新型橄榄球头盔或将拯救这项运动

2012 年 8 月 19 日，在美国橄榄球联盟季前赛第二周，印第安纳波利斯小马队外接手奥斯汀·科利跑出争球线 17 码，向右切入球场中央，接球后立即被匹兹堡钢人队角卫艾克·泰勒擒抱。当泰勒冲上来撞击时，他的橄榄球头盔似乎从科利头盔的左侧弹出。然后，角卫用手臂搂住科利的脖子，将接球手的头向右猛拉。片刻之后，钢人队线卫拉里·福特从另一侧冲过来，用肘部击中科利头盔的右侧。接球手倒在地上，头盔先撞到福特的膝盖，然后脸朝下砸在地面上。

科利坐起来，头晕目眩，一分钟后不得不被搀扶下场。他三周没有回来打球。诊断结果是：脑震荡。这不是科利第一次遭受临床上所谓的创伤性脑损伤。2010 年 11 月 7 日，他几乎同时被两名费城老鹰队球员击中头部，一动不动地躺在 34 码线上近 10 分钟。医护人员用担架将他抬下场。两周后，在他复出的第一场比赛中，他在第一节就因另一次脑震荡离场。他又缺席了三场比赛，但在 12 月 19 日又遭受了一次脑震荡，结束了他的赛季。

职业足球运动员在一个赛季中头部最多会受到 1,500 次撞击，具体取决于他们的位置。这意味着在 10 年的职业生涯中他们会受到 15,000 次撞击，还不用提他们在大学、高中和少年足球时期受到的撞击。这些撞击会带来后果：脑震荡，根据最近的研究，还会造成永久性脑损伤。不仅仅是足球。曲棍球、长曲棍球，甚至骑自行车和单板滑雪等运动都在导致创伤性脑损伤日益流行。疾病预防控制中心估计，美国每年发生多达 380 万起与运动相关的脑震荡。这个数字不仅包括职业运动员，还包括儿童等各个级别的业余运动员。也许最令人不安的是，这个数字并没有下降。

在过去两年中，人们对运动相关脑震荡的愤怒日益高涨。2011 年 1 月，新墨西哥州民主党参议员汤姆·尤达尔 (Tom Udall) 呼吁联邦贸易委员会对橄榄球头盔行业进行调查，调查内容是“误导性安全声明和欺骗性做法”，目前该机构正在调查中。2012 年 6 月，2000 多名前 NFL 球员对联盟以及最大的橄榄球头盔制造商和 NFL 官方合作伙伴 Riddell 提起集体诉讼，指控他们混淆了脑外伤的科学原理。这场诉讼可能会持续数年，耗资数十亿美元。

真正的问题是，生命危在旦夕。2006 年，费城老鹰队前球星安德烈·沃特斯开枪自杀，这一悲剧性的事实由此凸显。随后对他大脑的研究表明，他患有慢性创伤性脑病 (CTE)，这是一种导致痴呆的脑损伤，由反复的头部撞击引起。随后，NFL 自杀事件接踵而至，包括前球星戴夫·杜尔森、雷·伊斯特林和朱尼尔·塞奥，据估计，他在职业生涯中遭受了多达 1,500 次脑震荡。

对于设备制造商来说，对防护头盔的需求从未如此强烈。领先的公司以及一大批新贵企业对此做出了回应，开发了许多新的头盔设计，每一种都声称能提供前所未有的安全性。问题是，这些设计背后都存在着大量相互矛盾的研究，其中大部分是由头盔制造商或联盟直接或间接资助的。

对于运动员、教练或担心的年轻运动员的父母来说，很难知道该相信谁。尽管进行了大量的研究和开发，公众也发出了强烈的抗议，但伤病仍然不断发生。更悲惨的是，一种可以扭转脑震荡流行的头盔技术已经存在。

脑震荡的困扰

要理解为什么目前的头盔无法更好地减少脑震荡，请考虑一下脑震荡的性质。脑震荡基本上是看不见的。即使是最先进的医学成像技术也不够灵敏，无法显示脑组织受损的物理表现。因此，诊断完全基于症状和情况。患者是头晕或神志不清，还是短暂昏迷？他有头痛或恶心吗？他是否记得发生了什么，看起来他的头部是否受到了重击？

