Herziene en neuroimaging-compatibele versies van het dual task-scherm
Summary
We ontwikkelden het originele Dual Task Screen (DTS) als een draagbare, goedkope maatregel die atleten met sportgeïnduceerd licht traumatisch hersenletsel kan evalueren. We hebben de originele DTS voor toekomstig klinisch gebruik herzien en een neuroimaging-compatibele versie van de DTS ontwikkeld om neurale onderbouwing van prestaties met één en dubbele taak te meten.
Abstract
Dubbele taakparadigma’s beoordelen tegelijkertijd motorische en cognitieve vaardigheden en ze kunnen subtiele, resterende stoornissen detecteren bij atleten met recent licht traumatisch hersenletsel (mTBI). In het verleden hebben dubbele taakparadigma’s zich echter uitsluitend gericht op vaardigheden van lagere ledematen en vertrouwden ze op omslachtige, dure laboratoriumapparatuur – waardoor hun bruikbaarheid voor dagelijkse mTBI-evaluatie werd beperkt. Vervolgens ontwikkelden we het Dual Task Screen (DTS), dat <10 minuten duurt om toe te dienen en te scoren, goedkope draagbare apparatuur gebruikt en subtaken van lagere extremiteit (LE) en bovenste extremiteit (UE) omvat. Het doel van dit manuscript was tweeledig. Ten eerste beschrijven we het beheerprotocol voor de herziene DTS, dat we hebben herzien om de beperkingen van de oorspronkelijke DTS aan te pakken. In het bijzonder omvatten de herzieningen toevoegingen van slimme apparaten om meer gedetailleerde loopgegevens te verkrijgen en opname van enkele cognitieve aandoeningen om te testen op verstoorde cognitieve prestaties onder dubbele taakomstandigheden. Belangrijk is dat de herziene DTS een maatregel is die bedoeld is voor toekomstig klinisch gebruik, en we presenteren representatieve resultaten van drie mannelijke atleten om het type klinische gegevens te illustreren dat uit de maatregel kan worden verkregen. Belangrijk is dat we de gevoeligheid en specificiteit van de herziene DTS bij sporters met mTBI, het volgende onderzoeksinitiatief, nog moeten evalueren. Het tweede doel van dit manuscript is om een neuroimaging-compatibele versie van de DTS te beschrijven. We ontwikkelden deze versie zodat we de neurale onderbouwing van prestaties met één en twee taken konden evalueren, voor een beter empirisch begrip van de gedragstekorten die verband houden met mTBI. Dit manuscript beschrijft dus ook de stappen die we hebben genomen om gelijktijdige functionele near-infrared spectroscopie (fNIRS) meting tijdens de DTS mogelijk te maken, samen met hoe we de fNIRS-gegevens op het eerste niveau hebben verkregen en voltooid.
Introduction
Elk jaar lopen wereldwijd 42 miljoen mensen licht traumatisch hersenletsel (mTBIs) op1. Hoewel ooit als goedaardig beschouwd, wijst nieuw onderzoek erop dat mTBIs, met name herhaalde mTBIs, blijvende negatieve gevolgen kunnen veroorzaken, zoals fysieke, cognitieve en slaapstoornissen2,3,4. Vervolgens zijn onderzoekers en clinici op zoek naar verbeterde evaluaties en behandelingsmethoden om mTBI te begrijpen en aan te pakken.
Tot op heden omvat de beste praktijken voor mTBI-evaluatie zelfgerapporteerde symptomen en objectieve meting van neurocognitieve en motorische functie5. Sommige individuen, zoals competitieve atleten op collegiaal niveau, staan er echter om bekend dat ze mTBI-gerelateerde symptomen6onderschatten, waardoor het nut van symptoomrapporten wordt beperkt. Objectieve neurocognitieve en motorische functiemaatregelen hebben ook beperkingen, waaronder een slechte betrouwbaarheid van de testhertest, vertrouwen op basistests of onvoldoende moeilijkheidsgraad voor goed presterende atleten7,8,9. Dubbele taakparadigma ‘s – die tegelijkertijd de motorische en cognitieve vaardigheden beoordelen – kunnen echter subtiele, resterende stoornissen detecteren en kunnen bijzonder nuttig zijn voor het evalueren van goed presterende atleten10,11,12,13,14.
