修订版及兼容神经影像的双任务筛查工具

摘要

我们开发了原始的双重任务测试（DTS），作为一种便携、低成本的评估工具，可用于评估运动所致轻度创伤性脑损伤的运动员。我们对原始DTS进行了修订，以适用于未来的临床应用，并开发了一种与神经影像兼容的DTS版本，用于测量单任务和双重任务表现的神经基础。

摘要

双任务范式可同时评估运动和认知能力，能够检测近期轻度创伤性脑损伤（mTBI）运动员中细微且持续存在的功能障碍。然而，以往的双任务范式仅关注下肢技能，并依赖笨重且昂贵的实验室设备，限制了其在日常mTBI评估中的实用性。因此，我们开发了双任务筛查（DTS），该测试可在<10分钟内完成施测与评分，使用低成本便携式设备，并包含下肢（LE）和上肢（UE）子任务。本论文的目的有两个。首先，我们描述了修订版DTS的施测流程，该版本针对原始DTS的局限性进行了改进。具体修订包括引入智能设备以获取更详细的步态数据，以及增加单一认知任务条件，用于检测双任务条件下认知表现的受损情况。重要的是，修订版DTS旨在未来临床应用，我们展示了来自三名男性运动员的代表性结果，以说明该测量工具所能获取的临床数据类型。需要强调的是，我们尚未评估修订版DTS在mTBI运动员中的敏感性和特异性，这将是下一步的研究方向。本论文的第二个目的是描述一种可与神经影像兼容的DTS版本。我们开发此版本的目的是为了探究单任务与双任务表现的神经基础，从而更深入地从实证角度理解与mTBI相关的行为缺陷。因此，本文还描述了我们在DTS过程中实现同步功能近红外光谱成像（fNIRS）测量所采取的步骤，以及fNIRS数据的采集和一级处理方法。

引言

每年，全球有4200万人遭受轻度创伤性脑损伤（mTBI）¹。尽管过去曾认为mTBI是良性的，但最新研究表明，轻度创伤性脑损伤，尤其是反复发生的mTBI，可能引发持久的负面影响，例如身体、认知和睡眠障碍^2,3,4。因此，研究人员和临床医生正在寻求更有效的评估和治疗方法，以更好地理解并应对mTBI。

迄今为止，轻度创伤性脑损伤（mTBI）评估的最佳实践包括症状的自我报告以及对神经认知和运动功能的客观测量⁵。然而，某些人群（如参加竞技的大学水平运动员）已知会少报与mTBI相关的症状⁶，这限制了症状报告的实用性。神经认知和运动功能的客观测量也存在局限性，包括测试-重测信度差、依赖基线测试数据，或对高水平运动员而言任务难度不足^7,8,9。然而，双重任务范式——可同时评估运动和认知能力——能够检测到细微且持续存在的功能损害，可能在评估高水平运动员时尤为有用^{10,11,12,13,14}。

以往采用双任务范式的研究所常使用笨重且昂贵的实验室设备（如动作捕捉系统¹⁴）来评估高水平运动员。尽管这些系统能够精确测量细微的运动功能障碍，但由于设备成本高、便携性差以及测试耗时较长（即每人≥45分钟），在日常轻度创伤性脑损伤（mTBI）评估中并不实用。此外，许多以往的双任务范式研究仅关注下肢或下肢技能，例如平衡或步态^11,12,13,14。然而，在许多运动项目中，上肢功能和手眼协调能力对高水平运动员同样至关重要。因此，我们开发了双任务筛查（Dual Task Screen, DTS），这是一种简短的评估工具，设计用于在<10分钟内完成施测和评分，且仅需便携、低成本的仪器。该原始DTS包含下肢（LE）和上肢（UE）两个子任务，用于在单一运动任务和双任务条件下评估步速（使用秒表）和手眼协调能力¹⁵。