即使医生能够准确诊断脑震荡，识别损伤也无助于预防脑震荡；为此，科学家需要准确了解脑内发生的情况。几代以来，医生们都认为脑震荡是大脑灰质在撞击部位和另一侧的一种挫伤，大脑可能从头骨上弹起。事实远没有那么简单：脑震荡发生在大脑白质深处，当大打击传递的力量拉伤神经细胞及其连接轴突时。

要理解这是如何发生的，重要的是要认识到，在任何身体创伤中，不同类型的力（线性加速度和旋转加速度）都会作用于大脑。线性加速度顾名思义，是一种从撞击点开始的直线力。它会导致颅骨骨折，这完全说得通：你用力撞击骨头，骨头就会断裂。

旋转加速度不太直观。它最常发生在角撞击或力未指向大脑重心的撞击中。你不需要对足球或曲棍球了解很多，就能意识到旋转是许多撞击中的一个因素。“想想看，”波士顿大学医学院神经外科医生、29 本神经病学和运动医学书籍的作者罗伯特·坎图说。“因为大多数撞击都偏离中心，而且我们的头部不是方形的，所以头部的大多数加速度都是旋转的。”

更复杂的是，人类的大脑基本上是一团形状不规则的果冻，位于一个布满山脊和悬崖的硬壳内。在一次足球铲球或曲棍球拦截后，这团果冻会移动，而且是以不规则的方式移动。“旋转力比线性力对神经细胞和轴突的压力更大，”坎图说。“它们不仅会拉伸，还会同时扭曲。因此，它们有可能造成更严重的神经损伤。”

那么问题是什么呢？如果科学家知道脑震荡主要是由于大脑旋转引起的神经紧张，那为什么他们不能找到一种方法来阻止大脑旋转呢？

正如实际的损伤无法通过医学成像技术看到一样，在撞击条件下，造成损伤的旋转是无法测量的；科学家无法进入运动员的大脑测量其运动。但在 2007 年的一项可怕研究中，底特律韦恩州立大学的研究人员使用高速 X 射线观察了戴上橄榄球头盔并从各个角度受到撞击的人类尸体头部的大脑。这项研究得到了计算机模型的证实，表明大脑移动很小——只有几毫米。然而，这些微小的运动足以引起神经紧张并影响神经功能。

让事情变得更加困难的是，每个人的大脑都是不同的。年轻人的大脑与老年人的大脑反应不同，女性的大脑与男性的大脑反应也不同。研究人员还发现，较弱的亚脑震荡打击会随着时间的推移产生累积效应，并导致慢性创伤性脑病 (CTE)，这可能是许多前运动员自杀的原因。但需要多少次打击以及哪种打击尚不清楚——而且这种状况无法在运动员活着时诊断出来。只有切开他的大脑后，研究人员才能发现组织中的死亡区域。

围绕脑震荡的科学模糊性显然阻碍了更好头盔的开发。但头盔技术未能改进还有另一个原因，比我们知识上的差距更令人不安：一个自我监管的行业受到严重过时的安全标准的管理。

40年历史的标准

想象一下典型的碰撞测试假人的头部，就像你在汽车广告中看到的那种。它被连接到一个刚性的金属臂上，而金属臂悬挂在一个圆柱形的铁砧上，铁砧顶部有一个硬塑料盘。实验室技术人员将橄榄球头盔绑在头模上，将手臂摇到距离铁砧精确五英尺的位置，然后让它掉下来——啪。在假人头部内部，位于重心处的加速度计记录了撞击过程中传输的线性加速度。这种残酷的试验被称为垂直跌落测试，它是美国国家运动器材标准委员会 (NOCSAE) 对所有橄榄球头盔进行安全认证的基础，该协会由设备制造商资助，而这些制造商又资助了大量与运动相关的头部创伤研究。自 1973 年制定以来，该标准基本保持不变。

现在回想一下 2012 年 8 月奥斯汀·科利的脑震荡——最初受到撞击后头部的抽搐，与拉里·富特的肘部和地面的碰撞。这些撞击看起来不太像 NOCSAE 跌落测试的直线力。这引出了一个非常重要的问题，也许是科学家和头盔制造商今天试图解决的核心问题：跌落测试测得的线性加速度是否与旋转加速度相关，如果相关，那么相关程度是多少？

