デュアルタスク画面の改訂版およびニューロイメージング対応バージョン
Summary
スポーツによる軽度の外傷性脳損傷を持つ選手を評価できるポータブルで低コストの尺度として、オリジナルのデュアルタスクスクリーン(DTS)を開発しました。我々は、将来の臨床使用のために元のDTSを改訂し、単一および二重タスクのパフォーマンスの神経基盤を測定するために、DTSのニューロイメージング互換バージョンを開発しました。
Abstract
デュアルタスクパラダイムは同時に運動能力と認知能力を評価し、最近の軽度の外傷性脳損傷(mTBI)を持つ選手の微妙な残留障害を検出することができます。しかし、過去の二重タスクパラダイムは、下肢のスキルだけに焦点を当てており、面倒で高価な実験室機器に依存しており、日常的なmTBI評価の実用性を制限しています。その後、管理とスコア付けに<10分かかるデュアルタスクスクリーン(DTS)を開発し、低コストのポータブル機器を使用し、下肢(LE)と上肢(UE)サブタスクを含みます。この原稿の目的は二つあった。最初に、元の DTS の制限に対応するために改訂された、改訂された DTS の管理プロトコルについて説明します。具体的には、この改訂には、より詳細な歩行データを取得するためのスマートデバイスの追加と、二重タスク条件下での認知能力の中断をテストするための単一の認知条件の包含が含まれていました。重要なことに、改訂DTSは将来の臨床使用を目的とした尺度であり、3人の男性アスリートの代表的な結果を提示し、この指標から取得できる臨床データの種類を説明します。重要なことは、次の研究イニシアチブであるmTBIを用いたアスリートの改訂DTSの感度と特異性をまだ評価していない。この原稿の第二の目的は、DTSのニューロイメージング互換バージョンを記述することです。このバージョンを開発し、mTBIに関連する行動障害の経験的理解を深めるため、単一タスクとデュアルタスクのパフォーマンスの神経基盤を評価することができました。本稿では、DTS中の同時機能近赤外分光(fNIRS)測定を可能にするステップと、fNIRSデータの第1レベル処理の取得と完了の方法についても説明します。
Introduction
毎年、世界中で4,200万人が軽度の外傷性脳損傷(mTI)1を維持しています。かつては良性と考えられていたが、新しい研究は、mTIS、特に繰り返しmTIsが、身体的、認知的、および睡眠障害2、3、4などの永続的な否定的な結果を引き起こす可能性があることを示している。その後、研究者や臨床医は、mTBIを理解し、対処するための強化された評価と治療方法を求めています。
現在までに、mTBI評価のベストプラクティスには、自己報告された症状と神経認知機能および運動機能5の客観的測定が含まれる。しかし、競技大学レベルのアスリートのような一部の個人は、症状報告の有用性を制限するmTBI関連の症状6を過少報告することが知られている。客観的な神経認知および運動機能の尺度はまた、テスト再テストの信頼性の低下、ベースラインテストへの依存、または高性能アスリート7、8、9のための不十分な難易度を含む限界を有する。しかし、運動能力と認知能力を同時に評価する二重タスクパラダイムは、微妙な残留障害を検出することができ、特に高性能アスリート10、11、12、13、14を評価するのに役立つ可能性があります。
二重タスクパラダイムを用いた過去の研究では、モーションキャプチャシステム14などの煩雑で高価な実験装置を組み込み、高性能なアスリートを評価することが多かった。これらのシステムは微妙な運動障害を正確に測定できますが、高い設備コスト、限られた携帯性、および長い管理時間(すなわち、個人1人あたり45分 ≥)のために日常的なmTBI評価に使用することは現実的ではありません。また、過去の多くの二重タスクパラダイム研究は、バランスや歩行11、12、13、14などの下半身または下肢のスキルのみに焦点を当てた。間違いなく、上肢機能と手と目の協調は、多くのスポーツで高性能なアスリートにとっても重要です。このように、ポータブルで低コストの計測器を使用して<10分で管理および採点するように設計された簡単な尺度であるデュアルタスクスクリーン(DTS)を開発しました。この当初のDTSには、下肢(LE)および上肢(UE)サブタスクが含まれており、単一モータおよび二重タスク条件15の下で歩行速度(ストップウォッチを使用)および手と目の協調を評価した。
最初の実現可能性調査では、32人の健康な女性の思春期の参加者が元のDTSを完了しました。この研究は、DTSが二重タスクと単一のモータ条件の間にモーター性能を低下させることによって示されるように、二重タスクモータコストを引き出すことができることを確立するために設計されました。また、DTSを10分以内に管理し、得点できることを確認しようとしました。参加者全員が少なくとも1つのサブタスクで二重タスクモーターの性能が低下していることがわかりました。さらに、平均5.63分でDTSを管理し、2-3分15分でテストを採点することができました。
