NSF(National Science Foundation/全米科学財団/国立科学財団)は2024年02月05日に、それは映画やテレビで見たような電球の瞬間とはまったく異なっていたが、頭を打ったニック・チェッキ(Nick Cecchi)は啓示を受けたと報告した。

チェッキは「大学2年生のとき、水球の練習中にかなり深刻な脳震盪を起こしました」と語った。

カリフォルニア大学アーバイン校の教授であるジェームス・ヒックス博士(professor at UC Irvine, Dr. James Hicks)は、ウェアラブル衝撃センサーを使用した水球における頭部衝撃と脳震盪に関する世界初の研究を主導していた。
それで、チェッキは工学の学位を取得しようとしている水球選手で、最近脳に損傷を負ったので、彼に連絡を取り、すぐに研究に参加することにした。

現在、チェッキはスタンフォード大学(Stanford University)の大学院生で、デビッド・カマリロ博士(Dr. David Camarillo)の下で働いており、脳震盪の研究と、アスリートの被害数を減らし、長期的な影響を軽減するための解決策の開発に重点を置いている。

「脳震盪の症状(Concussion symptoms)は、通常、頭痛、吐き気、かすみ目、光に対する過敏症、ろれつが回らないこと、気分や行動の変化などです。 それに伴うさまざまな症状が起こる可能性があります」と彼は言う。

「これらの症状は、非常に軽い脳震盪の場合は数日程度続くこともあるが、最長で数か月続き、脳震盪後症候群として現れることもある。

ただし、脳震盪だけが問題ではない。

実際には、すぐには症状が現れない亜脳震盪性衝撃が存在するが、サッカー選手が生涯を通じて耐えるのと同じように、これらの繰り返される亜脳震盪性頭部衝撃による累積的負担は、後年の神経変性疾患(neurodegenerative diseases)に関連しています。CTE(Chronic Traumatic Encephalopathy/慢性外傷性脳症)です。」

チェッキの取り組みの1つは、21個の液体緩衝材が裏打ちされたサッカー ヘルメットである。 ヘルメットのモデルでのテストでは、ヘルメットが衝撃をどの程度吸収するかを評価するために使用されるヘッド加速応答測定基準に基づいて、既存の人気モデルと比較して、脳震盪および亜脳震盪衝撃の重症度(subconcussive impacts)を33%軽減できることが示された。

米国国立科学財団大学院研究フェローシップの受賞者であるチェッキは、自身の研究とその潜在的な影響についてNSFに語った。

液体緩衝材(liquid shock absorbers improve)はヘルメットの衝撃性能(impact performance of helmets)をどのように向上させるのでしょうか?

チェッキ: あらゆる種類の衝撃に対する保護を提供するショックアブソーバーを選択する必要がある。なぜなら、特にサッカーでは、ゆっくりとした小さな繰り返しの頭部衝撃があり、その後、重大な出来事。脳震盪以上を引き起こす大きな衝撃がいくつか起こる。

従来、ヘルメットにはフォームが使用されており、使用されるフォームは圧縮の程度に基づいて力を発揮する。
非常に特定の範囲の衝撃に合わせてフォームが調整されることになるからこれは理想的ではない。

したがって、フォームが非常に遅い衝撃に合わせて調整されている場合、フォームは圧縮されて最大値に達するのが早すぎて、底に落ちてしまう。 つまり、フォームはそれ以上仕事をすることができなくなり、速い衝撃が加わったときに衝撃力が急激に上昇することになる。

もしフォームが脳震盪のような非常に激しい衝撃に合わせて調整されていると、フォームが硬くなりすぎて、生涯にわたって蓄積され、より遅い、繰り返しの亜震盪衝撃に耐えられなくなる。チェッキたちが液体を選んだ理由は、さまざまな速度に適応するテクノロジーが必要だったからであった。

液体ショックアブソーバーはどのように機能するか?

チェッキ: 私たちが作った液体ショックアブソーバーは、車のサスペンション システムなどに使用されている油圧式ショックアブソーバーからインスピレーションを得た。 油圧ショックアブソーバーは、さまざまな速度で柔軟な応答を提供するように適応できる。ただし、ヘルメットには、車のサスペンション・システムにあるような大きくて硬い金属コンポーネントを使用することはできない。 したがって、私たちの設計は油圧衝撃吸収と同じ原理を使用しているが、すべて柔らかいコンポーネントで作られている。