Eerder onderzoek met behulp van dubbele taakparadigma’s heeft vaak omslachtige, dure laboratoriumapparatuur, zoals motion capture-systemen14,opgenomen om goed presterende atleten te evalueren. Hoewel deze systemen subtiele motorische beperkingen nauwkeurig kunnen meten, zijn ze onpraktisch voor gebruik in de dagelijkse mTBI-evaluatie vanwege hoge materiaalkosten, beperkte draagbaarheid en lange administratietijden (d.w.z. ≥ 45 minuten per persoon). Verder richtten veel eerdere dual task paradigmastudies zich uitsluitend op vaardigheden van het onderlichaam of de onderste ledematen, zoals evenwicht of gang11,12,13,14. Waarschijnlijk is de bovenste extremiteitsfunctie en hand-oogcoördinatie ook belangrijk voor goed presterende atleten in veel sporten. Zo ontwikkelden we het Dual Task Screen (DTS), een korte meting die is ontworpen om in <10 minuten te worden toegediend en gescoord met draagbare, goedkope instrumenten. Deze oorspronkelijke DTS omvatte een subtaken van de onderste extremiteit (LE) en de bovenste extremiteit (UE), die de loopsnelheid (met behulp van een stopwatch) en hand-oogcoördinatie evalueerden onder enkele motorische en dubbele taakomstandigheden15.
In de eerste haalbaarheidsstudie voltooiden 32 gezonde, vrouwelijke adolescente deelnemers de oorspronkelijke DTS. Deze studie was bedoeld om vast te stellen dat de DTS motorkosten met dubbele taak kon uitlozen, zoals blijkt uit verminderde motorprestaties tijdens dubbele taak versus enkele motoromstandigheden. We hebben ook geprobeerd vast te stellen dat de DTS in minder dan 10 minuten kon worden toegediend en gescoord. We ontdekten dat alle deelnemers slechtere dual task motorprestaties hadden op ten minste één subtaak. Bovendien konden we de DTS in gemiddeld 5,63 minuten toedienen en de test scoren in 2-3 minuten15.
Hoewel de eerste haalbaarheidsstudie succesvol was, werden enkele beperkingen aan het licht gebracht. Met name de loopsnelheid werd gemeten met stopwatches, die gevoelig zijn voor natuurlijke menselijke fouten. Daarom gebruikten we in de herziene DTS slimme apparaten met ingebouwde versnellingsmeters(Materialentabel)op elke enkel. Deze toevoeging handhaafde het gebruik van draagbare, goedkope instrumenten terwijl het nog steeds geavanceerde metingen van loopsnelheid, totaal aantal stappen, gemiddelde staplengte, gemiddelde stapduur en variatie in stapduur biedt. Een andere beperking van de oorspronkelijke DTS was de afwezigheid van enkele cognitieve aandoeningen, waardoor evaluatie van cognitieve kosten voor dubbele taken werd voorkomen. Cognitieve kosten voor dubbele taken worden gedefinieerd als slechtere cognitieve prestaties tijdens de dubbele taak versus een enkele cognitieve conditie. Vervolgens hebben we voor zowel de LE- als de UE-subtaken één cognitieve aandoening toegevoegd (beschreven in Protocol).
Naast het ontwikkelen van een maatregel voor toekomstig klinisch gebruik, is een van de langetermijndoelen van het team om de neurale onderbouwing van prestaties met één en dubbele taak bij gezonde atleten te evalueren en die bevindingen te contrasteren met atleten met door sport geïnduceerde mTBI. Zo hebben we een neuroimaging-compatibele versie van de DTS gemaakt. We proberen te bepalen of de DTS met succes kan worden aangepast voor gebruik met gelijktijdige functionele near-infrared spectroscopy (fNIRS) meting, en we gebruiken een mobiel fNIRS-apparaat dat speciaal is ontworpen om bruto-motorische bewegingen mogelijk te maken door de invloed van bewegingsartefacten te verminderen. Verder heeft dit apparaat, voor zover wij weten, de grootste hoeveelheid hoofddekking voor mobiele apparaten die momenteel beschikbaar zijn voor onderzoeksdoeleinden(Tabel met materialen).
Kortom, het studieprotocol is ontworpen om het volgende te doen:
- Beschrijf het toedieningsprotocol voor het herziene Dual Task Screen (DTS), een maatregel die we opnieuw hebben ontworpen om de beperkingen van de oorspronkelijke DTS15 aan te pakken en een maatregel die bedoeld is voor toekomstig klinisch gebruik.
