装有传感器的头盔和护目镜可定量地测量头部的冲击力

装有传感器的头盔和护目镜可定量地测量头部的冲击力

自供电传感器将颈部张力转换为电脉冲，以检测运动员的头部创伤。

Nelson Sepúlveda坐在斯巴达体育场（Spartan Stadium）的看台上，看着他的家乡密歇根州球员与来自密歇根大学（University of Michigan）的跨州足球对手进行对决，这时他有了一个科学顿悟。

也许他多年来一直致力于研究的纳米技术——被称为铁电纳米发电机的薄如纸设备——可以将机械能转换为电能，可以帮助这些运动员免受创伤性脑损伤的蹂躏。

Sepúlveda是密歇根州立大学的一名电气工程师，他用自己的微型能量收集平台制造了自供电扬声器、灵活的麦克风和电子纺织品。现在他想把这项技术应用到脑震荡监测的问题上。

“我认为这是迄今为止我们发现的这项技术的最佳应用，”他说。

现有的脑震荡安全协议规定，参与场内碰撞的球员必须在重返赛场前接受头部创伤症状的医学评估，但该系统很容易 *** 作，它忽略了许多可能对大脑造成长期影响的潜意识打击。

装有传感器的头盔和护目镜可以收集加速度测量数据，以便更定量地测量头部的冲击力。因此，这些嵌入式传感器并不总是能够提供头骨内部发生的事情的准确图像，即使有人真的敲响了警钟。

Sepúlveda说：“你最终会得到很多错误的读数。” 他认为，更好的选择是将可穿戴的贴片直接贴在颈部周围的皮肤上。Sepúlveda和他的学生们为碰撞测试假人配备了四个压电装置，一个在喉咙上，一个在颈背上，另一个在颈部两侧。他们在假人上进行了模拟挥鞭样损伤实验，发现创可贴大小的贴片准确捕捉到了脑损伤的指标。

传感器将施加在颈部的拉伸应变转换为电压脉冲。通过植入假人鼻孔内的加速计测量，电输出被证明能够高度预测头部深处的旋转力。

Sepúlveda和他的同事在《科学报告》杂志上发表了他们的发现。着眼于商业应用，研究人员现在正在将其传感器用于无线数据传输。他们还将这些设备封装在保护材料中，保护技术免受汗水和其他污垢的影响。随后应在人体运动员身上进行试验。

Sepúlveda指出，与国家足球联盟和其他体育协会开始采用的各种智能头盔和护齿技术相比，他的颈部传感器系统有几个潜在的好处。

由于Sepúlveda的设备是自供电的，因此没有电池可以更换或充电。相比之下，一些智能保护设备在每场比赛后都需要充电。他的贴片制造成本低廉，这应该是一种更具成本竞争力的产品。（Sepúlveda预计零售价将远低于其他传感器支持的可穿戴设备的99美元以上。）这种贴片也应该适用于高冲击运动，因为这些运动通常不戴防护头套等。因此，该技术可能有助于将实时脑震荡检测扩展到足球、啦啦队和任何其他活动。

然而，Sepúlveda承认他的设计有一个局限性。这种贴片不能捕捉到直接压迫颈部而不扭曲颈部的头对头损伤，比如橄榄球比赛中的擦伤或对方边线队员之间的碰撞。

尽管如此，并不是每个脑震荡研究人员都相信可穿戴颈部传感器是最佳的发展道路。

“我同意他们的结论，即测量头盔中的加速度本身就有噪音，而且容易出错。然而，我认为他们的颈部传感器做得并没有更好，”XOnano Smartfoam公司总裁兼首席工程师Jake Merrell说，XOnano Smartfoam是一家为智能头盔开发压电衬垫的公司。“当你将测量与影响位置分开时，正如他们所做的那样，你会引入很多潜在的错误。”

这就是为什么Barclay Morrison在哥伦比亚大学（Columbia University）研究脑损伤的生物力学，他仍然喜欢使用高科技护齿器来收集有关碰撞速度、方向、力、位置和严重程度的信息。

“因为上下颌骨与头骨是同一块骨头，”他说，“数据更准确地展示出头骨加速度。”

然而，Sepúlveda和他的团队对这个想法进行了测试，发现它听起来很空洞。在未公开的实验中，他们试图将纳米发电机放在假人的嘴里，以及鼻子上。根据Sepúlveda的说法，没有其他贴片的位置像颈部那样精确。

一个被称为共识头部加速度测量实践（Consensus Head AcceleraTIon Measurement PracTIces，CHAMP）小组的专家联盟目前正在开发最佳实践，以帮助碰撞传感器系统的开发人员收集、报告和分析运动中的头部加速度数据。Andrew McIntosh是澳大利亚撞击损伤生物力学专家，也是该组织的成员。

在他看来，“压电式传感器在测量运动和向人们提供反馈方面有很大的应用范围。”但他保留了对MSU系统的判断，直到人类受试者的数据可用为止。

“这是在一个非常早期的阶段，”他说。

McIntosh看到了这项技术的潜力，尽管它包括对运动损伤的诊断和预防，而不仅仅是对头部的损伤。例如，考虑膝盖韧带损伤。许多运动员因膝关节重复性应力而出现扭伤或撕裂，MSU贴片可以帮助这些人监测过度使用劳损的早期迹象或损伤诱导形式的指标。

“所以，我不会认为它只是测量头部运动学的一种替代方法，”McIntosh说，“我会将其视为运动训练和预防受伤期间许多实际情况的通用传感器。”　　

      审核编辑：彭静