Çift Görev Ekranının Gözden Geçirilmiş ve Nörogörünti Uyumlu Sürümleri
Summary
Orijinal Çift Görev Ekranı’nı (DTS), spor kaynaklı hafif travmatik beyin hasarı olan sporcuları değerlendirebilen taşınabilir, düşük maliyetli bir önlem olarak geliştirdik. Gelecekteki klinik kullanım için orijinal DTS’yi revize ettik ve tek ve çift görev performansının sinirsel temellerini ölçmek için DTS’nin nörogörüntüleme uyumlu bir versiyonunu geliştirdik.
Abstract
Çift görev paradigmaları aynı anda motor ve bilişsel yetenekleri değerlendirir ve son hafif travmatik beyin hasarı (mTBI) olan sporcularda ince, artık bozuklukları tespit edebilir. Bununla birlikte, geçmiş çift görev paradigmaları sadece daha düşük ekstremite becerilerine odaklanmıştır ve hantal, pahalı laboratuvar ekipmanlarına güvenmektedir – böylece günlük mTBI değerlendirmesi için pratikliklerini sınırlamıştır. Daha sonra, yönetmek ve puanlamak için <10 dakika süren, düşük maliyetli taşınabilir ekipman kullanan ve daha düşük ekstremite (LE) ve üst ekstremite (UE) alt görevleri içeren Çift Görev Ekranı'nı (DTS) geliştirdik. Bu müsveddenin amacı iki yönlüydü. İlk olarak, orijinal DTS'nin sınırlamalarını ele almak için revize ettiğimiz revize edilmiş DTS için yönetim protokolünü açıklıyoruz. Özellikle, revizyonlar daha ayrıntılı yürüyüş verileri elde etmek için akıllı cihazların eklenmesini ve çift görev koşulu altında bozulan bilişsel performansı test etmek için tek bilişsel koşulların dahil edilmesini içeriyordu. Daha da önemlisi, revize edilmiş DTS gelecekteki klinik kullanıma yönelik bir önlemdir ve üç erkek sporcunun, ölçümden elde edilebilecek klinik verilerin türünü göstermek için temsili sonuçlar sunuyoruz. Daha da önemlisi, revize edilen DTS'nin bir sonraki araştırma girişimi olan mTBI'li sporculardaki hassasiyetini ve özgüllüğünü henüz değerlendiremedik. Bu makalenin ikinci amacı DTS'nin nörogörünti uyumlu bir versiyonunu tanımlamaktır. Bu sürümü, mTBI ile ilişkili davranışsal açıkların daha iyi ampirik bir şekilde anlaşılması için tek ve çift görev performansının sinirsel temellerini değerlendirebilmek için geliştirdik. Bu nedenle, bu makale ayrıca DTS sırasında eşzamanlı fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) ölçümünü sağlamak için attığımız adımları ve fNIRS verilerinin birinci düzey işlenmesini nasıl elde ettiğimizi ve tamamladığımızı açıklar.
Introduction
Her yıl, dünya çapında 42 milyon kişi hafif travmatik beyin yaralanmaları (mTBI’ler)1. Bir zamanlar iyi huylu olarak kabul edilse de, yeni araştırmalar mTBI’lerin, özellikle tekrar eden mTBI’lerin, fiziksel, bilişsel ve uyku bozuklukları gibi kalıcı olumsuz sonuçlar doğurabileceğini göstermektedir2,3,4. Daha sonra, araştırmacılar ve klinisyenler mTBI’yi anlamak ve ele almak için gelişmiş değerlendirmeler ve tedavi yöntemleri aramaktadır.
Bugüne kadar, mTBI değerlendirmesi için en iyi uygulama, nörokaraknitif ve motor fonksiyonun kendi kendine bildirilen semptomları ve objektif ölçümünü içerir5. Bununla birlikte, rekabetçi üniversite düzeyindeki sporcular gibi bazı bireylerin mTBI ile ilgili semptomları eksik bildirdiği bilinmektedir6Semptom raporlarının yararını sınırlayan. Objektif nörokrenişsel ve motor fonksiyon önlemleri, zayıf test-yeniden test güvenilirliği, temel testlere güvenme veya yüksek performanslı sporcular için yetersiz zorluk dahil olmak üzere sınırlamalara sahiptir7,8,9. Bununla birlikte, motor ve bilişsel yetenekleri aynı anda değerlendiren ikili görev paradigmaları ince, artık bozuklukları tespit edebilir ve özellikle yüksek performanslı sporcuları değerlendirmek için yararlı olabilir10,11,12,13,14.