无数生命和数十亿美元的销售额、医疗费用和诉讼费用可能取决于一个明确的答案。如果力之间的关系很强，那么减少旋转加速度的关键与减少线性加速度相同：增加更多衬垫。显然，头盔制造商更喜欢这种简单的解决方案。然而，如果连接不牢固——或者至少在最危险的撞击中不牢固——增加衬垫对减少脑震荡几乎没有作用，公司将需要彻底重新考虑当前的设计，这是一项非常昂贵的努力。

2003 年，一家位于新罕布什尔州的 Simbex 公司推出了一款名为头部撞击遥测系统 (HITS) 的研究工具。除了其他功能外，该系统似乎还有可能解答相关性问题。HITS 是一组六个弹簧式加速度计，放置在头盔内，用于记录重大撞击的位置和严重程度。任何超过一定阈值的撞击后，系统都会将数据传输到场边的配套设备。教练可以实时监控球员，研究人员可以获得大量现实世界的数据以供挖掘。弗吉尼亚理工大学伤害生物力学中心创始主任 Stefan Duma 是 HITS 数据的研究者之一；在他的敦促下，该大学足球队的每位球员都戴上了配备 HITS 的头盔。在分析了两百万次撞击数据后，Duma 表示线性力和旋转力之间存在明显而紧密的联系。

不幸的是，其他研究人员表示事情没那么简单。他们说，如果观察所有撞击，相关性很高，但观察角度较大的撞击时相关性就不成立了——这些撞击更容易导致脑震荡。“举一个极端的例子，”波士顿大学的坎图说。“如果你撞击面罩的尖端，如果有另一个球员从侧面冲过来，你的头部就会在颈部旋转，线性加速度非常低，旋转加速度非常高。”

事实上，每一位 HITS 数据的支持者背后都有一位同样直言不讳的批评者。他们说，头盔在 250 磅重的后卫的冲击下会变形，从而导致数据失真。他们说，计算旋转的 HITS 算法存在缺陷。他们指出，HITS 的创始人是所有已发表的验证该系统的研究报告的合著者。渥太华大学生物力学教授布莱恩·星崎 (Blaine Hoshizaki) 的研究重点是角度撞击，当我问他关于杜马的发现时，他听起来很恼火。“你必须看看真正导致脑震荡的事件，”他说。“在 1,000 次撞击中，可能只有 50 次是高度非中心的，但也许这 50 次是最危险的——这就是我们的数据所显示的。”

从本质上讲，为回答脑震荡问题而创建的系统引发了更多问题。由此产生的混乱引发了一系列影响。科学不明确导致标准不明确，标准不明确留下了很多解释空间。这对头盔行业的影响显而易见：它变成了一场混战。

头盔军备竞赛

2010 年 12 月，一位名叫比尔·辛普森 (Bill Simpson) 的长期赛车安全设备制造商碰巧观看了小马队的一场比赛，在比赛中，奥斯汀·科利 (Austin Collie) 因脑震荡而得到医护人员的帮助，离开了赛场。事发后，辛普森向小马队的进攻协调员（他的一位朋友）询问他的接球手发生了什么事。

“哦，这只是比赛的一部分，”教练说。

辛普森看到了机会。在赛车界，他被称为“安全教父”，曾为了证明他的赛车服的有效性而自焚。他认为自己可以制造出更好的橄榄球头盔，于是在印第安纳波利斯的仓库里开始工作。到 2011 年，包括科利在内的几位职业车手都戴着辛普森头盔的早期实验版。

个人发明家能够开发、生产并将产品送到专业运动员手中，这说明头盔制造业发生了翻天覆地的变化。头盔制造业曾经是一个由少数几家大公司主导的相当沉稳的行业，如今已发展到包括越来越多的新兴公司、连续创业者和个人发明家。结果就是新设计层出不穷。主流头盔制造商仍坚持使用以前型号的变体：聚碳酸酯外壳，填充各种密度和厚度的衬垫。后来者开发了更具创意但测试不那么严格的方法。也许最著名的是外观奇特的 Guardian Cap，这是一种可以套在普通头盔上的带衬垫的袜子。2011 年引起广泛关注的另一种方法 Bulwark 出自北卡罗来纳州一位自称“头盔极客”的航天工程师的工作台；它有一个模块化外壳，可以根据不同玩家的需求进行配置。但它从未走出原型阶段。

