Research press release

スポーツ科学:首の歪みを測定する新しいウエアラブルセンサーで脳震盪の疑いを判定できるかもしれない

Scientific Reports

Sport science: New wearable sensor to measure neck strain may detect potential concussion

首の後ろに貼るセンサーパッチが新たに開発され、アメリカンフットボールや柔道といった衝撃度の高いスポーツにおける脳震盪のリスク予測に役立つ可能性が生まれた。この研究結果を報告する論文が、Scientific Reports に掲載される。この小型デバイスは、柔軟性があり、ダミー人形を使った実験で、突然の首の歪み(例えば、むち打ち症)を検知した。

コンタクトスポーツ(相手選手との身体接触を伴うスポーツ)における衝突事故と衝突以外の事故では、首が急激に動いて、脳震盪が起こる可能性がある。脳震盪の予測に役立つデバイスは、すでに存在しており、その一例が、選手のヘルメットの中に設置して、動きを検出する加速度計ベースのセンサーだ。しかし、このデバイスは、大きくて扱いにくく、装着者の頭上でヘルメットが動くと、誤った値が表示されることがある。

今回、Nelson Sepúlvedaたちの研究チームは、物理的な接触や圧力が加えられたときに電気エネルギーを発生する熱可塑性材料(フェロエレクトレットナノジェネレーター)のフィルム層を用いた新しいパッチセンサーを開発した。このデバイスにおいて生成される電気信号は、首の物理的歪みに比例し、首が突然動いた時の加速度と速度(脳震盪を予測するための2つの重要なマーカー)を推定するために使用できる。

次に、このセンサーパッチを検証する実験が行われ、頭部に加速度計ベースのセンサーとジャイロスコープを組み込んだダミー人形の首の後ろにセンサーパッチを貼った。そして、むち打ち症のシミュレーションとして、ダミー人形を61 cmの高さから落下させ、センサーパッチの出力が、頭部内に埋め込まれたセンサーの測定結果と強い正の相関(90%)を持つことが判明した。そして、このパッチセンサーデバイスの読み取り感度の個体差が平均10%未満だったと報告された。

このデバイスは、むち打ち症の測定に使用できる可能性があり、さらに開発研究を進めて、脳震盪の検出に役立つかもしれないとSepúlvedaたちは結論付けている。ただし、運動選手とスポーツ選手でさらなる検証を行うことが必要とされる。

A newly developed sensor patch worn on the back of the neck may be helpful in predicting the risk of concussion in high-impact sports such as American football or judo, according to new research. The study, published in Scientific Reports, reports that the small and flexible device is able to detect sudden neck strain, such as whiplash, in a test dummy.

Collisions and non-collision accidents in contact sports can cause high speed neck movements that may lead to concussion. There are already devices available to help predict concussion, such as accelerometer-based sensors that detect motion when placed in an athlete’s helmet. However, these devices are bulky and can give false readings when the helmet moves on the person’s head.

Nelson Sepúlveda and colleagues developed a novel patch sensor using a film layer of thermoplastic material (known as a ferroelectret nanogenerator) that produces electrical energy when physically touched or pressure is applied. The electrical signal produced is proportional to the physical strain on the neck and can be used to estimate the acceleration and velocity of sudden neck movement, two important markers for predicting concussion.

To test the sensor patch, the authors applied the device to the back of the neck of a dummy that had accelerator-based sensors and a gyroscope inside the head. The authors then dropped the dummy from a suspended height of 61cm to simulate whiplash, and found that the sensor patch output had a strong positive correlation of 90% with results from the sensors inside the head. The authors report that there was on average less than 10% variation in the sensitivity of readings across different patch sensor devices.

The authors conclude that their device can potentially be used to measure whiplash and could be developed further to help detect concussion. However, further testing in human athletes and sports players is required.

doi: 10.1038/s41598-022-12266-6

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