- Beschrijf het onderzoeksprotocol voor het neuroimaging-compatibele Dual Task Screen (DTS), dat we hebben ontworpen om de neurale onderbouwing van prestaties met één en dubbele taak te evalueren.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit manuscript beschreven we het beheerprotocol voor het onlangs herziene Dual Task Screen (DTS). Deze revisies werden voltooid om beperkingen aan te pakken die in de oorspronkelijke DTS15 werden geïdentificeerd en omvatten de toevoeging van enkele cognitieve aandoeningen om te testen op cognitieve kosten voor dubbele taken. Het omvatte ook op slimme apparaten gebaseerde accelerometrie om de loopeigenschappen nauwkeuriger te meten. We hebben representatieve resultaten opgenomen die het type kl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We willen mevrouw Isabelle Booth bedanken, een studente van de Colorado State University die heeft geholpen met de analyse van accelerometriegegevens. We willen ook de financiering erkennen van NIH K12 HD055931 en K01 HD096047-02 uitgegeven aan auteur J.S.
Materials
| Hardware (in alphabetical order) | |||
| NIRx NIRSport2 Device: NSP2-CORE1616 | NIRx | Reference #: GC359 | "The NIRSport 2 is a user-friendly, modular, and robust wireless functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) platform which measures hemodynamic responses to neuroactivation via oxy-, deoxy-, and total hemoglobin changes in the cerebral cortex.The NIRSport 2 comes with a host of ready-to-implement upgrades and modules to meet the needs of a broad range of cognitive neuroscience applications." (Direct quote from nirx.net/nirsport) |
| NIRx NIRSCap (available in 5 difference sizes) | NIRx | N/A | "The NIRScap consists of a measuring cap and optode holders. The optode holders fit into the slits of the measuring cap." (Direct quote from NIRx's NIRScap Getting Started Guide) |
| NIRx Optode Sources (x 2) | NIRx | Reference #: GC359 | "8-source active source bundel for fiberless optical illumination with dual tip; 240 cm long." (Direct quote from NIRx Packing List Description) |
| NIRx Optode Detectors (x 2) | NIRx | Reference #: GC359 | "Bundle of 8x active sensores for fiberless optical detection; dual tip; 240 cm long." (Direct quote from NIRx Packing List Description) |
| NIRx Short Distance Detector Probes | NIRx | N/A | "The probes come in a bundle of eight detector clips that allows coupling of short-distance data from eight independent sources sites to one common detector channel on the instrument." (Direct quote from NIRx's Short Distance Detector Probes Getting Started Guide) |
| Software (in alphabetical order) | |||
| Aurora | NIRx | N/A | "NIRSport 2 Acquistion Software. Aurora fNIRS connects to your NIRSport 2 device via Wi-Fi or USB and can set-up a complete experimental configuration in only several clicks. Thanks to the automated signal optimization algorithm, Aurora fNIRS ensures optimal signal quality before a measurement is started. Raw data, HbO and Hb concentration changtes can be visualized in real-time in several display modes. In addition, high-end whole head visualizations are immediately available. Recorded data can be exported over the integrate Lab Streaming Layer (LSL) protocol, allowing for real-time processing in Brain-Computer Interface (BCI) and Neurofeedback paradigms." (Direct quote from nirx.net/software) |
| Matlab | Math Works | N/A | "MATLAB® combines a desktop environment tuned for iterative analysis and design processes with a programming language that expresses matrix and array mathematics directly. It includes the Live Editor for creating scripts that combine code, output, and formatted text in an executable notebook." (Direct quote from mathworks.com) |
| NIRS Toolbox | Developed by Huppert Brain Imaging Lab | N/A | "NIRS toolbox is a Matlab based analysis program." (Direct quote from huppertlab.net/nirs-toolbox-2/) |
| PsychoPy | Python | N/A | "PsychoPy is an open source software package written in the Python program,ming language primarily for us in neuroscience and experimntal psychology research." (Direct quote from psychopy.org) |
| Lower Tech/Cost Research Supplies* (in alphabetical order) | |||
| AmazonBasics 60-Inch Lightweight Tripod with Bag | Amazon | Item Model #: WT3540 | This lightweight tripod is perfect for most cameras up to 6.6 pounds. Setup is quick and easy. The included bag makes storage and transport a snap.The tripod’s legs can extend from 20” to 48”. Leg locks release smoothly and glide easily to your desired height. Crank up the center post for a tripod that is 60” tall. (Direct quote from Amazon.com) |
| iPod Touch x 2 | Apple | N/A | Smart device with built-in accelerometer. |