外側には、中央のチャンバーに入っている液体を取り囲む高強度の布地が施されている。
衝撃が圧縮されると、流体がヘルメット内の衝撃を受けないと思われる部分に横方向に噴出する。そして衝撃が終わった後、その流体は中央の部屋に戻る。
もう1つ、粘弾性フォームのように、さまざまな速度に応答を適応させることができるフォームがいくつかあるということである。
ただし、そのパフォーマンスは温度の変化に非常に敏感である。
したがって、熱くなりすぎると、泡は非常に柔らかくなる。

冷たすぎると泡が硬くなり、本来の機能を発揮できなくなる。
いくつかの実験研究で観察したことは、水のように凍結したり、温度変化によって蒸発したりする流体を選択していない限り、液体衝撃吸収材を変更したときに非常に一貫した結果が得られた。したがって、さまざまな設定で、衝撃環境の温度は、その適応的な応答が得られ続けている。

ヘルメット衝撃シミュレーション
液体衝撃吸収材を備えたヘルメットのモデルに対するシミュレーション衝撃テストのスクリーンショット。
クレジット: Nicholas Cecchi、スタンフォード大学生物工学部
ヘルメットのテストはどうやって行うのですか？

チェッキ: 主要なテスト設定は2つありる。1つは、コンポーネント レベルでヘルメットの素材をテストするためで、シェル、ショックアブソーバー、コンフォートパッドが一軸の衝撃にどのように反応するのかを知るためである。
さらに、ヘルメットを衝突テスト用ダミー人形に装着し、フィールドでの脳震盪を代表する速度で衝撃を与える衝撃を与える完全なヘルメットテストも実施した。

ヘルメットのショックアブソーバーテスト、つまりコンポーネントレベルのテストでは、ショックアブソーバーシステムにさまざまな種類の荷重が入力されたときに素材自体がどのように動作するかを実際に調べている。
ショックアブソーバーの上におもりを落とし、フォースプレートで力を測定する。ヘルメットテストでは、完全なヘルメットシステムをそのダミーにかぶせたときに頭、脳、首に何が起こるかを調べた。 ダミーヘッドの内部にはセンサーが取り付けられており、衝撃後のヘッドの動きを知らせる。また、あらゆる衝撃試験を詳細に観察するために高速ビデオカメラも使用している。

現場でテストするためのプロトタイプを構築。

チェッキ: さまざまなスポーツ用のヘルメットのプロトタイプをいくつか作成し、研究室で徹底的にテストした。その結果は非常に有望なものであった。

しかし、現場で使用することを目的とした製品を設計する場合、安全性能だけではなく、それ以上のことも考慮する必要がある。 Savior Brain社はこの技術を「SoftShox」という名前で商品化する予定だが、液体ヘルメットが現場で使用できるようになるまでには、快適性や見た目の美しさなどについてまだ取り組む必要がある。

液体ショックアブソーバーの外観と感触を、単なる魅力的な科学プロジェクトではなく、本当に優れた製品にすることに注力する必要がある大きな転換が待っている。

適切な種類のヘルメットを使用すれば、脳震盪のリスクをゼロにできるか?

チェッキ: 確かに高い目標だが、それは可能だと考えている。 数十年前から頭蓋骨骨折や、生命を脅かす重度の頭部外傷を振り返ると、かつてはフットボールというスポーツにおいては比較的一般的でした。

しかし、これらのリスクを評価するために適切な傷害指標が使用され、NOCSAEのような標準化された試験機関がヘルメット技術の進歩と特定の安全基準を満たすための規制を導入すると、その種の傷害はほぼ排除された。

サッカー界ではもうそういった選手はほとんど見かけ無くなった。

これはいつか脳震盪で見られるものだと考えられる。

テクノロジーが解決策の主要な部分を占めていることは間違いないが、脳震盪を解決するには多角的なアプローチが必要になる。そして現時点では、まずヘルメット技術の向上から始まると思うが、より安全なゲームプレイを促進するルール変更も必要である。 過度の負担をかけている選手を排除するために、器具付きマウスガードなどの器具を使って頭部への衝撃を継続的に監視する必要があるほか、脳震盪がどれほど深刻であるかを誰もが実際に理解できるように、選手、コーチ、トレーニングスタッフに対する教育を改善する必要がある。

私はドイツにいるときに、写真週刊誌「Stern」で、ヘディングのレントゲン写真を見つけて、衝撃を受けた。
ヘディングをするたびに、脳が圧縮され、頭蓋骨に衝突していた。

https://new.nsf.gov/science-matters/improving-helmets-reduce-impact-concussions
https://camlab.stanford.edu/
https://www.eurekalert.org/news-releases/991921
https://saviorbrain.com/
https://nocsae.org/
https://www.youtube.com/watch?v=2VKizjNOoBU