需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用

方法文章

利用功能磁共振成像与头颅撞击遥测系统对青少年运动相关脑震荡影响的研究

15.2K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/2226

⸱

2011年1月12日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Graduate Department of Rehabilitation Science, University of Toronto, 2Occupational Science and Occupational Therapy, University of Toronto, 3Department of Psychology, University of Toronto, 4Bloorview Kids Rehab, 5Toronto Rehab, 6Cognitive Neurology, Sunnybrook Health Sciences Centre, 7Faculty of Medicine, University of Toronto

本文内容

摘要

本文概述了一种针对青少年轻度创伤性脑损伤诊断与康复的多模态方法。该方法结合神经心理学测试、功能性磁共振成像以及头部撞击遥测系统，以监测在认知测试过程中头部撞击与脑活动之间的关系。

摘要

儿童参与体育运动时最常见的损伤之一是脑震荡或轻度创伤性脑损伤（mTBI）1。参与竞技冰球等有组织体育活动的儿童和青少年，发生严重脑震荡的风险几乎是参与其他休闲性体力活动儿童的六倍2。尽管儿童与成人轻度创伤性脑损伤后最常见的认知后遗症表现相似，但儿童的恢复过程及其后果的广泛性在很大程度上仍不明确2，受伤前特征（如性别）以及损伤细节（如撞击强度和方向）对长期预后的影响亦不清楚。竞技类体育项目（例如冰球）提供了一个难得的机会，可采用前后测设计，在脑震荡发生前获取青少年个体特征和功能状态的基线数据，并将其与伤后结局相关联。我们的主要目标是基于针对儿童和青少年的科学研究证据，优化儿科脑震荡的诊断与管理策略。为实现这一目标，我们采用新型、多模式且整合性的研究方法，这些方法将：


1. 评估青少年头部创伤的即时影响
2. 在恢复期间监测脑震荡后症状（PCS）的缓解情况及认知功能表现
3. 采用新方法验证脑损伤及其恢复过程

为实现研究目标，我们采用了头部冲击遥测系统（Head Impact Telemetry, HIT System）（Simbex；美国新罕布什尔州黎巴嫩）。该系统在市售的Easton S9冰球头盔（Easton-Bell Sports；美国加利福尼亚州范奈斯）上安装单轴加速度计，用于在接触性运动过程中实时测量头部加速度3 - 5。通过遥测技术，可客观检测并记录运动过程中所有头部撞击的加速度大小和位置。我们还采用功能磁共振成像（fMRI）来定位并评估执行认知任务时内侧颞叶和额叶区域神经活动的变化，因为这些脑区对脑震荡性头部损伤最为敏感6。最后，我们正在获取对脑白质损伤敏感的结构成像数据。

