防护牙托、磁体头盔、智能头盔:对橄榄球场上的创伤性脑损伤说不

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编者按蒂欣·唐科斯利(Tishin Donkersley)是 AZ Tech Beat 网站的首席主编。

在美国各地美丽的绿茵场上,职业的和校队的美式橄榄球运动员们每个星期都面临着头盔相撞带来的高达 100G 力的突然减速。这会产生怎样的后果?脑震荡,有时还会导致永久性的脑损伤。

球员们发生脑震荡后还继续比赛引发了关于球员安全以及比赛场边诊断手段匮乏的全国性大讨论。NFL(美国职业橄榄球联盟)一直都是被批评最多的对象。一群前职业球员提出了 集体诉讼 ,指控该组织隐瞒脑震荡对长期健康影响的事实,没能保护好球员健康;就在笔者行文之时,他们正等待着法官对一笔 7.65 亿美元处理方案的判决。

大学院校也因为他们值得怀疑的判断被摆在了媒体的聚光灯下。今年 9 月,密西根大学橄榄球教练布拉迪·霍克(Brady Hoke)在球队的四分卫发生脑震荡后继续让他比赛。悲剧发生在俄亥俄州立大学橄榄球运动员 科斯塔·卡拉乔治(KostaKarageorge)身上,这位有着体育相关脑震荡史的防守前锋上个月被发现死在了自己枪下。开枪自杀之前,卡拉乔治发短信给他的妈妈提到了他的脑震荡史,并表示“对不起,我让你蒙羞了。”这场悲剧仍在调查之中, 俄亥俄州的一位验尸官 下令对他的大脑进行检查,寻找创伤性脑损伤的迹象。

研究表明,橄榄球运动中 60%的撞击是头部相撞,其中 37%作用在头的前部,36%作用在头的后部,其余由于旋转力作用在头的侧面。职业球员一个赛季要经历 900 到 1500 次的头部撞击。

脑震荡产生的原因为头部过度屈伸扭伤或者受到撞击,导致我们通常漂浮在液体保护中的三磅重的大脑猛烈地撞向颅骨。在运动场上,许多脑震荡发生时作用力达到 100G——两名以 20 码速度奔跑的运动员相撞,一切动作都在极短的时间内(10 到 15 毫秒)停止,除了大脑——大脑继续向前运动,承受了这一作用力。

据医学专家介绍,头盔的设计目的在于降低严重的创伤性脑部和颅骨受伤的风险。尽管头盔也许能降低一些脑震荡的风险,但头盔无法完全防止脑震荡的发生。事实上,即便戴了头盔,球员仍有可能因为较低程度的撞击导致脑部受伤。

幸运的是,传感器、磁体这样的技术正在融入新型个人装备的设计中,检测、分散、置换并吸收撞击力量,并进一步降低激烈体育运动中脑损伤的风险。

防护牙托

防护牙托究竟从何而来不得而知,不过 19 世纪 90 年代拳击运动催生了防护牙托的早期设计,当时专门用来保护运动员的牙齿。棉花、胶带或者小木头片都曾被用来保护拳击手的洁白牙齿。从那以后,运动员嘴里嚼着的护齿玩具已经进化成为橡胶的“咬合式”(Boil and Bite)防护牙托,运用于超过 29 项体育项目中,保护牙齿并预防脑震荡的产生。

现代的防护牙托也许能够降低脑震荡的风险,而且技术上也变得越来越先进。最近的一些设计中加入了加速度计,陀螺仪和内置传感器,能够收集赛场上发生撞击时的作用力数据,并立即提醒教练和医生注意运动员是否受伤。

Force Impact Technologies 公司的联合创始人安东尼·冈萨雷斯(Anthony Gonzales)是一位前橄榄球运动员,他曾在一次多人撞击中发生了脑震荡。他和另一位联合创始人鲍勃·梅利曼(Bob Merriman)一同设计了 FITGuard——一款针对青少年运动员的头部受伤感知防护牙托。

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在撞击中,FITGuard 会测量并通过防护牙托前端的 LED 灯形象地显示撞击力度大小。根据预先设置的阈值,灯光会根据力度大小改变颜色,表明脑震荡发生的可能性。关于撞击的实时告警和实时数据——线性加速度、角加速度以及撞击持续的时间——都会无线传送到场边教练团队的应用中。该公司还将运动员的撞击数据发送到中央数据库中,用户或教练可以下载研究。

Force Impact Technologies 最近在 TechCrunchDisrupt 大会上展示了 FITGuard,计划 2015 年春天发售。

i1-biometric-mouthguardi1 Biometrics 公司正在开发 Vector 防护牙托,它能够测量颅内冲击数据并将信息实时发送到移动设备上。

