Helmentechnologie zum Schutz von Kindern vor Sportverletzungen Verwendung eines Stirnbandsensorsystems

In einem der aufregendsten Fußballspiele der Saison sprang Kelly an die Spitze des Balles und erzielte einen Treffer, wobei sie sich vorstellte, dass dies das Siegtor sein würde. Aus dem Nichts sprang der Torwart und traf Kellys Kopf mit beiden Fäusten. Kelly spürte den Ruck und landete hart auf dem Gras. Vor allem war sie wütend, dass ihr die Gelegenheit zum Torschießen genommen worden war.

Neben Kelly schrie der Torwart und erregte die meiste Aufmerksamkeit von Spielern und Trainern wegen eines gebrochenen Fingers. Kelly wollte wieder auf das Feld. Ihre Teamkollegen und ihr Trainer fragten, ob es ihr gut gehe. Sie sagte ja und wurde von ihren Teamkollegen unterstützt. Als sie den Applaus von der Seitenlinie hörte, war sie überzeugt, dass sie es mit ihrem Team richtig machte.

Glücklicherweise für sie, bemerkte ihr Trainer, dass Kelly nicht in der Lage war, Bälle in der Luft zu verfolgen, als sie wieder auf dem Feld war; sie schien zu blinzeln und lächelte nicht wie üblich. Sie bat Kelly, sich für den Rest des Spiels hinzusetzen. Kelly entwickelte Kopfschmerzen und ihr Coach empfahl ihren Eltern, sie in die Notaufnahme zu bringen, um sie auf eine mögliche Gehirnerschütterung zu untersuchen.

Szenen wie diese wahre Geschichte, auch wenn Kellys Name geändert wurde, treten jeden Tag Tausende von Malen im ganzen Land auf. Angesichts der Tatsache, dass Fußball und Fußball in Schulen und Freizeitligen im ganzen Land in vollem Gange sind, ist es wichtig, die Aufmerksamkeit weiterhin auf das tatsächliche Risiko von Gehirnerschütterungen zu lenken und nach Lösungen zu suchen.

Erschütterungen im Fußball haben viel Aufmerksamkeit erregt, aber der Fußball von Männern und Frauen macht mindestens 19 Prozent der Verletzungen durch erschütternde Sportarten aus. Während diejenigen von uns, die Gehirnerschütterungen studieren, wissen, dass sie verbreitet sind, wissen wir auch, dass sie schwer zu beurteilen sind.

Wenn ein Athlet nach einem „Treffer“ oder einer Kollision mit einem anderen Athleten Schwierigkeiten beim Aufstehen, Gehen oder Sprechen hat, ist es einfacher, eine Gehirnerschütterung zu vermuten. Oftmals tritt jedoch ein solches Sofortsymptom nicht auf. Eine aktuelle Studie ergab, dass mehr als eine halbe Million Gehirnerschütterungen bei Jugendlichen nicht gemeldet werden. Zu oft wird der Athlet gebeten, Sekunden nach einer traumatischen Hirnverletzung eine Selbsteinschätzung vorzunehmen.

Leider sind die äußeren Anzeichen einer Gehirnerschütterung in den meisten Fällen subtil und leicht zu übersehen. Wenn es nur wenige Meter vom Ball entfernt auftritt, kann es unbemerkt bleiben. Die NFL und jetzt die größeren College-Fußballkonferenzen umfassen Spotter und einen Arzt, dessen Hauptaufgabe es ist, auf die Sicherheit des Spielers zu achten.

Damit bleiben jedoch rund 98 Prozent der Spieler in Gymnasien, Mittelschulen und allen Jugendligen ohne den Nutzen dieser Sicherheitsmaßnahmen. Zwischen 1,1 Millionen und 1,9 Millionen Gehirnerschütterungen treten jedes Jahr bei Kindern auf. Das ist weitaus mehr als die Zahl der von den Notaufnahmen gemeldeten Kinder mit Gehirnerschütterungen; ihre Aufzeichnungen zeigen die Zahlenbereiche zwischen 115.000 und 167.000 an.

Angesichts des Wunsches der Spieler, sich zu messen und ihre Teamkollegen nicht zu enttäuschen, sowie des mangelnden Bewusstseins für die frühen Symptome einer Gehirnerschütterung und der Bedeutung der Vermeidung einer zweiten Verletzung, kehren viele Athleten nach einer Gehirnerschütterung zum Spiel zurück.

Schwellungen nach einer Gehirnerschütterung reduzieren die Fähigkeit des Gehirns, einen zweiten Stoß zu absorbieren. Darüber hinaus führt eine Gehirnerschütterung oft zu einer Beeinträchtigung des peripheren Sehvermögens und der Koordination, was die Wahrscheinlichkeit eines zweiten Schlages erhöht.

Die Person, die zur Selbstdiagnose erschüttert wurde, zu fragen, macht wenig Sinn. Als Messexperten haben wir versucht, eine Lösung für nicht gemeldete Erschütterungen zu finden.

Nachdem wir Kinder hatten, die an Jugend-, High-School- und College-Sportarten teilnahmen, erkannten wir die Notwendigkeit einer einfachen Vorrichtung, die erkennen konnte, ob ein Spieler einen Schlag auf den Kopf erlebt hatte. Im Gegensatz zu den meisten Eltern haben wir gemeinsam über 50 Jahre Erfahrung in der experimentellen Messwissenschaft.