| Panasonic Full HD Video Camera Camcorder HC-V180K, 50X Optical Zoom, 1/5.8-Inch BSI Sensor, Touch Enabled 2.7-Inch LCD Display (Black) | Amazon | Item Model #: HC-V180K | Compact, lightweight and easy to use, the Panasonic Full HD Camcorder HC-V180K brings a fun, worry-free experience to high-resolution video capture. Featuring a 5-axis image stabilizer for maximum handheld stability, this 1080p camera’s super-long 50X optical zoom and up to 90X intelligent zoom quickly bring distant objects in focus. A convenient 28mm wide-angle lens allows you to fit more people and scenery into settings like weddings, reunions and vacations. An advanced BSI sensor assures low-light video image quality while Panasonic’s Level Shot function automatically detects and compensates for distracting camera tilting. For added fun, the camera includes creative filter effects like 8mm Movie, Silent Movie, Miniature Effect and Time Lapse Recording, all easily accessible on the 2.7-inch LCD touch screen. A two-channel zoom microphone works in tandem with the zoom to ensure crisp, clear audio up close or at any distance." (Direct quote from Amazon.com) |
| Post-it Notes, 3" x 3", Canary Yellow, Pack Of 18 Pads | Office Depot/Office Max | Item # 1230652 | "Post it® Notes stick securely and remove cleanly, featuring a unique adhesive designed for use on paper." |
| Scotch 232 Masking Tape, 1" x 60 Yd | Office Depot/Office Max | Item # 910588 | "High-performance paper masking tape produces sharp paint lines in medium-temperature paint bake operations. Scotch tape provides clean removal every time, even on traditionally difficult-to-remove surfaces." (Direct quote from officedepot.com) |
| Stanley Tools Leverlock Tape Measure, Standard, 25' x 1" Blade | Office Depot/Office Max | Item #389512 | "Tape rule features a power return with automatic bottom lock for easy operation. High-visibility case color makes it easy to find. Special Tru-Zero hook allows use of nail as pivot to draw circles and arcs. Tape rule offers a multiple riveted hook and polymer-coated blade for longer life, blade wear guard and comfortable rubber grip. Protected blade resists abrasion, oils, dirt and most solvents. Tape rule has Imperial ruling with consecutive feet on top and consecutive inches on bottom after the first foot. Its belt clip allows easy carrying." (Direct quote from officedepot.com) |
| Stopwatch | Office Depot/Office Max | Item # 357698 | "Offers split timing, precise to 1/100 of a second. Includes 6 functions — hour, minute, second, day, month and year." (Direct quote from officedepot.com) |
| Tourna Ballport Deluxe Tennis Ball Hopper with Wheels – Holds 80 Balls | Amazon | Item Model #: BPD-80W | "Balloon port 80 deluxe holds 80 balls and comes with wheels for easy Maneuverability. The handles are an extra long 33 inch for more convenient feed and pickup. Very lightweight yet durable makes this one of the most premium hoppers on the market. Loaded with patented features: legs lock in up and down position. Bars at the top slide closed so your the balls don't fall out during transport. Bars roll at the bottom so the ball slips in the hopper easily." (Direct quote from Amazon.com) |
| Tourna Pressureless Tennis Balls with Vinyl Tote (45 pack of balls) | Amazon | Item Model #: EPTB-45 | "45 Pressure less tennis balls in a vinyl tote bag. Bag has a zipper for secure closure. Balls are regulation size and durable. Suitable for practice or tennis ball machines. Balls are pressure less so they never go dead. Pressure-less means they never go dead, which makes them great for tennis practice, ball machines, filling up ball baskets and hoppers, or just making sure your pet has hours of fun chasing these balls. They fit Chuck-it style dog ball launchers and automatic ball launchers. Durable rubber and a premium felt ensures their use can be universal, whether your a budding tennis player or a pet owner." (Direct quote from Amazon.com) |
| Velcro | Velcro | N/A | Self-adhesive strips and wraps; used to secure smart devices. |
| Yoga Block 2 Pack – 2 High Density Light Weight Exercise Blocks 4 x 6 x 9 Inches Support All Poses – Lightweight Versatile Fitness and Balance Odor Free Bricks (Note: 6 blocks are needed for Dual Task Screen) | Amazon | N/A | "These blocks are made from recycled high density EVA foam and provide firm support in a wide range of different yoga poses. This will improve your posture and you can stay in challenging poses for longer." (Direct quote from Amazon.com) |
| *These items or comparable items can be obtained from a number of other sources |
References
- Gardner, R. C., Yaffe, K. Epidemiology of mild traumatic brain injury and neurodegenerative disease. Molecular and Cellular Neuroscience. 66, 75-80 (2015).
- Oyegbile, T. O., Dougherty, A., Tanveer, S., Zecavati, N., Delasobera, B. E. High Sleep Disturbance and Longer Concussion Duration in Repeat Concussions. Behavioral Sleep Medicine. , 1-8 (2019).