Çift görev paradigması kullanarak yapılan geçmiş araştırmalar, yüksek performanslı sporcuları değerlendirmek için genellikle hareket yakalama sistemleri14gibi hantal, pahalı laboratuvar ekipmanlarını içermektedir. Bu sistemler ince motor bozukluklarını doğru bir şekilde ölçebilse de, yüksek ekipman maliyeti, sınırlı taşınabilirlik ve uzun yönetim süreleri (yani, kişi başına 45 dakika ≥) nedeniyle günlük mTBI değerlendirmesinde kullanım için pratik değildir. Ayrıca, geçmişteki birçok çift görev paradigması çalışması, yalnızca denge veya yürüyüş11 , 12 , 13,14gibi alt gövde veya daha düşük ekstremitebecerilerineodaklanmıştır. Tartışmalı olarak, üst ekstremite fonksiyonu ve el-göz koordinasyonu birçok sporda yüksek performanslı sporcular için de önemlidir. Böylece taşınabilir, düşük maliyetli aletlerle <10 dakikada yönetilmek ve puanlamak üzere tasarlanmış kısa bir önlem olan Çift Görev Ekranı'nı (DTS) geliştirdik. Bu orijinal DTS, yürüyüş hızını (kronometre kullanarak) ve el-göz koordinasyonunu tek motor ve çift görev koşulları altında değerlendiren daha düşük ekstremite (LE) ve üst ekstremite (UE) alt görevini içeriyordu15.
İlk fizibilite çalışmasında 32 sağlıklı, kadın ergen katılımcısı orijinal DTS’yi tamamladı. Bu çalışma, DTS’nin çift görev sırasında tek motor koşullarına kıyasla daha düşük motor performansı ile belirtildiği gibi çift görev motor maliyeti ortaya çıkarmak için tasarlanmıştır. Ayrıca DTS’nin 10 dakikadan daha kısa bir sürede uygulanabileceğini ve puanlanabileceğini tespit etmeye çalıştık. Tüm katılımcıların en az bir alt görevde daha zayıf çift görev motoru performansına sahip olduğunu gördük. Ayrıca, DTS’yi ortalama 5.63 dakikada uygulayabildik ve testi 2-3 dakika15.
İlk fizibilite çalışması başarılı olmasına rağmen birkaç sınırlama ortaya kondu. En önemlisi, yürüyüş hızı doğal insan hatasına eğilimli kronometrelerle ölçüldü. Bu nedenle, revize edilmiş DTS’de her ayak bileğinde yerleşik ivmeölçerler (Malzeme Tablosu) bulunan akıllı cihazlar kullandık. Bu ekleme, taşınabilir, düşük maliyetli cihazların kullanımını korurken, yürüyüş hızı, toplam adım sayısı, ortalama adım uzunluğu, ortalama adım süresi ve adım süresi değişkenliği gibi gelişmiş önlemler sağlamaya devam etti. Orijinal DTS’nin bir başka sınırlaması, çift görev bilişsel maliyetlerinin değerlendirilmesini engelleyen tek bilişsel koşulların olmamasıydı. Çift görev bilişsel maliyetleri, çift görev sırasında tek bilişsel duruma karşı daha düşük bilişsel performans olarak tanımlanır. Daha sonra, hem LE hem de UE alt görevleri için tek bir bilişsel durum ekledik (Protokol’de açıklanmıştır).
Gelecekteki klinik kullanım için bir önlem geliştirmenin yanı sıra, ekibin uzun vadeli hedeflerinden biri, sağlıklı sporcularda tek ve çift görev performansının sinirsel temellerini değerlendirmek ve bu bulguları spor kaynaklı mTBI ile sporcularla karşılaştırmaktır. Böylece, DTS’nin nörogörünti uyumlu bir versiyonunu oluşturduk. DTS’nin eşzamanlı fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) ölçümü ile kullanılmak üzere başarıyla değiştirilip değiştirilemeyeceğine karar vermeye çalışıyoruz ve hareket yapıtlarının etkisini azaltarak brüt motor hareketini karşılamak için özel olarak tasarlanmış bir mobil fNIRS cihazı kullanıyoruz. Ayrıca, bu cihaz, şu anda araştırma amacıyla kullanılabilen mobil cihazlar için bilgimize göre en fazla kafakapsamınasahiptir ( Malzeme Tablosu ).
Özetle, çalışma protokolü aşağıdakileri yapmak için tasarlanmıştır:
- Orijinal DTS15’in sınırlamalarını ve gelecekteki klinik kullanıma yönelik bir önlemi ele almak için yeniden tasarladığımız bir önlem olan gözden geçirilmiş Çift Görev Ekranı (DTS) için yönetim protokolünü açıklayın.
- Tek ve çift görev performansının sinirsel temellerini değerlendirmek için tasarladığımız nörogörüntür uyumlu Çift Görev Ekranı (DTS) için araştırma protokolünü açıklayın.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yazıda, yeni revize edilmiş Çift Görev Ekranı (DTS) için yönetim protokolünü açıkladık. Bu revizyonlar, orijinal DTS15’te tanımlanan sınırlamaları ele almak için tamamlandı ve çift görev bilişsel maliyetlerini test etmek için tek bilişsel koşulların eklenmesini içeriyordu. Ayrıca yürüyüş özelliklerini daha hassas bir şekilde ölçmek için akıllı cihaz tabanlı ivmeölçeti içeriyordu. DTS ile elde edilebilen klinik verilerin türünü gösteren temsili sonu?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Accelerometry veri analizine yardımcı olan Colorado Eyalet Üniversitesi onur öğrencisi Bayan Isabelle Booth’a teşekkür ederiz. Ayrıca, yazar J.S.’ye verilen NIH K12 HD055931 ve K01 HD096047-02’den gelen finansmanı da kabul etmek istiyoruz.
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 |
Referências
- 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).