最初の実現可能性調査は成功したが、いくつかの制限が明らかになった。最も顕著なのは、歩行速度を、自然な人為的ミスを起こしやすいストップウォッチで測定したことです。したがって、改訂されたDTSでは、各足首に加速度計(材料表)を内蔵したスマートデバイスを使用しました。この追加は、歩行速度、ステップの合計数、平均ステップ長、平均ステップ時間、およびステップ期間の変動性の洗練された尺度を提供しながら、ポータブル、低コストの機器の使用を維持しました。元のDTSのもう一つの制限は、単一の認知状態の欠如でした, 二重タスク認知コストの評価を妨げました.二重タスク認知コストは、二重タスク対単一の認知状態の間に認知能力が悪いと定義されています。その後、LE と UE の両方のサブタスクに対して、単一の認知状態を追加しました (プロトコルで説明)。
将来の臨床使用のための尺度を開発することに加えて、チームの長期的な目標の1つは、健康なアスリートにおける単一および二重タスクのパフォーマンスの神経基盤を評価し、それらの知見をスポーツ誘発mTBIを持つ選手と対比することです。このように、我々は、DTSのニューロイメージング互換バージョンを作成しました。同時機能近赤外分光法(fNIRS)測定でDTSを正常に改変できるかどうかを判断し、モーションアーチファクトの影響を低減することで総運動の動きを収容するように特別に設計されたモバイルfNIRSデバイスを使用しています。さらに、このデバイスは、研究目的で現在利用可能なモバイルデバイスのために、私たちの知識に対して、ヘッドカバレッジの最大の量を持っています(資料表)。
要約すると、研究プロトコルは次のことを行うために設計されています。
- 元の DTS15 の制限と将来の臨床使用を目的としたメジャーに対処するために再設計されたメジャーである、改訂されたデュアル タスク画面 (DTS) の管理プロトコルについて説明します。
- 単一および二重タスクのパフォーマンスの神経基盤を評価するために設計された、神経イメージング互換デュアルタスクスクリーン(DTS)の研究プロトコルについて説明する。
Protocol
すべての研究手続きは、コロラド州立大学の制度審査委員会(IRB)によって承認され、すべての成人参加者は、任意の研究手順を完了する前に書面によるインフォームド・コンセントを提供しました。18歳未満の参加者の両親から書面によるインフォームド・コンセントが提供され、マイナーな参加者も研究手続きを完了する前に書面による同意を得た。 1. 二重タスク画面(DT…
Representative Results
参加者参加者は、口コミや広告チラシを使用して、地元の高校チームや大学の大学間大学やクラブスポーツチームから募集されました。参加者は15歳から22歳までの間で、組織的なコンタクトスポーツに定期的に参加する必要がありました。コンタクトスポーツには、日常的なプレー中にチームメイトや対戦相手との物理的な接触が必要なすべてのスポーツが含まれていました…
Discussion
本稿では、新たに改訂された二重タスク画面(DTS)の管理プロトコルについて述べた。これらの改訂は、元のDTS15で特定された制限に対処するために完了し、二重タスクの認知コストをテストするための単一の認知条件の追加が含まれていました。また、より正確に歩行特性を測定するためのスマートデバイスベースのaccelerometryも含まれていました。DTSで取得できる臨床デー?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
コロラド州立大学のアケロメトリーデータ分析を支援した学生、イザベル・ブースさんに感謝します。また、著者J.S.に発行されたNIH K12 HD055931とK01 HD096047-02からの資金提供を認めたい。
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) |
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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).
Cite This Article
Aumen, A. M., Oberg, K. J., Mingils, S. M., Berkner, C. B., Tracy, B. L., Stephens, J. A. Revised and Neuroimaging-Compatible Versions of the Dual Task Screen. J. Vis. Exp. (164), e61678, doi:10.3791/61678 (2020).