- Schatz, P., Moser, R. S., Covassin, T., Karpf, R. Early indicators of enduring symptoms in high school athletes with multiple previous concussions. Neurosurgery. 68 (6), 1562-1567 (2011).
- Yrondi, A., Brauge, D., LeMen, J., Arbus, C., Pariente, J. Depression and sports-related concussion: A systematic review. La Presse Médicale. 46 (10), 890-902 (2017).
- Haider, M. N., et al. A systematic review of criteria used to define recovery from sport-related concussion in youth athletes. British Journal of Sports Medicine. 52 (18), 1179-1190 (2018).
- Conway, F. N., et al. Concussion Symptom Underreporting Among Incoming National Collegiate Athletic Association Division I College Athletes. Clinical Journal of Sport Medicine. 30 (3), 203-209 (2020).
- Broglio, S. P., Guskiewicz, K. M., Norwig, J. If You’re Not Measuring, You’re Guessing: The Advent of Objective Concussion Assessments. Journal of Athletic Training. 52 (3), 160-166 (2017).
- Broglio, S. P., Katz, B. P., Zhao, S., McCrea, M., McAllister, T. Test-retest reliability and interpretation of common concussion assessment tools: Findings from the NCAA-DoD CARE Consortium. Sports Medicine. 48 (5), 1255-1268 (2018).
- Howell, D. R., et al. Examining Motor Tasks of Differing Complexity After Concussion in Adolescents. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 100 (4), 613-619 (2019).
- Buttner, F., et al. Concussed athletes walk slower than non-concussed athletes during cognitive-motor dual-task assessments but not during single-task assessments 2 months after sports concussion: a systematic review and meta-analysis using individual participant data. British Journal of Sports Medicine. 54 (2), 94-101 (2020).
- Howell, D. R., Buckley, T. A., Lynall, R. C., Meehan, W. P. I. Worsening dual-task gait costs after concussion and their association with subsequent sport-related injury. Journal of Neurotrauma. 35 (14), 1630-1636 (2018).
- Howell, D. R., Kirkwood, M. W., Provance, A., Iverson, G. L., Meehan, W. P. Using concurrent gait and cognitive assessments to identify impairments after concussion: a narrative review. Concussion. 3 (1), 54 (2018).
- Lee, H., Sullivan, S. J., Schneiders, A. G. The use of the dual-task paradigm in detecting gait performance deficits following a sports-related concussion: a systematic review and meta-analysis. Journal of Science and Medicine in Sport. 16 (1), 2-7 (2013).
- Solomito, M. J., et al. Motion analysis evaluation of adolescent athletes during dual-task walking following a concussion: A multicenter study. Gait Posture. 64, 260-265 (2018).
- Stephens, J. A., Nicholson, R., Slomine, B., Suskauer, S. Development and pilot testing of the dual task screen in healthy adolescents. American Journal of Occupational Therapy. 72 (3), (2018).
- Ptak, R. The frontoparietal attention network of the human brain: action, saliency, and a priority map of the environment. Neuroscientist. 18 (5), 502-515 (2012).
- Jasper, H. Report of the committee on methods of clinical examination in electroencephalography: 1957. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 10 (2), 370-375 (1958).
- Brigadoi, S., Cooper, R. J. How short is short? Optimum source-detector distance for short-separation channels in functional near-infrared spectroscopy. Neurophotonics. 2 (2), 025005 (2015).
- Sato, T., et al. Reduction of global interference of scalp-hemodynamics in functional near-infrared spectroscopy using short distance probes. Neuroimage. 141, 120-132 (2016).
- Scholkmann, F., et al. A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology. Neuroimage. 85, 6-27 (2014).
- Baker, W. B., et al. Modified Beer-Lambert law for blood flow. Biomedical Optics Express. 5 (11), 4053-4075 (2014).
- Barker, J. W., Aarabi, A., Huppert, T. J. Autoregressive model based algorithm for correcting motion and serially correlated errors in fNIRS. Biomedical Optics Express. 4 (8), 1366-1379 (2013).
- Aguirre, G. K., Zarahn, E., D’Esposito, M. The variability of human, BOLD hemodynamic responses. Neuroimage. 8 (4), 360-369 (1998).
- Stephens, J. A., Liu, P., Lu, H., Suskauer, S. J. Cerebral Blood Flow after Mild Traumatic Brain Injury: Associations between Symptoms and Post-Injury Perfusion. Journal of Neurotrauma. 35 (2), 241-248 (2018).
