إصدارات منقحة ومتوافقة مع الإصدارات العصبية من شاشة المهام المزدوجة
Summary
قمنا بتطوير الشاشة المهمة المزدوجة الأصلية (DTS) كإجراء محمول ومنخفض التكلفة يمكنه تقييم الرياضيين الذين يعانون من إصابة خفيفة في الدماغ تسبب الرياضة. قمنا بمراجعة DTS الأصلي للاستخدام السريري في المستقبل ووضعنا نسخة متوافقة مع التصوير العصبي من DTS لقياس الأسس العصبية لأداء المهمة الفردية وثنائية.
Abstract
نماذج مهمة مزدوجة في وقت واحد تقييم القدرات الحركية والمعرفية, وأنها يمكن الكشف عن خفية, الإعاقات المتبقية في الرياضيين الذين يعانون من إصابات الدماغ الرضية خفيفة مؤخرا (mTBI). ومع ذلك، ركزت نماذج المهام المزدوجة السابقة فقط على مهارات الطرف السفلي واعتمدت على معدات مختبرية مرهقة ومكلفة – مما يحد من قدرتها العملية في تقييم mTBI اليومي. بعد ذلك، قمنا بتطوير شاشة المهام المزدوجة (DTS)، والتي تستغرق < 10 دقائق لإدارة وتسجيل، وتستخدم معدات محمولة منخفضة التكلفة، وتشمل المهام الفرعية الطرف السفلي (LE) والأطراف العليا (UE). وكان الغرض من هذه المخطوطة شقين. أولاً، نحن نُصف بروتوكول إدارة DTS المنقحة، والتي قمنا بتنقيحها لمعالجة قيود DTS الأصلي. وعلى وجه التحديد، شملت التنقيحات إضافات للأجهزة الذكية للحصول على بيانات مشية أكثر تفصيلاً وإدراج ظروف إدراكية واحدة لاختبار الأداء المعرفي المعطل في ظل ظروف المهام المزدوجة. الأهم من ذلك، DTS المنقحة هو مقياس مخصص للاستخدام السريري في المستقبل، ونحن نقدم نتائج تمثيلية من ثلاثة رياضيين الذكور لتوضيح نوع البيانات السريرية التي يمكن الحصول عليها من هذا التدبير. الأهم من ذلك، لدينا حتى الآن لتقييم حساسية وخصوصية DTS المنقحة في الرياضيين مع mTBI، وهي مبادرة البحث المقبل. الغرض الثاني من هذه المخطوطة هو وصف نسخة متوافقة مع التصوير العصبي من DTS. لقد طورنا هذا الإصدار حتى نتمكن من تقييم الأسس العصبية لأداء المهمة الفردية و المزدوجة ، لفهم تجريبي أفضل للعجز السلوكي المرتبط بالمتBI. وهكذا، تصف هذه المخطوطة أيضا الخطوات التي اتخذناها لتمكين إجراء قياس متزامنة للطيفية الوظيفية القريبة من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) خلال نظام DTS، إلى جانب كيفية حصولنا على معالجة المستوى الأول لبيانات الـ fNIRS وأكملناها.
Introduction
في كل عام، 42 مليون شخص في جميع أنحاء العالم يعانون من إصابات الدماغ الرضحية خفيفة (mTBIs)1. على الرغم من أن مرة واحدة تعتبر حميدة، تشير الأبحاث الجديدة إلى أن mTBIs، ولا سيما تكرار mTBIs، يمكن أن تثير عواقب سلبية دائمة، مثل الاضطرابات الجسدية والمعرفية والنوم2،3،4. وفي وقت لاحق، يسعى الباحثون والأطباء إلى تحسين التقييمات وطرق العلاج لفهم ومعالجة mTBI.
حتى الآن، أفضل الممارسات لتقييم mTBI تشمل الأعراض المبلغ عنها ذاتيا والقياس الموضوعي للدالة العصبية الحركيةوالحركية 5. ومع ذلك, بعض الأفراد, مثل الرياضيين على مستوى جماعية تنافسية, ومن المعروف أن نقص التقارير الأعراض المتعلقة mTBI6, الحد من فائدة تقارير الأعراض. إن مقاييس الوظائف العصبية والحركية الموضوعية لها أيضاً حدود، بما في ذلك ضعف موثوقية الاختبار، والاعتماد على اختبار خط الأساس، أو صعوبة غير كافية للرياضيين عالية الأداء7و8و9. ومع ذلك، نماذج مهمة مزدوجة – التي في وقت واحد تقييم القدرات الحركية والمعرفية – يمكن الكشف عن ضعف خفية، المتبقية، ويمكن أن تكون مفيدة بشكل خاص لتقييم الرياضيين عالية الأداء10،11،12،13،14.
