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用于估计与脑震荡相关的人体头部运动学的柔性自供电传感器

时间:2022-07-12 02:46:00 来源:aoa体育APP下载  作者:aoa体育平台下载 点击:2次

  根据一项新的研究,最近制造的一种佩戴在脖子后面的传感器贴片可以帮助预测在柔道或美式足球等艰苦运动中发生脑震荡的风险。这项研究发表在《科学报告》中。它指出,紧凑而灵活的设备可以识别测试假人中突然的颈部拉伤,如鞭打。

  柔性自供电的传感器贴片的开发,该贴片可用于估计角加速度和角速度,这是预测脑震荡的两个重要标志。

  在接触性运动中,碰撞和非碰撞事故会造成颈部高速运动,导致脑震荡。已经有一些仪器可以帮助预测脑震荡——例如,基于加速度计的传感器可以识别运动员头盔中的运动。然而,这些设备很重,并且在头上的头盔移动时会产生错误的读数。

  头部撞击遥测 (HIT) 系统是目前用于测量和记录体内头部撞击暴露的技术。该系统由物理连接到头盔的加速度计阵列组成,当任何加速度计测量到超过某个阈值的加速度时,就会触发数据收集。该技术于 2003 年首次实施,并且目前正用于市售头盔。这种方法的主要限制是它依赖于头盔上的传感器——它们不直接与运动员的头部接触。正如生物力学专家所指出的那样,头盔和头部之间可能发生的滑动使得难以预测大脑如何在颅骨内移动。X-Patch 提出了解决此滑动问题的方法,它有两个版本:一个用作耳后的皮肤贴片,另一个用作护齿器。 这两个系统都由加速度计组成,这些加速度计跟踪撞击的旋转速度。然而,基于 MEMS 的加速度计内部的微机械结构的共振在头部运动频率范围内。已发现这在测量峰值角加速度时会导致大的误差。

  在这项工作中,作者提出了一种替代设备,可以克服这些障碍,并且可以更准确地估计头部运动学。该装置由一个铁驻极体纳米发电机 (FENG) 组成,该发电机由一个柔性的薄聚丙烯 (PP) 压电驻极体薄膜形成,其厚度上具有微米级的“准偶极子”,并且在两个表面都有电极,如图 所示。FENG设备过去曾用于多种能量收集和自供电传感器应用。施加机械应力会重塑偶极子,在电极中产生电荷积累,从而导致电极之间的电势差形式的电输出,或电荷流过连接在这些电极之间的负载(即电压或当前)。这种现象通常被称为“准压电”,并且这些设备已被证明可用于各种应用,例如扬声器、麦克风、结构健康监测和能量收集。

  Nelson Sepúlveda 和他的同事使用热塑性材料薄膜层设计了一种新型贴片传感器,该薄膜层也称为铁电驻极体纳米发电机。当施加压力或物理接触时,该材料会产生电能。产生的电信号与颈部的物理压力成正比。此外,它还可用于计算颈部突然运动的速度和加速度,这是检测脑震荡的两个主要标志。

  研究人员将该设备应用于假人的颈部后部,该假人带有基于加速器的传感器和头部内部的陀螺仪。然后,他们将假人从 61 厘米的悬挂高度掉落以模拟鞭打,并发现传感器贴片输出与头部内部传感器的结果具有 90% 的强正相关。他们指出,各种贴片传感器设备的读数灵敏度平均差异不到 10%。

  a ) 假人固定在中心板上,然后自由落体。插图显示了 6DX 加速度计在假人头部内的位置,以及脖子上的贴片。( b ) 实施过程中贴片的设想位置,以及 ( c ) 可以使用开发的贴片表征的头部运动/运动学。

  研究人员推断,他们的设备可用于潜在地量化剧烈摇晃,并可进一步开发以帮助识别脑震荡。然而,需要对运动员和人类运动员进行更多测试。返回搜狐,查看更多