Überarbeitete und Neuroimaging-kompatible Versionen des Dual Task Screens
Summary
Wir haben den ursprünglichen Dual Task Screen (DTS) als tragbare, kostengünstige Maßnahme entwickelt, die Athleten mit sportinduzierten leichten Schädel-Hirn-Verletzungen bewerten kann. Wir überarbeiteten das ursprüngliche DTS für die zukünftige klinische Anwendung und entwickelten eine neuroimaging-kompatible Version des DTS, um neuronale Untergründe der Leistung von Einzel- und Dual-Taskzumessen zu messen.
Abstract
Dual-Task-Paradigmen bewerten gleichzeitig motorische und kognitive Fähigkeiten, und sie können subtile, Reststörungen bei Sportlern mit kürzlich enden können, leichte traumatische Hirnverletzungen (mTBI). Die Paradigmen der vergangenen Dual-Task-Aufgaben konzentrierten sich jedoch ausschließlich auf Fähigkeiten mit niedrigeren Extremitäten und setzten auf umständliche, teure Laborgeräte , wodurch ihre Praktikabilität für die tägliche mTBI-Bewertung eingeschränkt wurde. Anschließend haben wir den Dual Task Screen (DTS) entwickelt, der bis zu 10 Minuten verwaltet und punktet, tragbare Low-Cost-Geräte verwendet und Unteraufgaben der unteren Extremität (LE) und der oberen Extremität (UE) umfasst. Der Zweck dieses Manuskripts war zweifach. Zunächst beschreiben wir das Administrationsprotokoll für das überarbeitete DTS, das wir überarbeitet haben, um die Einschränkungen des ursprünglichen DTS zu beheben. Insbesondere umfassten die Revisionen Ergänzungen von intelligenten Geräten, um detailliertere Gangdaten zu erfassen und die Einbeziehung einzelner kognitiver Bedingungen, um auf gestörte kognitive Leistung unter dualen Aufgabenbedingungen zu testen. Wichtig ist, dass das überarbeitete DTS eine Maßnahme für die zukünftige klinische Anwendung ist, und wir präsentieren repräsentative Ergebnisse von drei männlichen Athleten, um die Art der klinischen Daten zu veranschaulichen, die aus der Maßnahme gewonnen werden können. Wichtig ist, dass wir die Empfindlichkeit und Spezifität des überarbeiteten DTS bei Sportlern mit mTBI, der nächsten Forschungsinitiative, noch nicht bewerten müssen. Der zweite Zweck dieses Manuskripts ist es, eine neuroimaging-kompatible Version des DTS zu beschreiben. Wir haben diese Version entwickelt, damit wir die neuronalen Grundlagen der Leistung einzelner und dualer Aufgaben bewerten können, um ein besseres empirisches Verständnis der mit mTBI verbundenen Verhaltensdefizite zu erhalten. So beschreibt dieses Manuskript auch die Schritte, die wir unternommen haben, um die simultane funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) während des DTS zu ermöglichen, zusammen mit der Art und Weise, wie wir die erste Verarbeitung der fNIRS-Daten erworben und abgeschlossen haben.
Introduction
Jedes Jahr erleiden 42 Millionen Menschen weltweit leichte traumatische Hirnverletzungen (mTBIs)1. Obwohl sie einst als gutartig galten, deuten neue Forschungsergebnisse darauf hin, dass mTBIs,insbesondere wiederholte mTBIs, dauerhafte negative Folgen wie körperliche, kognitive und Schlafstörungen 2,3,4. Anschließend suchen Forscher und Kliniker nach verstärkten Auswertungen und Behandlungsmethoden, um mTBI zu verstehen und zu adressieren.
Bis heute umfasst die beste Praxis für die mTBI-Bewertung selbst gemeldete Symptome und objektive Messung der neurokognitiven und motorischen Funktion5. Jedoch, einige Personen, wie wettbewerbsfähige College-Level-Athleten, sind dafür bekannt, mTBI-bezogene Symptome6zu unterschätzen, die den Nutzen von Symptomberichten einschränken. Objektive neurokognitive und motorische Funktionsmaßnahmen haben auch Einschränkungen, einschließlich schlechter Test-Retest-Zuverlässigkeit, Abhängigkeit von Basistests oder unzureichende Schwierigkeiten für leistungsstarke Athleten7,8,9. Dual-Task-Paradigmen – die gleichzeitig motorische und kognitive Fähigkeiten bewerten – können jedoch subtile Restbeeinträchtigungen erkennen und können besonders nützlich für die Bewertung leistungsstarker Athleten10,11,12,13,14sein.
Frühere Forschungen mit Dual-Task-Paradigmen haben oft umständliche, teure Laborgeräte wie Motion Capture-Systeme14integriert, um leistungsstarke Athleten zu bewerten. Während diese Systeme subtile motorische Beeinträchtigungen genau messen können, sind sie für den Einsatz in der täglichen mTBI-Bewertung aufgrund hoher Ausrüstungskosten, begrenzter Portabilität und langer Administrationszeiten (d. h. ≥ 45 Minuten pro Person) nicht praktikabel. Darüber hinaus konzentrierten sich viele vergangene Dual-Task-Paradigmenstudien ausschließlich auf Fähigkeiten im unteren Körper oder unterder Extremität, wie Gleichgewicht oder Gang11,12,13,14. Vermutlich ist die Funktion der oberen Extremität und die Hand-Augen-Koordination auch für leistungsstarke Athleten in vielen Sportarten wichtig. So haben wir den Dual Task Screen (DTS) entwickelt, eine kurze Maßnahme, die in <10 Minuten mit tragbaren, kostengünstigen Instrumenten verwaltet und bewertet werden kann. Diese ursprüngliche DTS beinhaltete eine Unteraufgabe der unteren Extremität (LE) und der oberen Extremität (UE), die die Ganggeschwindigkeit (mit Hilfe einer Stoppuhr) und die Hand-Augen-Koordination unter Einzelmotor- und Dual-Task-Bedingungen15bewertete.