وقد أدرجت البحوث السابقة باستخدام نماذج مهمة مزدوجة في كثير من الأحيان مرهقة، معدات مختبر مكلفة، مثل نظم التقاط الحركة14،لتقييم الرياضيين عالية الأداء. في حين أن هذه الأنظمة يمكن أن تقيس بدقة الإعاقات الحركية الدقيقة ، فهي غير عملية للاستخدام في تقييم mTBI اليومي بسبب ارتفاع تكلفة المعدات ، ومحدودية قابلية النقل ، وأوقات الإدارة الطويلة (أي ≥ 45 دقيقة لكل فرد). وعلاوة على ذلك، ركزت العديد من الدراسات السابقة نموذج مهمة مزدوجة فقط على الجزء السفلي من الجسم أو مهارات الطرف السفلي، مثل التوازن أو مشية11،12،13،14. يمكن القول، وظيفة الطرف العلوي والتنسيق بين اليد والعين مهم أيضا للرياضيين عالية الأداء في العديد من الألعاب الرياضية. وهكذا، قمنا بتطوير شاشة المهام المزدوجة (DTS)، وهو مقياس مختصر تم تصميمه ليدار ويسجل في < 10 دقائق مع أدوات محمولة ومنخفضة التكلفة. وشملت هذه DTS الأصلي الطرف السفلي (جنيه) والأطراف العليا (UE) المهمة الفرعية، التي قيمت سرعة المشي (باستخدام ساعة توقيت) والتنسيق بين اليد والعين في ظل ظروف مهمة المحرك المزدوج واحد15.
في دراسة الجدوى الأولى، أكملت 32 من المشاركات المراهقات الأصحاء الدراسة الصحية للنساء المراهقات. وقد صممت هذه الدراسة لإثبات أن DTS يمكن أن تثير تكاليف محرك المهمة المزدوجة، كما هو مبين من قبل انخفاض أداء المحركات أثناء المهام المزدوجة مقابل ظروف المحرك واحد. كما سعينا إلى إثبات أن DTS يمكن أن تدار وسجل في أقل من 10 دقيقة. وجدنا أن جميع المشاركين لديهم ضعف الأداء الآلي المزدوج للمهم على الأقل مهمة فرعية واحدة. بالإضافة إلى ذلك، كنا قادرين على إدارة DTS في متوسط 5.63 دقيقة ويسجل الاختبار في 2-3 دقيقة15.
وعلى الرغم من نجاح دراسة الجدوى الأولى، فقد تم الكشف عن بعض القيود. وأبرزها، تم قياس سرعة المشي مع ساعات التوقف، والتي هي عرضة للخطأ البشري الطبيعي. لذلك، في DTS المنقحة استخدمنا الأجهزة الذكية مع المدمج في التسارع(جدول المواد)على كل الكاحل. حافظت هذه الإضافة على استخدام الأجهزة المحمولة منخفضة التكلفة مع توفير مقاييس متطورة لسرعة المشية ، والعدد الإجمالي للخطوات ، ومتوسط طول الخطوة ، ومتوسط مدة الخطوة ، وتقلب مدة الخطوة. وكان هناك قيد آخر من DTS الأصلي عدم وجود شروط معرفية واحدة، والتي حالت دون تقييم التكاليف المعرفية المهمة المزدوجة. يتم تعريف التكاليف المعرفية المهمة المزدوجة كما ضعف الأداء المعرفي خلال المهمة المزدوجة مقابل حالة إدراكية واحدة. في وقت لاحق، لكل من المهام الفرعية LE و UE، أضفنا حالة إدراكية واحدة (موضح في البروتوكول).
بالإضافة إلى وضع مقياس للاستخدام السريري في المستقبل، أحد أهداف الفريق على المدى الطويل هو تقييم الأسس العصبية لأداء المهمة الفردية ومزدوجة في الرياضيين الأصحاء وعلى النقيض من تلك النتائج للرياضيين الذين يعانون من mTBI الناجمة عن الرياضة. وهكذا، أنشأنا إصدار متوافق مع التصوير العصبي من DTS. نحن نسعى لتحديد ما إذا كان يمكن تعديل DTS بنجاح للاستخدام مع قياس الطيفي شبه الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) وظيفية متزامنة ، ونحن نستخدم جهاز fNIRS المحمول مصممة خصيصا لاستيعاب حركة المحرك الإجمالي عن طريق الحد من تأثير التحف الحركة. علاوة على ذلك، هذا الجهاز لديه أكبر قدر من تغطية الرأس، على حد علمنا، للأجهزة النقالة التي تتوفر حاليا لأغراض البحث (جدول المواد).
وباختصار، فإن بروتوكول الدراسة مصمم للقيام بما يلي:
- وصف بروتوكول الإدارة لشاشة المهام المزدوجة المنقحة (DTS)، وهو إجراء قمنا بإعادة تصميمه لمعالجة القيود المفروضة على DTS15 الأصلي ومقياس مخصص للاستخدام السريري في المستقبل.
- وصف بروتوكول البحث لشاشة المهام المزدوجة المتوافقة مع التصوير العصبي (DTS)، والتي قمنا بتصميمها لتقييم الأسس العصبية لأداء المهمة الفردية وثنائية.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه المخطوطة، وصفنا بروتوكول الإدارة لشاشة المهام المزدوجة التي تمت مراجعتها حديثًا (DTS). وقد تم استكمال هذه التنقيحات لمعالجة القيود المحددة في15 DTS الأصلي وشملت إضافة ظروف إدراكية واحدة لاختبار التكاليف الإدراكية للمهمة المزدوجة. كما تضمنت أيضًا قياس التسارع القائم على ا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونود أن نشكر السيدة إيزابيل بوث، وهي جامعة ولاية كولورادو، وهي تكرّم الطالب الذي ساعد في تحليل بيانات قياس التسارع. ونود أيضا أن نعترف بالتمويل من المعهد الوطني للصحة K12 HD055931 وK01 HD096047-02 صدر إلى الكاتب 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).