辛普森于 2012 年 10 月正式推出了 SGH 头盔，立即引起了轰动。 《体育画报》 “伤病专家”专栏作家威尔·卡罗尔戴上一顶头盔，让别人猛击他的头顶——这是一种强大的、几乎纯粹线性的力量。他说他一点感觉都没有。他的结论是：这顶头盔一定有用。

当我打电话给辛普森讨论头盔并询问它如何减少造成脑震荡的力量时，他提到，他所交谈过的所有神经科学家都无法告诉他究竟是什么力量导致了脑震荡。“那么，你怎么知道你阻止的是正确的力量呢？”我问他。“如果你不知道是什么导致了脑震荡，你怎么能预防它呢？”

“你问了我很多非常离奇的问题，我的朋友，”他说。“很多问题我都无法回答。”他解释说，他的头盔采用碳纤维和凯夫拉纤维制成的复合外壳，加上一层由类似聚苯乙烯泡沫塑料的珠子制成的自适应泡沫内层。他说，它在 NOCSAE 式跌落测试中的表现比市场上的任何其他产品都要好。

“它是专门解决旋转加速度问题的吗？”我问道。

他大笑道：“头盔没有这种作用。”

我尝试了一种更直接的方式：“你能声称戴上头盔可以减少脑震荡吗？”

“哦，当然不会，”他说，“我永远不会这么说。”

自从国会开始关注以来，NFL 就开始认真研究谁在申请什么，或者不申请什么。“我几乎每周都会看到一种新设备，”北卡罗来纳大学运动医学研究员、麦克阿瑟天才奖获得者、NFL 安全设备和比赛规则小组委员会主席 Kevin Guskiewicz 说。“我的办公桌角落压着一个活页夹。我不认为你会看到 NFL 直截了当地认可一种产品，但他们肯定觉得自己有责任帮助防止这些伤害。所以我们将审查这些技术，以便确定有三四种需要进一步研究。”

主流头盔制造商中最大胆的声明来自 Riddell，这也许并不令人意外。该公司最新的头盔 360 是基于一种名为“脑震荡减少技术”（CRT）的系统，该系统于 2002 年首次推出。根据一段激动人心的宣传视频（该视频现已从 Riddell 网站上删除），工程师们设计 CRT 是为了响应 NFL 资助的一项研究，该研究由一家名为 Biokinetics 的加拿大研究实验室进行。研究人员查看了导致脑震荡的实际 NFL 撞击视频，并试图绘制出撞击的位置、距离和速度。主要发现有两点：旋转加速度是脑震荡的主要因素，以及球员的头部侧面经常受到撞击。

为了响应这项研究，开发 CRT 的设计师在侧面和正面撞击区域添加了能量衰减材料（额外衬垫）。他们还将配备 CRT 的头盔的整体尺寸增加了几毫米，以便容纳更多的衬垫。360 的设计师在 CRT 的基础上更进一步，在撞击区域添加了更多的衬垫。我不清楚这些改变是如何解决旋转问题的——而旋转问题是 CRT 和 360 头盔想要减少的脑震荡的最大因素。因此我询问了 Riddell 的研发主管 Thad Ide。“嗯，在许多情况下，线性加速度和线性产生的旋转是相辅相成的，”他说道，这与 Duma 在弗吉尼亚理工大学的 HITS 研究结果相呼应。“减少线性力将减少旋转力。”

所以问题仍然存在：如果解决线性力是关键，而更好的衬垫是实现这一目标的方法，那么为什么脑震荡的数量没有减少？“你没有看到变化，因为[头盔制造商]没有解决这个问题，”渥太华大学的 Hoshizaki 说。