Wir versuchten, das Ausmaß und die Lage der Kopfauswirkungen zu ermitteln, um Informationen für Eltern, Trainer und Gesundheitsdienstleister bereitzustellen, um festzustellen, ob eine Gehirnerschütterung stattgefunden hat.

Wir haben uns vorgenommen, ein Gerät zu entwickeln, das als Erweiterung der klinischen Bewertung verwendet werden kann, indem es die Position und Größe eines Kopfaufpralls zeigt. Da die Impact Sensing außerhalb unseres unmittelbaren Kompetenzfeldes liegt, das ultraschnellen Lasern und einzelnen Molekülschichten umfasst, haben wir uns mit den Fußball- und Fußballtrainern und -spielern der Michigan State University zusammengetan, um unsere ersten Prototypen zu bewerten. Bei jedem Treffen und jeder Probe haben wir gelernt, was am besten funktioniert und was einfach nicht.

Wir dachten zunächst an den Einsatz von Beschleunigungssensoren ähnlich denen auf Smartphones, die abrupte Richtungsänderungen wahrnehmen können, aber unsere Erfahrung mit manchmal heiklen High-Tech-Gadgets und ständig aktualisierten Betriebssystemen zwang uns, eine zuverlässigere Plattform zu suchen.

Wir konzentrierten uns auf die Verwendung eines Aufzeichnungsmediums, das auf lokalisierten Druck reagieren würde. Wir entwickelten dann ein Sensordesign, das kalibriert werden konnte, so dass die Messungen genau widerspiegeln, wie stark ein Kopfaufprall ist. Schließlich testeten wir mehrere Stirnbänder und Schädelkappen, um ein Design zu entwickeln, das bequem zu tragen ist.

Die Hilfe von Michigan State Head Athletic Trainer Dr. Sally Nogle und dem Neurologen Dr. David Kaufman war von entscheidender Bedeutung, um die Essenz der Probleme auf diesem Gebiet zu erfassen.

Eines der größten Probleme bei der Sicherheit der Spieler ist, dass es schwierig ist, den Überblick über alle Spieler zu behalten. Daher ist es wichtig, einen schnellen Vor-Ort-Sensor zu haben, der die Größe und Position eines Kopfaufpralls erfasst. Nogle und Kaufman betonten, dass nur ein ausgebildeter Fachmann eine Gehirnerschütterung diagnostizieren kann. Aber die Kenntnis der Lage und Schwere der Auswirkungen kann ihnen helfen, festzustellen, ob ein Spieler davon abgehalten werden sollte, vor einem Gehirnerschütterungsprotokoll auf das Feld zurückzukehren.

Der Prozess dauerte 18 Monate, 200 ausgefallene Prototypen und mehrere gebrochene Beschleunigungssensoren, die zur Kalibrierung der Stärke der Auswirkungen verwendet werden. Letztendlich kamen wir zu einem Stirnband oder einer Kappe, die vier Sensorstreifen enthält, die von mehreren Fußball- und Herren- und Damenspielern in der Saison Frühjahr 2016 verwendet wurden. Die Sensorstreifen verfügen über jeweils vier bis sechs leicht lesbare Sensoren.

Unsere Sensoren messen die Kraft, die nach dem zweiten Newtonschen Gesetz der Massenbeschleunigung entspricht. Im Gegensatz zu bewegungsempfindlichen Beschleunigungssensoren berücksichtigen unsere Sensoren daher die Masse und sind kraftschlüssig. In der Praxis bedeutet dies, dass unsere Sensoren viel weniger wahrscheinlich falsche Stöße anzeigen.

Beim Aufprall zeigen die Sensoren ein intuitiv verständliches Bild: kein Bild für einen schwachen Aufprall, einen Kreis für einen mittleren Aufprall oder einen Kreis mit einem Stern im Inneren für einen starken Aufprall. Diese Sensoren haben keine elektronischen Komponenten, so dass es nicht notwendig ist, sie mit einem Telefon oder Computer zu verbinden.

Wir können noch nicht die gesamte Technologie der zum Patent angemeldeten Sensorstreifen offenlegen, die wir über ein von uns gegründetes Unternehmen weiterentwickeln und verkaufen wollen. Die Kalibrierung der Sensorstreifen erfolgt mit einem Testsystem, das entwickelt wurde, um die tatsächliche Größe, Form und das Gewicht eines menschlichen Kopfes zu simulieren, der an einem flexiblen Hals befestigt ist.

Darüber hinaus sind die elektronischen Beschleunigungssensoren, die Stöße aufnehmen können, fünf- bis zehnmal größer als die, die mit einer Erschütterung verbunden sind, und werden zur Kalibrierung der Konstruktionsparameter der Sensorstreifen verwendet.

Wir möchten, dass ihre erschwinglichen Sensoren den Jugendsport sicherer machen und das Risiko wiederholter Verletzungen durch Erschütterungen minimieren. Sie möchten wissen, dass es beim nächsten Mal, wenn ein Fußballspieler aufstehen und auf das Spielfeld zurückkehren möchte, eine Möglichkeit geben wird, Trainer, Trainer und/oder Eltern über die Lage und Schwere eines Kopfaufpralls zu informieren. Diese Informationen können helfen, eine besser fundierte Entscheidung über die Möglichkeit einer Gehirnerschütterung zu treffen. Die Hoffnung ist, Informationen in die Hände von Profis zu legen, damit schwerwiegendere traumatische Hirnverletzungen vermieden werden können.

Gary Blanchard, Professor für Chemie, Michigan State University und Marcos Dantus, Professor für Chemie, Michigan State University.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Den Originalartikel lesen.

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