虽说这款防护牙托不会亮起,但它突起的部分是一块能够测量可能导致脑损伤的头部线性加速度、角加速度突然变化的电路板,目前该公司正与路易斯安那州立大学合作展开橄榄球方面的研究和工程工作,对这款产品进行 beta 测试。

智能头盔

橄榄球运动中,最重要也是最显而易见的保护设备就是头盔了,我们已经见证了头盔的不断进化,从传统的软皮材质头盔到带面罩的聚碳酸酯头盔,再到可以与移动设备对话的头盔。

今年早些时候,Riddel 公司推出了 INSITE,一块搭载了一块五区域感应垫的头盔,能够测量线性加速度、角加速度以及撞击的位置和持续时间。撞击发生时,这个头盔就会自动通过无线给场边团队发送通知,告诉他们球员发生了撞击。

一些高科技解决方案正在帮助教练鉴别球员是否受伤的同时,另一群人正在研究如何降低受伤的严重程度。

磁体头盔

如果你把两块磁体的负极对在一起,你就会感受到一股排斥力。弗吉尼亚联邦大学医学院教授 雷蒙德·科雷洛(RaymondColello)博士发明了一种现有头盔的替代改进方案,利用磁体的自然之力抵消撞击能量,从而达到保护头部的效果。

科雷洛在观看丹佛野马队的比赛时想到了这个点子,当时外接员韦斯·威尔克(Wes Welker)遭遇了第二次脑震荡,无法继续比赛。比赛结束后,科雷洛走到厨房拿了一瓶啤酒,看到冰箱门上的磁铁时灵光一闪:“要是磁体之间的互斥力能够在冲击发生前紧急制动会有怎样的效果?”

科雷洛刷了 1000 美元信用卡,购买了市售最强大的磁体之一。这块磁体由稀有金属钕制成,可以推起 600 磅的重量,并能斥开 1.5 英寸之外 130 磅的力——科雷洛发现这些属性用在头盔撞击这样的短距离案例中再完美不过了。科雷洛解释道,这些磁体有机会将 G 力降低将近一半,最终减少运动场上的撞击力量。

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科雷洛设计出了纤薄的弧形磁体,可以改装并安置在头盔聚碳酸酯外壳内受冲击最大的区域,也就是前部和侧面。“我们正在设计这些磁体,让它们不显得突兀——可以进行改装,并达到最好的效果。”他解释道。

科雷洛表示,这些磁体每个重三分之一磅到半磅,预计每个头盔里安装一个到三个磁体,改造将会在常规头盔和智能头盔的规定范围内进行,如有必要会留下一些调整余地。

然而这是一笔不做到底就没有意义的买卖。场上的所有球员都需要戴上磁体头盔,才能享受磁体互斥效应带来的好处。

尽管个人体育装备的发展趋势仍然在于科技和实时数据,科雷洛表示防止或者减少脑震荡是一个持续性的挑战,建立基准更是难上加难。

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“球员越来越高大强壮,冲击力也越来越大。无论装备和设计怎样改进,防止运动场上的脑震荡是一个难解之题;脑震荡的数量还会继续增加,”他这样说道。

医生也倾向于同意他的观点。亚利桑那州凤凰城 班纳脑震荡中心(BannerConcussion Center)医疗主任、美国内科医师协会会员、史蒂芬·M·埃里克森(Steven M. Erickson)医学博士解释道:“永远都不会出现一种将每一次达到特定标准的撞击视作脑震荡的万能技术。每个人大脑的承受门槛都有所不同。问题在于导致脑震荡的不是力的大小,而是力的质量。”

测试与数据

科雷洛的头盔磁体正在前往弗吉尼亚理工大学实验室,其最终目标在于“利用带有我们磁体技术的智能头盔系统,在比赛过程中抓取 [来自球员的] 实时数据”。

尽管球员数据在测量撞击力度方面很有作用,嵌入式技术可能会在无意之中给人一种安全的错觉,带来的问题比好处更多,埃里克森解释道。“头盔无法防止脑震荡,只会给大脑造成更严重的损伤。”

对于青少年体育运动,埃里克森鼓励运动员参加基准测试,最重要的是给运动员进行脑震荡症状的教育,让他们加强力量锻炼,接受教练“抬头”(heads up)拦截技术的规范指导。

“颈部力量以及接受规范拦截技术的指导对于防止脑震荡来说非常重要,用你的身体而不是头部作为武器,最终减少头部受到冲击的次数。”埃里克森声称。

每次发生脑震荡后,球员再发生第二次脑震荡的几率翻倍,再发生第三次脑震荡的几率为六倍,科雷洛解释道。

这些高科技产品无法阻止脑震荡的发生,不过它们是整体解决方案的一部分,都是为了从各个层面上减少脑震荡球员的人数,在他们给自己造成第二次脑震荡甚至是永久性损伤之前让他们下场治疗。

题图来自:SACURA/SHUTTERSTOCK

翻译:顾秋实

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