Sudden Impact -haaste on täydessä vauhdissa ja kisaan osallistuvat kehittävät erilaisia laitteita urheilukäyttöön. Päävammat ja sisäiset vammat ovat kaksi eniten puhuttanutta aluetta, mutta miten suunnitteluinsinöörit voivat “mitata” näiden vammojen vaikutusta?

Miten “vaikutus” määritellään ja mitä ovat sen rajat? Nämä ovat vain osa kysymyksistä, joita kisaan osallistuvien pitää ratkaista jo ennen kuin ryhtyvät toteuttamaan omia innovaatioitaan.

Sudden Impact -finalistit ovat kaikki eri puolilta maailmaa. Yksi heidän avaintehtäviään on varmistaa, että suunnittelut vastaavat kotimaan standardeihin, joilla vammat ja niiden mittaaminen määritellään. Kilpailijat huomasivat nopeasti, että ennen kuin ideat viedään käytäntöön, suunnittelujen täytyy olla tieteellisten ja lääketieteellisten sääntelyjen mukaisia, jotta kaikki tuotettu diagnostiikka olisi tarkkaa ja muuttumatonta. Viimeksimainittu on erittäin tärkeää valmistajille ja urheilijoille, jotka nojaavat näiden käsintehtyjen laitteiden tuottamaan dataan.

Toisin sanoen suunnittelijoidemme täytyy varmistaa, etteivät heidän ratkaisunsa tuota käyttäjille väärää informaatiota vammoista. Virheellisellä informaatiolla voisi olla vakavia seurauksia, erityisesti mikäli vammaa ei havaita tarkasti ja oikein.

Päävammojen kriteerit: jalkapalloilijat ja hiihtäjät

Saksalaissyntyisen Henrdik Lipkan suunnittelu on suunnattu hiihtäjille ja jalkapalloilijoille. Sillä on kaksi keskeistä funktiota: monitoroida urheilijan sykettä harjoituksen aikana ja toisaalta monitoroida kypärään asennettuna iskuja kilpailujen ja ottelujen aikana. Hendrikin tutkimus laitetta varten keskittyi biologiaan ja lääketieteeseen ja tätä kautta hän löysi HIC-päävammakriteerit (Head Injury Criterion), kuten ne yleisesti tunnetaan.

HIC:tä käytetään havaitsemaan kiihdytyksen ja pysähtymisen voima ja kesto päähän kohdistuvan iskun hetkellä. Siitä on tullut suosittu tapa testata urheilu- ja turvavälineiden kestävyyttä ja turvallisuutta.

HIC-kaavio käyttää kiihtyvyyskäyrää keskimääräisen kiihtyvyyden laskemiseen tiettynä ajanjaksona. Tämä on yleensä 15 millisekuntia, mutta aika voi vaihdella kolmesta millisekunnista aina 36 millisekuntiin asti. Maksimiarvo lasketaan koko aikajakson ajlata, jotta voidaan määritellä päähän kohdistuneen iskun kiihtyvyysvoima. Mielenkiintoista on se, että kaavioon voidaan vaihtaa muita muuttujia niin, että sitä voidaan hyödyntää myös muualle vartaloon osuvien iskujen analysointiin. Yhdessä käytännön esimerkissä HIC-kaaviolla voitiin havaita nopea hidastuminen kahden jalkapalloilijan välisessä törmäyksessä pelin aikana.

Vaikka HIC-kaavio näyttäisi sopivan Hendrikin suunnitteluun täydellisesti, hän on myöntänyt että teoria on osin ongelmallinen. Analog Devicesin ADXL-sarjan kiihtyyvyysanturi tekee vain 800 tai 1600 mittausta sekunnissa, joten haluttu mittaustarkkuus on paljon vaikeampi saavuttaa. Ihanteellisessa tapauksessa mittaukset tehtäisiin kerran millisekunnissa, jotta kokonaiskiihtyvyys tiettynä ajanjaksona voitaisiin helposti laskea yksinkertaisilla kerto- ja jakolaskuilla.

Niinpä Hendrikin suurin haaste on ohjelmoida kypäränsä laskemaan kiihtyvyys nopeasti ja riittävän tehokkaasti ilman, että toiminta-aika akkuteholla lyhenisi liikaa.

