Об устройствах для обнаружения сотрясений у спортсменов

Сотрясения не самая новая, но популярная тема в спортивных кругах. ФИФА на соккерном клубном чемпионате мира вводит дополнительную замену при подозрении на сотрясение, в блоге Василия Артемьева, обсуждая капы и защиту в регби, не забыли о сотрясениях, а в блоге Недоэкспертное мнение Артём Рыженко писал про перелом черепа Рауля Хименеса из Вулверхэмптона. Там он кратко рассказал о протоколах, применяемых врачами на поле при осмотре игроков.

Мне же стало интересно, как современные технологии помогают медикам в выявлении сотрясений в сложных ситуациях, когда игрок не теряет сознание, когда симптомы проявляются не сразу, или же игрок умышленно дезинформирует врача. Собрал немного материала на эту тему, может кому тоже интересно.

Сотрясение и как его измерить

На ютубе есть неплохое видео Дэвида Камарильо из Стэнфорда с конференции TED Talk, где он объясняет про движение мозга в черепной коробке, про современное понимание природы сотрясения, чем боковое смещение опаснее фронтального и, собственно, как и на ком он измеряет.

В общем случае, при ударе череп начинает движение с неким ускорением, а мозг в силу инерции немного отстает. Наиболее распространенные иллюстрации указывают внешнюю поверхность мозга, как наиболее уязвимую. Красные участки заставляют нас думать, что именно в местах столкновения мозга с черепом происходят наибольшие разрушения. На самом деле свободного пространства в черепной коробке не так уж и много, а мозг не скачет там как мячик. Поэтому современные исследователи склоняются к тому, что причины сотрясений — сильные деформации именно во внутренних тканях головного мозга. Об этом есть в выступлении Камарильо.

Измерить непосредственно реакцию мозга живого человека на столкновение, очевидно, невозможно, а эксперименты на человеческих трупах не дают обратной связи. Поэтому используют косвенную оценку через измерение ускорения (линейного и углового) головы, используя акселерометры и гироскопы. Значительный вклад в развитие этой темы внесли производители автомобилей и военные, создав ряд критериев на основе не только полученных ускорений, но и дополнительных параметров (длительность столкновения, место удара и т.п.). В спортивной науке, например, применяют критерий травмы головы (Head Injury Criterion, HIC), также используемый при составлении рейтинга безопасности автомобилей или в стандарте НАТО по минно-взрывному воздействию.

Чем измеряют

Чтобы измерить ускорение, нужно где-то установить датчик. Логично для видов спорта с защитной экипировкой попробовать расположить датчик внутри шлема. Возможно, наиболее часто используемый вариант — это Head impact telemetry system (HITS), совместное творчество производителя экипировки для американского футбола Riddell и компании Simbex. При расчете профиля возможного сотрясения здесь учитываются не только ускорения и их длительность, но и место приложения удара. Выглядит это как комплект из 6 одноосевых акселерометров в накладках внутри шлема, приёмник у тренера в руках на бровке и ноутбук, на котором происходит анализ данных с красивыми картинками. Главная претензия к таким шлемам – ошибки в измерениях вследствие недостаточно плотной фиксации шлема на голове.

Шесть лет назад свою шапку со встроенными датчиками (трехосевой акселерометр + гироскоп) презентовали в Рибок. Устройство Reebok Checklight даже получило награду на каком-то конкурсе потребительской электроники в фитнесе и спорте, но в продаже в настоящее время нигде не ищется. Умельцы из Adafruit когда-то разобрали его и посмотрели на внутренности. Любители электроники могут увидеть это тут. Эта шапка не строит графики, но имеет три светодиода на затылке и показывает степень опасности столкновения красной лампочкой. Лимит срабатывания жестко вшит производителем. Ребята из Рибок предлагали надевать её под боксерский, хоккейный и футбольный шлем.

Те же 5 лет назад с устройством X-Patch от X2 Biosystems, закрепленном за ухом, засветились игроки Сарацинов. Компания живет, датчики продаются, но как у большинства производителей подобных устройств сайт убог и мало информативен – вся или почти вся информация только по запросу.

Четвертое, моё любимое чудо техники – капа со встроенным акселерометром и/или гироскопом. Создатели утверждают, что такое устройство лишено недостатков аналогов из-за плотного контакта к челюсти, не дает люфта относительно движения головы, а датчики слюны позволяют отключать питание при выскакивания капы изо рта, что отсекает аномальные значения. По поисковому запросу smart mouthguard нам выпадает россыпь вариантов от различных производителей кап, которые внедряют электронику в свои устройства. Есть даже примеры со встроенными в капу светодиодами: игрок после столкновения подбегает к тренеру, открывает рот, а тот по цвету лампочки определяет есть сотрясение или нет. Промовидео капы можно посмотреть здесь.

На картинке ниже показана капа из Стэнфордской лаборатории CamLab Дэвида Камарильо.

Больше примеров устройств с обширным списком источников приведено в обзорной статье Head-Impact–Measurement Devices: A Systematic Review.

Как дела с этим в России

На сайте канала 360 нашлась новость от 2016 года о тестировании датчиков в матче амфута Патриоты – Спартанцы. Создатели устройства участвовали в акселераторе ВШЭ в 2015, а с 11 марта 2020 на сайте агентства инновации города Москвы висит реклама этого устройств. Посмотреть презентацию можно по ссылке. Видимо, за эти 5 лет какие-то работы велись, но до чего дошли не очень понятно. Ради интереса помимо серфинга в поисковиках я порылся в электронных библиотеках типа киберленинки и e-library. Ничего особо примечательного касаемо исследований в этом направлении я не нашел. Забавно, что наиболее часто попадавшаяся мне русскоязычная статья была написана членом российской ассоциации парков и производителей аттракционов. Видимо, их этот вопрос волнует сильнее.

Сотрясения в цифрах

Как бы не хотелось иметь одну единственную величину, порог, превышение которого указывал бы на полученное сотрясение, все применяемые критерии – величины вероятностные. Причем влияет не только место удара, но и физиологические особенности конкретного спортсмена. На PubMed или Researchgate можно найти ряд публикаций с красивыми цифрами, графиками и статистикой. Со статистикой и чтением графиков у меня не очень, поэтому я укажу пару значений, приведу пару картинок и дам ссылку на источники.

Данные, полученные системой HITS после воспроизведения в лабораторных условиях столкновений из игр по американскому футболу, показывают, что, при пиковом ускорении около 100g, полученным после удара, вероятность получить сотрясение будет около 80% (источник).

В другой работе были измерены ускорения при зафиксированных медиками сотрясениях. Исследование учитывает данные из футбольных матчей за 5 лет. По этим данным видно, что сотрясения были получены при столкновениях с перегрузкой где-то между 50g и 100g (источник).

Третья картинка иллюстрирует распределение количества столкновений по позициям для двух пороговых значений ускорения (источник). Квотербекам и ранинбекам хорошо прилетает, но наверно, это не новость.

Вывод

Готовых устройств, способных однозначно указывать на случившееся сотрясение пока нет. Все что есть на сегодняшний день, применяется для исследования человеческого мозга, а игроки используются в качестве подопытных. Ведь, где же ещё можно найти толпу людей готовых добровольно биться головой?