方案

1. 获取受试者的伤前神经心理学基线资料

  1. 在受试者到达测试前，确保所有设备正常运行并已准备好进行测试，且测试房间内无不必要的干扰因素。
  2. 在审查家长及受试者知情同意书后，测量并记录受试者的身高、体重和头围。
  3. 在受试者站立于测力台上的情况下，按以下顺序进行平衡评估：A1 — 站在测力台上，睁眼；A2 — 站在测力台上，闭眼；A3 — 站在测力台上并佩戴视觉冲突罩。
  4. 将AirexBalance垫放置在测力台上，并让受试者站在AirexBalance垫与测力台的组合表面上，重复进行平衡评估条件（A1-A3）。
  5. 测量并记录左右手的握力，并对左右手分别实施沟槽钉板测试。
  6. 在跳跃垫上进行跳跃测试，先从深蹲姿势开始，然后进行反向动作跳跃，每种姿势完成3次试验。
  7. 使用测力台和力量杆进行下肢最大自主收缩测试。
  8. 根据评估手册说明的顺序实施神经心理学测试组合：脑震荡后症状量表-修订版（Post-concussion Symptom Scale-Revised）；儿童情绪自评清单（Child Mood Checklist Self-Report）；滑铁卢利手问卷（Waterloo Handedness Questionnaire）；雷伊复杂图形测试：临摹试验（Rey Complex Figure Test: Copy Trial）；言语流畅性测试（Verbal Fluency Test）；雷伊复杂图形测试：即时回忆试验（Rey Complex Figure Test: Immediate Recall Trial）；言语工作记忆任务（Verbal Working Memory Task）；雷伊听觉言语学习测试（Rey Auditory Verbal Learning Test）；雷伊复杂图形测试：延迟回忆试验（Rey Complex Figure Test: Delayed Recall Trial）；雷伊复杂图形测试：再认试验（Rey Complex Figure Test: Recognition Trial）；斯特鲁普颜色与文字测试（Stroop Color and Word Test）；符号数字模态测试（Symbol Digits Modalities Test）；儿童彩色轨迹测试（Children's Color Trails Test）；视觉工作记忆任务（Visual Working Memory Task）；雷伊听觉言语学习测试：延迟回忆（Rey Auditory Verbal Learning Test: Delayed Recall）；雷伊听觉言语学习测试：再认试验（Rey Auditory Verbal Learning Test: Recognition Trial）；儿童节律听觉序列注意任务（Children's Paced Auditory Serial Attention Task）（见图1，展示言语和视觉工作记忆任务的示意图）。
  9. 根据相应测试手册的说明，对神经心理学测试进行评分。
  10. 将所有测试得分录入数据库。

2. 获取受试者的结构和功能 MRI 基线图像

  1. 在测试会话之前，通过电话进行 MRI 筛查访谈，以确保参与者能够安全地接受 MRI 检查。
  2. 参与者到达测试现场后，与其本人及其父母（或监护人）共同审阅知情同意书/知情同意声明，重复进行 MRI 筛查，并以适合年龄的方式详细介绍 MRI 设备及实验流程。询问参与者是否有任何疑问。
  3. 要求参与者取下所有金属首饰、配饰以及口袋中的物品。
  4. 向参与者演示如何使用 Lumitouch 按钮（一种仅含左右按键的 MRI 安全型“鼠标”）对工作记忆任务中呈现的刺激作出反应。
  5. 为参与者插入耳塞。
  6. 让参与者平躺在扫描仪床面上。
  7. 将头部置于头部线圈中，并使用泡沫垫和跨额固定带稳定头部。若参与者需要矫正镜片才能看清计算机屏幕，则为其配备具有合适度数的 MRI 兼容护目镜。
  8. 将扫描仪床面移入扫描仪内。
  9. 在扫描仪孔外放置视频屏幕，并调整参与者视线，使其可通过头部线圈上的反射镜看到工作记忆任务的投影内容。
  10. 采用带反转准备的三维扰相梯度回波（3D SPGR-IRprep）获取 T1 加权结构像（扫描参数的完整描述见表 1）。
  11. 实施工作记忆任务，并采用单次激发 T2*加权螺旋进出读出成像技术采集功能 MRI 图像7。
  12. 获取 FLAIR 图像。
  13. 使用 ASSET 技术，通过双回波快速自旋回波（2D-FSE-XL）获取质子密度（PD）/T2 加权图像。若在 FLAIR 图像上观察到白质高信号，则关闭 ASSET。
  14. 采用梯度回波（GRE）获取 T2*加权结构像。
  15. 采用单次激发平面回波成像结合双自旋回波技术，获取 2 套扩散张量成像（DTI）数据集（若时间允许，则获取 3 套）。
  16. 将参与者从扫描仪中移出。

3. 使用头颅撞击遥测（HIT）系统记录头部受击的力和方向

  1. 为受试者正确佩戴冰球头盔。
  2. 从头盔中取出电池并充满电后，重新装回头盔。
  3. 在采集比赛数据前，确保头盔和 HIT 系统分别能够正常发送和接收数据。
  4. 在比赛过程中采集数据，记录每节冰球比赛的开始和结束时间。
  5. 通过网络连接，使用同步机制将数据发送至 Simbex 进行处理。