Peräkkäiset aivotärähdykset kontaktilajeissa

Kas Lewis Kanadasta on yksi Sudden Impact -finalisteista. Hänen ideassaan kypärä mittaa sydämensykettä, sydänkohtauksia ja aivotärähdyksiä. Vaikka kisan aikana esitettiin useita kypäriä, Kasin idea erottui joukosta, koska se kykeni mittaamaan toistuvia iskuja päähän eli peräkkäisiä aivotärähdyksiä.

Vaikka yksittäisillä iskuilla on ajateltu olevan pitkäaikainen vaikutus aivoihin, ollaan yleisesti samaa mieltä siitä, että peräkkäiset aivotärähdykset ovat paljon vaarallisempia, koska ne eivät annan aivoille tarpeeksi aikaa palautua yhdestä iskusta ennen seuraavaa. Siten Kasin kehittämä kypärä sopii parhaiten kontaktilajeihin kuten jalkapallo, jossa vammat ovat yleisiä ja niillä voi olla pitkäaikaisia seurauksia pelaajalle.

Kasin suunnitteluun sisältyy lämpötila-anturi, joka havaitsee epänormaalit ruumiinlämpötilat, sekä kaksi erillistä kiihtyvyysanturia, joilla yksittäisten aivotärähdysten vakavuutta voidaan monitoroida hyvin tarkasti. Laitteeseen kehitettiin myös monitorointi- ja raportointiominaisuudet käyttämällä CC3100-piiriä yhdessä MSP430F5529-mikro-ohjaimen kanssa reaaliaikaisen informaation keräämiseen ja lataamiseen pilvipohjaiseen järjestelmään kuten Plot.ly.

Mutta, kuten Hendrik, myös Kas kohtaa useita haasteita, koska tiedeyhteisö ei ole vielä täysin määritellyt sitä miten peräkkäisten aivotärähdysten vaikutus pitäisi mitata. Lääketieteen ammattilaiset myöntävät, että näiden vammojen diagnostisointia ja monitorointia koskeva tutkimus on vielä kesken.

Perinteisten aivotärähdysten ohdalla tiedämme tärkeimmät oireet - muistinmenetykset, päänsäryt - sekä työkalut jotka helpottavat diagnostista testaamista kuten magneetti- ja röntgenkuvaus. Vielä ei ole kuitenkaan tarkasti tiedetä peräkkäisten aivotärähdysten ominaispiirteitä, joten Kasin täytyy hyvin tarkkaan harkita, riittääkö pelkkä vamman yksinkertainen monitorointi.

Tarve joustaville suunnitteluille

Tekniikan suunnitteleminen vastaamaan lääke- ja terveyssektoreiden vaikutus- ja vammakriteereitä on jatkuva puheenaihe ammattilaisten kesken, ja on ollut sitä jo useiden vuosien ajan. Hendrikin ja Kasin kohtaamat haasteet ovat todellisia esimerkkejä siitä, miten näitä keskusteluja pitää käydä jos haluamme, että suunnittelijat yrittävät ratkoa oikeita käytännön ongelmia uusilla ja innovatiivisilla ratkaisuilla.

Ennen kuin potilaiden tilasta on päästy pätevään lääketieteelliseen nälemykseen, suunnittelijoiden ratkaisujen täytyy olla joustavia niin, että ne mukautuvat muutoksiin lääketieteellisissä standardeissa, joista ei olla vielä päästy sopuun. Tämä on yksi vaikeita kysymyksiä, joihin Sudden Impact -finalistiemme pitää vastata. Seuraavassa blogissa tutkimme, miten paljon nämä kompromissit vaikuttavat suunniteltavien laitteiden toiminnallisuuteen.

Kirjoittaja Christian DeFeo on Farnellin 260 tuhannen suunnittelijan ja tekniikasta kiinnostuneen element14-verkkoyhteisön innovaatiojohtaja. Vastikään hän veti Beyond the Phone -haastetta, jossa element14-jäsenet keittivät langattomia lääketieteen laitteita. Tällä hetkellä hän toimii Sudden Impact -suunnittelukilpailun johtajana.

“Sudden Impact” Wearable Design Challenge -kilpailun verkkosivut.

Huom. Tämä on toinen osa element14:n Sudden Impact -suunnittelukilpailua esittelevistä blogeista. Ensimmäinen osa löytyy täältä.