹂躪。

Sepúlveda是密歇根州立大學(xué)的一名電氣工程師，他用自己的微型能量收集平臺制造了自供電揚聲器、靈活的麥克風和電子紡織品。現(xiàn)在他想把這項技術(shù)應(yīng)用到腦震蕩監(jiān)測的問題上。

“我認為這是迄今為止我們發(fā)現(xiàn)的這項技術(shù)的最佳應(yīng)用，”他說。

現(xiàn)有的腦震蕩安全協(xié)議規(guī)定，參與場內(nèi)碰撞的球員必須在重返賽場前接受頭部創(chuàng)傷癥狀的醫(yī)學(xué)評估，但該系統(tǒng)很容易操作，它忽略了許多可能對大腦造成長期影響的潛意識打擊。

裝有傳感器的頭盔和護目鏡可以收集加速度測量數(shù)據(jù)，以便更定量地測量頭部的沖擊力。因此，這些嵌入式傳感器并不總是能夠提供頭骨內(nèi)部發(fā)生的事情的準確圖像，即使有人真的敲響了警鐘。

Sepúlveda說：“你最終會得到很多錯誤的讀數(shù)。” 他認為，更好的選擇是將可穿戴的貼片直接貼在頸部周圍的皮膚上。Sepúlveda和他的學(xué)生們?yōu)榕鲎矞y試假人配備了四個壓電裝置，一個在喉嚨上，一個在頸背上，另一個在頸部兩側(cè)。他們在假人上進行了模擬揮鞭樣損傷實驗，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)可貼大小的貼片準確捕捉到了腦損傷的指標。

傳感器將施加在頸部的拉伸應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電壓脈沖。通過植入假人鼻孔內(nèi)的加速計測量，電輸出被證明能夠高度預(yù)測頭部深處的旋轉(zhuǎn)力。

Sepúlveda和他的同事在《科學(xué)報告》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。著眼于商業(yè)應(yīng)用，研究人員現(xiàn)在正在將其傳感器用于無線數(shù)據(jù)傳輸。他們還將這些設(shè)備封裝在保護材料中，保護技術(shù)免受汗水和其他污垢的影響。隨后應(yīng)在人體運動員身上進行試驗。

Sepúlveda指出，與國家足球聯(lián)盟和其他體育協(xié)會開始采用的各種智能頭盔和護齒技術(shù)相比，他的頸部傳感器系統(tǒng)有幾個潛在的好處。

由于Sepúlveda的設(shè)備是自供電的，因此沒有電池可以更換或充電。相比之下，一些智能保護設(shè)備在每場比賽后都需要充電。他的貼片制造成本低廉，這應(yīng)該是一種更具成本競爭力的產(chǎn)品。（Sepúlveda預(yù)計零售價將遠低于其他傳感器支持的可穿戴設(shè)備的99美元以上。）這種貼片也應(yīng)該適用于高沖擊運動，因為這些運動通常不戴防護頭套等。因此，該技術(shù)可能有助于將實時腦震蕩檢測擴展到足球、啦啦隊和任何其他活動。

然而，Sepúlveda承認他的設(shè)計有一個局限性。這種貼片不能捕捉到直接壓迫頸部而不扭曲頸部的頭對頭損傷，比如橄欖球比賽中的擦傷或?qū)Ψ竭吘€隊員之間的碰撞。

盡管如此，并不是每個腦震蕩研究人員都相信可穿戴頸部傳感器是最佳的發(fā)展道路。

“我同意他們的結(jié)論，即測量頭盔中的加速度本身就有噪音，而且容易出錯。然而，我認為他們的頸部傳感器做得并沒有更好，”XOnano Smartfoam公司總裁兼首席工程師Jake Merrell說，XOnano Smartfoam是一家為智能頭盔開發(fā)壓電襯墊的公司?！爱斈銓y量與影響位置分開時，正如他們所做的那樣，你會引入很多潛在的錯誤。”

這就是為什么Barclay Morrison在哥倫比亞大學(xué)（Columbia University）研究腦損傷的生物力學(xué)，他仍然喜歡使用高科技護齒器來收集有關(guān)碰撞速度、方向、力、位置和嚴重程度的信息。

“因為上下頜骨與頭骨是同一塊骨頭，”他說，“數(shù)據(jù)更準確地展示出頭骨加速度?！?/p>

然而，Sepúlveda和他的團隊對這個想法進行了測試，發(fā)現(xiàn)它聽起來很空洞。在未公開的實驗中，他們試圖將納米發(fā)電機放在假人的嘴里，以及鼻子上。根據(jù)Sepúlveda的說法，沒有其他貼片的位置像頸部那樣精確。

一個被稱為共識頭部加速度測量實踐（Consensus Head Acceleration Measurement Practices，CHAMP）小組的專家聯(lián)盟目前正在開發(fā)最佳實踐，以幫助碰撞傳感器系統(tǒng)的開發(fā)人員收集、報告和分析運動中的頭部加速度數(shù)據(jù)。Andrew McIntosh是澳大利亞撞擊損傷生物力學(xué)專家，也是該組織的成員。

在他看來，“壓電式傳感器在測量運動和向人們提供反饋方面有很大的應(yīng)用范圍?！钡Ａ袅藢SU系統(tǒng)的判斷，直到人類受試者的數(shù)據(jù)可用為止。

“這是在一個非常早期的階段，”他說。

McIntosh看到了這項技術(shù)的潛力，盡管它包括對運動損傷的診斷和預(yù)防，而不僅僅是對頭部的損傷。例如，考慮膝蓋韌帶損傷。許多運動員因膝關(guān)節(jié)重復(fù)性應(yīng)力而出現(xiàn)扭傷或撕裂，MSU貼片可以幫助這些人監(jiān)測過度使用勞損的早期跡象或損傷誘導(dǎo)形式的指標。

“所以，我不會認為它只是測量頭部運動學(xué)的一種替代方法，”McIntosh說，“我會將其視為運動訓(xùn)練和預(yù)防受傷期間許多實際情況的通用傳感器?！薄　?/p>