4. 进行创伤性脑损伤后神经心理学随访测试

  1. 在收到损伤报告的当天，与家长共同填写《击打损伤报告表》，以获取有关损伤的临床和功能详细信息。
  2. 向受试者施测PCS-R量表，并确定当前症状的严重程度。
  3. 损伤后约第1天：施测PCS-R量表。如果症状未缓解（即未恢复至基线水平），则不进行完整的神经心理学测验组合。
  4. 若受试者的症状允许，完成平衡功能评估（参见1.3和1.4）和跳跃测试（参见1.6）。
  5. 若受试者的症状允许，进行下肢最大自主收缩力测试（参见1.7）。
  6. 在完成体能测试后，若受试者的症状允许，进行言语和视觉工作记忆任务测试。
  7. 按照表2中列出的时间表，持续施测PCS-R量表，直至症状完全缓解（即恢复至基线水平）。
  8. 损伤后约第5天：施测PCS-R量表。若症状仍未缓解，则重复上述测试流程（参见4.3至4.6）。
  9. 若损伤后7天症状仍未缓解，则每周继续施测PCS-R量表，直至症状缓解。
  10. 对于症状已缓解的受试者，重复步骤1.2至1.9。
  11. 进入结构和功能磁共振成像（MRI）随访扫描阶段（参见第5节）。

5. 获取轻度创伤性脑损伤后随访的结构与功能磁共振成像

  1. 在受伤后72小时内安排受试者进行首次随访扫描检查。
  2. 重复上述步骤2.2–2.16。
  3. 如果在首次随访扫描时症状仍未缓解，应在症状缓解后安排第二次随访扫描检查，并重复上述步骤2.2–2.16。

6. 进行匹配对照受试者的神经心理学随访测试

  1. 检查实验中所有受试者的年龄（即年和月），并根据轻度创伤性脑损伤（mTBI）受试者所在日历年份内出生日期相差不超过3个月的条件，生成一份潜在的年龄和性别匹配的对照受试者名单。
  2. 联系对照受试者并安排测试会话。
  3. 针对匹配的mTBI受试者，复制其随访测试的时间点和次数的测试方案。按指示重复上述步骤1.2–1.16。例如，若mTBI受试者的症状在24小时内消失，且仅完成了一次包含完整神经心理学测验量表的随访测试，则对照受试者也应执行相同的测试方案。
  4. 进入结构和功能磁共振成像（MRI）的随访扫描环节（参见第7节）。

7. 获取结构和功能磁共振成像匹配的对照受试者图像

  1. 重复上述步骤 2.2–2.16。
  2. 如果对照受试者与完成两次随访扫描会话（由于症状未缓解）的轻度创伤性脑损伤（mTBI）受试者相匹配，则应安排第二次测试会话，使两次会话之间的时间间隔（即天数）相匹配，并重复上述步骤 2.2–2.16。