新的希望

在斯德哥尔摩郊区一栋建筑地下车库外的一个小房间里，正在进行一种完全不同的头盔测试。皇家理工学院的生物力学工程师 Peter Halldin 正在将头盔绑在固定在定制跌落试验台上的假人头上。Halldin 的试验台不是像 NOCSAE 测试那样将头盔猛砸到固定的铁砧上，而是将其扔到水平移动的气动滑橇上。通过校准头盔的角度、跌落高度和滑橇速度，Halldin 表示他可以比其他实验室更准确地重现导致旋转加速度的角力。在假人头内，九个加速度计测量撞击过程中传输的线性力；附近的计算机根据该数据计算旋转加速度。

今天，霍尔丁正在测试两顶滑雪头盔，这两顶头盔除了一点不同外，其他都一模一样：其中一顶头盔内部，衬垫和头部之间有一层亮黄色的模压塑料，上面系着小橡胶带。这就是多向冲击保护系统 (MIPS)，这也是他与他人共同创立的一家公司的名称。霍尔丁一半时间担任 MIPS 的首席技术官，另一半时间担任皇家研究所的教员。

MIPS 背后的理念很简单：塑料层紧贴在球员头部的衬垫下方。通过让头部在撞击过程中漂浮，MIPS 可以在旋转力到达大脑之前消除部分旋转力。

Halldin 测试的第一项是非 MIPS 头盔。Halldin 打开高速摄像机，从撞击物旁后退，准备接住反弹的头盔。“五、四、三、二、一……”随着一声巨响，滑橇以每秒 22 英尺的速度向前冲去，头盔以每秒 12 英尺的速度落下，与滑橇相遇——啪的一声。

我在电脑上看到头部承受了大约 170 Gs 的线性力，并且旋转了 14,100 弧度/平方秒（旋转的标准科学度量）。这是一次重击，可能会导致脑震荡或更严重的后果。

现在轮到第二顶头盔了。除了增加了低摩擦 MIPS 层外，所有变量都与第一顶头盔相同。“五、四、三、二、一……”——咔嚓。这次计算机显示旋转角度为每平方秒 6,400 弧度，减少了 55%。

哈尔丁开始详细解释多次冲击测试对头盔长期性能的影响，但我打断了他：“你如何描述该测试结果？”

他再次看了看电脑屏幕上的彩色图表。如果测试假人是一名足球运动员，他本应在比赛结束时不发生脑震荡就安然无恙。哈尔丁微微一笑，并允许自己说出一句非常不像瑞典人的夸赞。“我会说这真是太神奇了。”

Halldin 小心翼翼地没有声称 MIPS 系统可以在所有头盔的所有撞击中产生这种结果。但是，他说，“我们可以减少所有方向的旋转，而且在大多数方向上旋转都很显著。我们可能在一个方向上减少 35%，在另一个方向上减少 25%，在另一个方向上减少 15%。希望这 15% 不是该项运动最常见的撞击方向。”

MIPS 并非新创公司：该公司的历史可以追溯到 1997 年，当时斯德哥尔摩卡罗琳斯卡医院（该医院也是诺贝尔医学奖的评委）的神经外科医生汉斯·冯·霍尔斯特厌倦了看到因曲棍球和其他运动而导致脑损伤的患者前来就诊，于是决定采取行动。他与哈尔丁一起在皇家研究院工作，并在接下来的 10 年里一起研究创伤性脑损伤。

旋转力很快成为他们的关注重点，最终他们提出了 MIPS 的想法。第一款产品是一顶完整的头盔，专为马术市场设计。尽管这款头盔广受好评，但团队很快意识到，实验室中的巧妙概念并不容易转化为成功的产品发布。生产问题和质量控制问题迫使团队重新考虑他们的战略，并聘请了一位新的首席执行官，一位经验丰富的瑞典高管，名叫 Niklas Steenberg。Steenberg 审视了这种情况，决定 MIPS 不是终端市场产品，就像汽车中的安全气囊或笔记本电脑中的英特尔芯片一样。相反，他们将专注于将其授权给现有的头盔公司，以便这些制造商可以改进自己的产品。

从那时起，MIPS 已将其滑动低摩擦层授权给大约 20 家头盔制造商，用于从单板滑雪、滑雪到自行车和越野摩托车等各种运动。最近，斯滕伯格决定，该公司准备开始追逐大型比赛——首先是美国曲棍球，然后是最大的足球。

