即時監測美式足球員受到的衝擊力

■運動員在場上奮戰,免不了身體衝撞,如果在受傷當下直接蒐集撞擊力道的數據,是否能讓醫療人員有更多資訊給予協助呢?

BYU smartfoam in football helmets and pads. Credit: BYU Photo

撰文|方程毅

美式足球以激烈的身體衝撞著稱,比賽中頭部受到的撞擊常常造成運動員的腦部傷害。2015年威爾史密斯主演的電影《震盪效應》便是探討美式足球員罹患慢性創傷性腦病(CTE)的議題。近來更有許多研究指出美式足球員會在退休後呈現一定程度的腦傷症狀,讓受到各界壓力的美國職業美式足球聯盟NFL也不得不面對這項議題。現行的比賽規則中,當球場上的球員一受到頭部撞擊,便要強制離場進行腦震盪測試,就算球員認為自己沒事也要強制離場,只有在場邊醫療人員准許後才能回到場上。但即便如此,球界還是缺乏足夠關於腦部撞擊的數據進行分析,最近美國楊百翰大學(Brigham Young University)研發出一種可以放入頭盔的感測器(Sensor),測量球員在場上及訓練時頭部受到撞擊的力道。

現有的科技並非完全無法得知頭部受到撞擊的力道。Riddell HITS(Head Impact Telemetry System,頭部碰撞搖趕勘測系統)利用頭盔內的6個加速規(accelerometer)測量並計算頭部運動時的數據,這項科技也被應用在拳擊、冰球、馬術、滑雪甚至軍事用途,但要價不斐,在一個頭盔內放入裝置及其他控制系統的成本高達1200美金,而且適用的頭盔型號也不多。不僅如此,利用加速規產生的數據產生的誤差很大,對於數據判讀及分析非常不利。

為了找尋成本更低的方式,美國楊百翰大學的研究人員Jake Merrell研發出一種含有奈米粒子複合材料的軟墊,取代頭盔內原有的軟墊,且具備感測功能,測量頭盔受到撞擊時產生的電訊號,這些電訊號可以提供衝擊能量、速度及加速度等數據。這項研究發表於 Annals of Biomedical Engineering 期刊。

他們研發出的軟墊內含有鎳(Ni)奈米粒子,當泡棉因為頭盔撞擊受到壓縮時,鎳粒子會跟軟墊摩擦起電,產生電荷,收集這些電荷便可以進行分析。通常來說,受到較大的衝擊力時會測量到較大的電壓脈波,而電壓脈波的大小約略和撞擊能量成正比,其檢測準確度高達90%。

有了這樣的偵測器除了保護運動員以外,也能收集比賽或訓練資料進行分析並擬定比賽策略,讓訓練更科學化。

這樣的裝置不僅能放在頭盔中,也能應用於其他運動。論文作者Merrell及 Xenith已經跟一間生產跆拳道護具的公司合作,使用他們研發的軟墊。

 

原始論文:A. Jake Merrell, William F. Christensen, Matthew K. Seeley, Anton E. Bowden, David T. Fullwood. Nano-Composite Foam Sensor System in Football HelmetsAnnals of Biomedical Engineering, 2017; DOI: 10.1007/s10439-017-1910-9

參考資料:BYU-developed helmet smartfoam signals potential concussions in real time

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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