8. 数据分析

  1. 根据HIT系统获取的每位球员头部受击的强度和次数，计算每位球员每场比赛标准化后的描述性统计量（均值和标准差）。
  2. 计算所有轻度创伤性脑损伤（mTBI）患者及匹配对照受试者各项神经心理学测试得分相对于基线的变化分数。
  3. 采用配对样本t检验，以组别为被试间因素（即mTBI组与对照组），以神经心理学测试表现的变化为因变量，分析mTBI对神经心理功能的影响。
  4. 利用临床PD/T2加权图像集生成全脑体积测量指标，以评估mTBI发生后即刻的脑部整体肿胀情况。
  5. 对于每位mTBI受试者，使用T1加权图像通过两种互补的非线性形变场计算方法，评估局部组织体积的焦点性变化。首先，将基线扫描图像与每次随访扫描图像进行配准；其次，计算连续扫描对之间的形变，以捕捉短期的扫描间差异。
  6. 在计算扩散张量参数之前，对DTI数据进行涡流伪影和头动校正，并重新定向梯度方向。对于mTBI与非mTBI组间研究，采用牛津研究团队近期提出的基于纤维束的空间统计（TBSS）方法8。
  7. 在FLAIR图像上识别任何白质高信号区域，并在GRE图像上识别微出血灶，以区分外观正常的白质区域与mTBI后受损区域9。利用这些位置提取基于DTI的定量指标（分数各向异性FA、平均扩散率D和径向扩散率DR）。
  8. 在DTI分析中，使用多变量偏最小二乘法（PLS）10 - 13，将TBSS体素值与HIT系统的遥测数据（即头部受击的强度和次数）进行相关性分析。偏最小二乘法（PLS）是一种多变量分析技术，可用于识别随实验条件或行为变化的全脑活动模式。
  9. 对fMRI图像进行预处理：首先将各时间点图像空间共配准至首次扫描运行中的早期标志体积，以校正头动，随后进行三维傅里叶变换插值。
  10. 使用12参数仿射变换和sinc插值，将头动校正后的图像空间标准化至本机构自建的fMRI螺旋模板，并采用全宽半高为6 mm的高斯滤波器进行平滑处理，以提高信噪比。
  11. 去除每次扫描运行中的前五个图像体积，以排除脑组织磁化未达稳态时产生的瞬态信号变化。
  12. 使用统计参数映射软件SPM2进行单变量分析，将标识每个事件起始时间的向量与血流动力学响应函数（HRF）进行卷积，并纳入体素水平的多元线性回归模型中14。
  13. 计算各协变量的参数估计值，反映每种事件类型相对于基线的BOLD信号变化。
  14. 使用体素水平的t统计量进行对比分析，比较不同任务（如工作记忆任务与对照任务）和不同组别（如mTBI组与对照组）中脑区活动的差异。
  15. 将HIT系统数据（即每位球员头部受击的平均强度）与结构和功能神经影像数据相结合。为评估这些相互关系，采用PLS分析方法。
  16. 利用每位球员头部受击的平均强度进行行为PLS分析，以探究该平均强度与工作记忆任务执行过程中脑活动模式差异之间的关联。

9. 代表性结果

头部撞击遥测系统

表3展示了图2中相应冲击的定量数据。线性加速度峰值是指冲击过程中运动员头部的最大线性加速度，单位为g。g是海平面处的重力加速度（9.8米每二次方秒）。旋转加速度峰值是指冲击过程中运动员头部的最大旋转加速度，单位为弧度每二次方秒。方位角是冲击位置的度量指标，定义范围为-180°至180°，其中0°位于头部后方，正值方位角位于头部右侧。仰角是另一个冲击位置的度量指标，定义范围为0°（通过头部重心的水平面）至90°（头部顶部）。

功能磁共振成像

图3展示了a）症状消退的脑震荡运动员和b）症状未消退的脑震荡运动员的系列功能性磁共振成像（fMRI）结果。注意：仅在症状消退的运动员中，可明显观察到额叶区域与任务相关的大脑活动。

工作记忆与基线任务示意图，言语和抽象设计条件，时间和延迟线索。
图 1. 外部有序工作记忆任务的示意图。

使用三维建模进行头部撞击模拟示意图；头部周围力矢量的分析。
图2. HIT系统数据界面示例，显示方向矢量，指示表3中描述的六次撞击位置。Simbex 2006。

脑部MRI扫描；ΔBOLD图；不同PCS结局；左右DLPC比较；神经学研究结果
图3. 脑震荡运动员的系列fMRI结果，a）症状已缓解者，b）症状未缓解者。PCS=脑震荡后症状；n=受试者数量；▲BOLD=血氧水平依赖信号的变化；DLPC=背外侧前额叶皮层。

扫描类型序列TE/TR/TI/FA1矩阵/ 视野(cm)²激发次数3层厚/层数其他扫描时间
T1加权三维扰相梯度回波加反转准备（SPGR-IRprep）5.9/1.3/300/20256 160/2221.4/128 7:30
质子密度/T2加权双回波快速自旋回波（FSE）20,102/2.9s/256 192/2223/48交错采集12:00
FLAIRFSE-IRprep140/9.3s/2.2s/256 192/2213/48 4:12
弥散张量成像单次激发平面回波成像，采用双自旋回波最小值/~9s/128 128/3322.6/50+b值：1000 s/mm²
梯度方向数：23
B0：2
外周门控		6:30
T2*梯度回波20/350/ /20256 192/2213/48交错采集4:30
fMRI单次激发T2*，螺旋进出读出30/2s/ /7064 64/20 5/26外周监测：呼吸、心电12:00-15:00
qT2Poon & Henkleman10/2500/128 128/2444/1 21:00
      总计70:42