追随金钱

人们会认为，世界上的 Riddells 们会不遗余力地去授权或创造像 MIPS 这样的东西，这是一种简单的产品，可以直接解决脑震荡的一个关键因素，并且可以轻松地融入现有的头盔设计中。

“我以为人们会拥抱我们，说‘谢谢！’”肯·亚菲说，他是 NHL 的前高管，在联盟工作了 19 年后于 2012 年 3 月离开，并与 MIPS 签约，帮助他们与美国制造商建立联系。但在近一年的时间里，他带领斯滕伯格和霍尔丁走访了不同的公司，他说，“我们遭到了质疑。”

亚菲怀疑，其中一个原因是，目前的安全标准并未要求公司采取比他们目前所做更多的措施。大多数头盔研究人员私下也对此表示赞同：过于简单的认证标准为制造商提供了方便的法律保障。如果 NOCSAE 认证某公司的头盔是安全的，那么该公司承担伤害责任的风险就会降低。另一方面，如果同一家公司超出了标准，它可能会面临被起诉的风险：突然间，其现有的所有头盔都显得不够好，更糟糕的是，该公司可能不得不承认自己明知自己不够好。

弗吉尼亚理工大学的杜马指出，NOCSAE 的行业资金支持解释了这种情况在足球界为何一直存在。“跟着钱走，”他说。“想象一下，如果福特是唯一一家测试其汽车的组织，而且它声称每辆汽车都获得了最高评级。这是一种非常不寻常的安排。”

对于 MIPS 首席执行官斯滕伯格来说，这种情况既有害又落后。“如果有某种东西可以使你的头盔更安全，你就应该为不使用它而承担责任，”他说。这并不是新安全技术第一次面临这样的悖论。实施往往取决于一个严峻的计算：采用一种安全措施给行业带来的成本是否大于或小于不采用该措施给公众带来的成本。当涉及到责任时，律师、法官和立法者都会参与其中，即使是最紧迫的问题也可能陷入争论。例如，立法将安全带作为汽车的标准配置花了十多年的时间。值得注意的是，最先推广和实施安全带标准的两家公司是萨博和沃尔沃，这两家公司都是瑞典公司。

不过，变化即将来临。渥太华大学的 Hoshizaki 获得了 NOCSAE 的资助，用于制定包含轮换的新标准。“我希望公平对待制造商，”他说。“如果他们能制造出更安全的头盔，他们会这么做的。我认为他们并不反对；他们只是确保自己不会越过那条线，说‘是的，我们应该管理轮换’，因为这会带来责任问题。”有了新标准，这个障碍可能会消失。

一家富有进取心的公司已经推出了一款产品，直接解决另一项接触性运动中的旋转加速度问题。2012 年夏天，冰球运动中排名第一的头盔制造商 Bauer 推出了 Re-akt。头盔内部，一层薄薄的亮黄色材料松散地位于头部和衬垫之间，使头部在撞击过程中可以向任何方向稍微移动。

该层被称为 Suspend-Tech，从颜色来看，它与 MIPS 非常相似。事实上，在 Re-akt 的开发过程中，MIPS 联合创始人 Halldin 在其皇家研究所的冲击装置上测试了早期版本。关于此次合作如何开始，以及 Bauer 如何提出滑动层的想法，说法不一，但有关知识产权的任何疑问可能并不重要。Bauer 的 Suspend-Tech 是一次意义重大的首次亮相：这是主流公司首次尝试在接触性运动头盔中加入旋转层。MIPS 认为，既然一家曲棍球制造商接受了这个想法，那么其他制造商也会开始购买他们自己的版本。而这反过来又可以为 MIPS 打入足球市场创造足够的动力。

或许最令人鼓舞的迹象是，NFL 承认类似 MIPS 的产品已引起该组织的关注。NFL 安全设备小组委员会的 Kevin Guskiewicz 表示，联盟已在评估这一概念。“我们正在非常认真地考虑这个问题，”他说。

与此同时，随着科学家进行更多测试，制造商争吵不休，今年将有 420 万人穿上足球服踢足球，其中大多数是大脑仍在发育的儿童。他们每个人都需要一顶好头盔。

汤姆·福斯特 (Tom Foster) 现居纽约布鲁克林。这是他为《大众科学》撰写的第一篇文章。文章最初刊登在该杂志 2013 年 1 月刊上。