编辑推荐：
为解决现有仪器化护齿在长期数据收集中的不足，研究人员开展可穿戴仪器化头带及其数据处理方案研究。通过实验室测试发现，头带在额部冲击时 PRV 和 PRA 的 r 分别为 0.80 和 0.63，为 mTBI 研究提供新可能。
在运动医学与神经科学领域，轻度创伤性脑损伤（mTBI）如同隐匿的 “健康杀手”，因其症状隐蔽常被忽视，却可能通过反复冲击诱发慢性创伤性脑病（CTE）、痴呆等严重神经退行性疾病。目前，仪器化护齿虽被视为测量头部运动学的金标准，但其在长期佩戴中的舒适性问题（如影响呼吸、交流）导致运动员依从性低下，尤其在足球等需频繁头球的运动中，难以持续获取关键的头部旋转运动数据。而现有替代方案如传统头带，因传感器与颅骨耦合不足、信号易受软组织变形干扰，测量精度显著低于护齿。在此背景下，来自美国罗伯特莫里斯大学等机构的研究团队，聚焦于开发一种高精度、易佩戴的可穿戴头带系统，相关成果发表在《Annals of Biomedical Engineering》，为 mTBI 的长期监测提供了新方向。
研究人员选用市售的 Storelli ExoShield 足球头带，嵌入 5 个 Blue Trident 惯性测量单元（IMU），通过 Velcro 固定确保传感器与头部直接接触，以减少表面振动。数据处理方面，创新性引入基于连续小波变换（CWT）的自适应滤波算法，根据每次冲击的信号特征动态确定截止频率，相较于传统固定截止频率的滤波方案，能更精准分离信号与噪声。实验在 Hybrid-III 人体模型上进行，使用足球以 13-16 m/s 速度从不同位置（前、前侧、侧、后侧、后）冲击头部，以嵌入模型重心的 DTS 6DX PRO-A 传感器作为参考标准，对比头带测量的峰值旋转速度（PRV）、峰值旋转加速度（PRA）等参数。
关键技术方法
- 多传感器阵列设计：头带均匀分布 5 个 IMU，通过空间平均降低局部软组织变形对信号的干扰。
- 连续小波变换滤波：利用 CWT 分析信号时频特性，动态区分稳态信号与瞬态噪声，自适应设定 4 阶巴特沃斯低通滤波器截止频率。
- 标准化冲击实验：使用 JUGS 发球机控制足球冲击速度与角度，结合高速摄像定位冲击位置，确保实验可重复性。
研究结果
- 额部冲击表现优异：当前额受到冲击时，头带测量的 PRV 与 PRA 与参考传感器的相关系数（r）分别达 0.80 和 0.63，归一化均方根误差（NRMSE）为 0.20 和 0.28，一致性等级（CORA 评分）0.82±0.06，属于 “良好” 至 “优秀” 范围。
- 冲击位置影响精度：随着冲击位置后移至头侧或枕部，r 值显著下降（如后侧冲击 PRV 的 r=0.64，后侧 PRA 的 r=-0.04），NRMSE 上升，表明传感器集中于枕部时，对同侧冲击的信号干扰更大。
- 自适应滤波优势显著：对比传统固定截止频率滤波，基于 CWT 的方法能有效保留信号高频成分，减少过度滤波导致的信息丢失，尤其在额部冲击时，滤波后信号与参考数据的时域吻合度显著提升。
结论与讨论
该研究开发的仪器化头带在额部冲击场景下，旋转运动学测量精度接近仪器化护齿，且佩戴舒适性更优，为足球等运动中高频的前额头球动作提供了可行的监测方案。尽管对后侧冲击的测量精度有限，但通过优化传感器布局（如在前额增加传感器）或采用非共面加速度计阵列，有望进一步提升全向测量能力。研究首次通过多传感器阵列结合自适应滤波，系统性解决了头带类设备的信号噪声分离难题，其方法论可为其他可穿戴生物力学监测设备的开发提供参考。未来需开展人体现场测试，验证头带在真实运动环境中的表现，同时评估皮肤摩擦、头带松紧度等因素对测量的影响，推动其向临床应用转化。该研究不仅填补了长期头动监测的技术空白，更有望通过大规模数据积累，深化对 mTBI 风险阈值的认知，为运动防护装备设计与脑损伤预防策略提供关键数据支撑。