表1. 3T临床和功能磁共振序列扫描参数的详细信息。

1 TE（回波时间）；TR（重复时间）；TI（反转时间）；FA（翻转角）
2 FOV（视野）
3 NEX（激发次数）

时间脑震荡后症状量表 (PCS)工作
记忆
任务		平衡协调性神经心理学
评估
基线 第1年XXXXX
脑震荡后 (PC) 第1天XXXX 
PC 第2天X    
PC 第3-4天X    
PC 第5-6天XXXX 
PC 第7天X    
第7天后每周一次X    
PCS 症状缓解时XXXXX
基线 第2年XXXXX

表2. 所有受试者神经心理学测量的施测。

注意： 每位脑震荡受试者将分别匹配骨科损伤对照受试者和无损伤对照受试者。对照组受试者将在与其匹配的脑震荡受试者相同的时间点接受相同的测量。例如，若某位脑震荡受试者在第14天时脑震荡后综合征（PCS）症状消失，则相应的骨科对照受试者和无损伤对照受试者也将在第14天接受完整的神经心理学评估（即视为其“PCS”症状在第14天消失），以实现数据点的匹配。

事件日期事件时间峰值线性加速度峰值旋转加速度方位角仰角
2006-10-2915:39:01:41022.452842.32-67.3029.05
2006-10-2915:47:02:1207.09478.66-116.53-61.24
2006-10-2916:21:40:19015.251288.01-83.96-52.09
2006-10-2916:48:31:9108.91603.32-134.0416.33
2006-10-2916:48:32:06018.181256.0960.3610.36
2006-10-2917:04:50:11020.181093.22-4.4750.31

表3. 从一名佩戴一顶头盔的球员收集的数据样本。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

我们预测，那些在脑白质上表现出最显著影响的青少年，其脑活动的重组程度也最大，且行为和神经功能的恢复期最长。本研究将增进对儿童脑震荡后事件的理解，并对医疗护理产生重要影响，因为它将使我们能够基于针对儿童和青少年的实证研究，建立相应的康复方案。该方案随后可向家长、教练和医生等相关利益方进行推广。为实现这些目标，我们将进一步表征并量化脑震荡儿童运动员的神经心理学及神经后遗症。同时，我们还将测量伴随行为恢复而出现的认知改善以及脑结构和脑活动模式的变化。此外，本研究还将为脑震荡及反复非脑震荡性头部撞击对青少年大脑长期可塑性和发育的影响提供新的认识。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

未声明任何利益冲突。

致谢

我们感谢加拿大卫生研究院（CIHR）和安大略神经创伤基金会（ONF）为本研究提供的资金支持。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
AccuGait 便携式步态与平衡评估平台（平衡评估）AMTIwww.amti.biz
NetForce 平衡数据采集软件AMTIwww.amti.biz
视觉冲突穹顶由研究人员制作；建模参考：Lovell MR, Collins MW. 大学橄榄球运动员的神经心理学评估 J Head Trauma Rehabil. 1998;13(2):9-26.
Airex 平衡垫Airexwww.bebalanced.net
Smedlay’s 动力计，100 kg（握力）东京
九孔插板测试Lafayette Instrumentswww.lafayetteinstrument.com
轴突跳跃垫Vacumedwww.vacumed.com
力量杆研究人员制备
  • 31" 钛合金长曲棍球杆柄
  • 两个40" 实用链
  • 24" x 26" 胶合板平台
  • 两个船坞环形固定件
  • 两个 U 形螺栓（1" 宽度
头撞击遥测系统（HIT系统）Simbexwww.simbex.com
脑震荡后症状量表修订版（PCS-R）改编自：
洛维尔 MR，柯林斯 MW。大学橄榄球运动员的神经心理学评估。 J Head Trauma Rehabil. 1998;13(2):9-26.
GE Discovery MR750 3.0T MRI 扫描仪GE Healthcarewww.gehealthcare.com
GE 8通道头部线圈GE Healthcarewww.gehealthcare.com
Lumitouch Reply 系统Lightwave Medical Industries不列颠哥伦比亚省温哥华 1-(604)-875-4529
fMRI刺激呈现用背投屏幕未知
一次性泡沫耳塞PAR Inc.www.parinc.com
神经心理学测试Pearson 评估工具www.pearsonassessments.com