In der ersten Machbarkeitsstudie schlossen 32 gesunde, weibliche Jugendliche das ursprüngliche DTS ab. Diese Studie wurde entwickelt, um festzustellen, dass der DTS Dual-Task-Motorkosten verursachen kann, wie durch reduzierte Motorleistung während der Dual-Task-Situation im Vergleich zu Einzelmotor-Bedingungen angezeigt wird. Wir wollten auch feststellen, dass das DTS in weniger als 10 Minuten verwaltet und bewertet werden kann. Wir stellten fest, dass alle Teilnehmer bei mindestens einer Teilaufgabe eine schlechtere Motorleistung mit zwei Aufgaben hatten. Zusätzlich konnten wir das DTS in durchschnittlich 5,63 Minuten verwalten und den Test in 2-3 Minuten15punkten.
Obwohl die erste Machbarkeitsstudie erfolgreich war, wurden einige Einschränkungen aufgedeckt. Vor allem wurde die Ganggeschwindigkeit mit Stoppuhren gemessen, die anfällig für natürliches menschliches Versagen sind. Daher haben wir in der überarbeiteten DTS intelligente Geräte mit eingebauten Beschleunigungsmessern (Tabelle der Materialien) auf jedem Knöchel verwendet. Diese Ergänzung hielt den Einsatz von tragbaren, kostengünstigen Instrumenten bei und bot dennoch ausgeklügelte Messgrößen für die Ganggeschwindigkeit, die Gesamtzahl der Schritte, die durchschnittliche Schrittlänge, die durchschnittliche Schrittdauer und die Variation der Schrittdauer. Eine weitere Einschränkung des ursprünglichen DTS war das Fehlen einzelner kognitiver Bedingungen, die die Bewertung der kognitiven Kosten dualer Aufgaben verhinderten. Dual-Task kognitive Kosten werden definiert als schlechtere kognitive Leistung während der dualen Aufgabe vs. einzelne kognitive Bedingung. Anschließend haben wir sowohl für die LE- als auch für die UE-Unteraufgaben eine einzige kognitive Erkrankung hinzugefügt (im Protokoll beschrieben).
Neben der Entwicklung einer Maßnahme für den zukünftigen klinischen Einsatz ist eines der langfristigen Ziele des Teams, die neuronalen Grundlagen der Einzel- und Dual-Task-Leistung bei gesunden Athleten zu bewerten und diese Erkenntnisse Athleten mit sportinduziertem mTBI zu vergleichen. So haben wir eine neuroimaging-kompatible Version des DTS erstellt. Wir versuchen festzustellen, ob das DTS erfolgreich für den Einsatz bei der gleichzeitigen funktionalen Nahinfrarot-Spektroskopie (fNIRS) modifiziert werden kann, und wir verwenden ein mobiles fNIRS-Gerät, das speziell für die Aufnahme von Grobmotorbewegungen entwickelt wurde, indem der Einfluss von Bewegungsartefakten reduziert wird. Darüber hinaus hat dieses Gerät die größte Menge an Kopfabdeckung, nach unserem Wissen, für mobile Geräte, die derzeit für Forschungszwecke zur Verfügung stehen (Tabelle der Materialien).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Studienprotokoll folgendes tun soll:
- Beschreiben Sie das Administrationsprotokoll für den überarbeiteten Dual Task Screen (DTS), eine Maßnahme, die wir überarbeitet haben, um die Einschränkungen des ursprünglichen DTS15 und eine Maßnahme für die zukünftige klinische Anwendung zu beheben.
- Beschreiben Sie das Forschungsprotokoll für den neuroimaging-kompatiblen Dual Task Screen (DTS), das wir entwickelt haben, um die neuronalen Grundlagen der Leistung einzelner und dualer Aufgaben zu bewerten.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem Manuskript haben wir das Administrationsprotokoll für den neu überarbeiteten Dual Task Screen (DTS) beschrieben. Diese Revisionen wurden abgeschlossen, um die im ursprünglichen DTS15 identifizierten Einschränkungen zu beheben und beinhalteten die Hinzufügung einzelner kognitiver Bedingungen, um auf kognitive Kosten für duale Aufgaben zu testen. Es beinhaltete auch intelligente Geräte-basierte Beschleunigung, um die Gangeigenschaften genauer zu messen. Wir haben repräsentative Erg…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir möchten Frau Isabelle Booth danken, eine Colorado State University ehrt Studenten, die bei der Analyse von Beschleunigungsdaten geholfen haben. Wir möchten auch die Finanzierung von NIH K12 HD055931 und K01 HD096047-02 an Autor J.S. anerkennen.
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) |
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| 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) |
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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).