参考文献

  1. Browne, G. J., Lam, L. T. Concussive head injury in children and adolescents related to sports and other leisure physical activities. Br. J .Sports Med. 40, 163-168 (2006).
  2. McCrory, P., Collie, A., Anderson, V., Davis, G. Can we manage sport related concussion in children the same as in adults. Br. J .Sports Med. 38, 516-519 (2004).
  3. Brolinson, P. G. Analysis of linear head accelerations from collegiate football impacts. Curr. Sports Med. Rep. 5, 23-28 (2006).
  4. Duma, S. M. Analysis of real-time head accelerations in collegiate football players. Clin. J. Sport Med. 15, 3-8 (2005).
  5. Schnebel, B., Gwin, J. T., Anderson, S., Gatlin, R. In vivo study of head impacts in football: a comparison of National Collegiate Athletic Association Division I versus high school impacts. Neurosurgery. 60, 490-495 (2007).
  6. Chen, J. K. Functional abnormalities in symptomatic concussed athletes: an fMRI study. Neuroimage. 22, 68-82 (2004).
  7. Glover, G. H., Law, C. S. Spiral-in/out BOLD fMRI for increased SNR and reduced susceptibility artifacts. Magn. Reson. Med. 46, 515-522 (2001).
  8. Smith, S. M., Jenkinson, M., Johansen-Berg, H., Rueckert, D., Nichols, T. E., Mackay, C. E., Watkins, K. E., Ciccarelli, O., Cader, M. Z., Matthews, P. M., Behrens, T. E. Tract-based spatial statistics: voxelwise analysis of multi-subject diffusion data. Neuroimage. 31, 1487-1505 (2006).
  9. Gibson, E., Gao, F., Black, S. E., Lobaugh, N. J. Automatic Segmentation of White Matter Hyperintensities in FLAIR images at 3T. J. Magn. Reson. Imaging. , Forthcoming (2009).
  10. Multiple-Auditory-Steady-State-Evoked-Response (MASTER) ASSR Discussion Forum for Researchers and Clinicians [Internet]. , Available from: http://www.rotmanbaycrest.on.ca/index.php?section=327 (2010).
  11. McIntosh, A. R., Bookstein, F. L., Haxby, J. V., Grady, C. L. Spatial pattern analysis of functional brain images using Partial Least Squares. NeuroImage. 3, 143-157 (1996).
  12. McIntosh, A., Gonzalez-Lima, F. Network interactions among limbic cortices, basal forebrain and cerebellum differentiate a tone conditioned as a Pavlovian excitor or inhibitor: fluorodeoxyglucose and covariance structural modeling. J. Neurophysiol. 72, 1717-1733 (1994).
  13. McIntosh, A., Lobaugh, N. Partial least squares analysis of neuroimaging data: applications and advances. Neuroimage. 23, 250-263 (2004).
  14. Frackowiack, R. S. J., Frith, C. D. Human Brain Function. , Academic Press. (2003).

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

标签

青少年脑震荡儿童脑震荡诊断多模态整合方法神经心理学基线测试脑震荡后症状量表结构性与功能性磁共振成像工作记忆任务
利用功能磁共振成像与头颅撞击遥测系统对青少年运动相关脑震荡影响的研究
联系我们
向图书馆推荐

隐私政策

使用条款

政策

版权所有 © 2026 MyJoVE Corporation。保留所有权利。