在首次可行性研究中，32名健康的女性青少年参与者完成了原始的DTS测试。该研究旨在验证DTS能够引发双重任务下的运动代价，表现为在双重任务条件下运动表现较单一运动任务条件下降。我们还希望证实DTS的施测和评分可在10分钟内完成。研究发现，所有参与者在至少一个子任务中的双重任务运动表现均有所下降。此外，我们平均仅用5.63分钟即可完成DTS的施测，评分则需2至3分钟¹⁵。

尽管首次可行性研究取得了成功，但仍暴露出一些局限性。最显著的是，步速是使用秒表进行测量的，而这种方法容易引入人为误差。因此，在改进后的双重任务测试（DTS）中，我们在每个脚踝佩戴了内置加速度计的智能设备（材料表）。这一改进在保持使用便携式、低成本仪器的同时，仍能精确测量步速、总步数、平均步长、平均步时以及步时变异性等复杂参数。原始DTS的另一项局限性在于缺乏单独的认知任务条件，从而无法评估双重任务下的认知代价。双重任务认知代价定义为在双重任务条件下相较于单独认知任务条件时认知表现的下降。因此，针对下肢（LE）和上肢（UE）子任务，我们均增加了单独的认知任务条件（详见实验方案）。

除了开发用于未来临床的评估工具外，该团队的长期目标之一是评估健康运动员在单任务和双任务表现中的神经基础，并将这些发现与因运动导致轻度创伤性脑损伤（mTBI）的运动员进行对比。因此，我们已创建了一个与神经影像技术兼容的DTS版本。我们旨在验证DTS是否能够成功改造，以适用于同步进行功能性近红外光谱成像（fNIRS）测量的情况。我们使用了一种专门设计的便携式fNIRS设备，该设备通过减少运动伪影的影响，能够适应大幅度的躯体运动。此外，据我们所知，该设备在目前可用于科研的便携式设备中，具有最大的头部覆盖范围（材料表）。

总之，该研究方案旨在实现以下目标：

1. 描述修订版双任务筛查（Dual Task Screen, DTS）的施测流程，该工具是我们为克服原始DTS¹⁵的局限性而重新设计的，并旨在未来用于临床实践。
2. 描述适用于神经影像研究的双任务筛查（Dual Task Screen, DTS）研究流程，该流程设计用于评估单任务与双任务表现的神经基础。

方案

所有研究程序均经科罗拉多州立大学机构审查委员会（IRB）批准，所有成年参与者在完成任何研究程序前均签署了书面知情同意书。18岁以下参与者的父母提供了书面知情同意书，未成年参与者在完成任何研究程序前 additionally 签署了书面同意书。

1. 改进的双任务测试屏（DTS）

1. 下肢（LE）子任务
   1. 开始单一运动任务。
      1. 在一条18米长的步行道上，将三个瑜伽砖水平放置，彼此之间精确相距4.5米。
      2. 将智能设备牢固地固定在每个脚踝上，以检测足跟撞击并获取步态特征。
      3. 使用三脚架上的摄像机开始视频录制。
      4. 指导参与者尽可能快速行走，同时跨越障碍物。启动智能手机上的数据采集，并同时轻敲两个设备，以便后续对左右腿的两个独立数据流进行时间对齐。 
      5. 使用手动秒表测量完成时间。
      6. 停止视频录制。
   2. 开始单一认知任务。
      1. 告知参与者其在此任务条件下的分配时间，该时间取自其单一运动任务的完成时间（向上取整至整秒）。
      2. 使用三脚架上的摄像机开始视频录制。
      3. 指导参与者尽可能多地说出以特定字母（A或F）开头的单词。
         注：字母在不同参与者之间以及在单一任务与双重任务条件之间进行平衡。数字在不同参与者之间以及在单一任务与双重任务条件之间也进行平衡。
      4. 停止视频录制。
   3. 开始双重任务条件。
      1. 使用三脚架上的摄像机开始视频录制。
      2. 指导参与者在尽可能快速行走并跨越障碍物的同时，尽可能多地说出以特定字母（A或F）开头的单词。快速轻敲 两个加速度计以启动该任务条件。
      3. 使用手动秒表测量完成时间。
      4. 停止视频录制。
2. 上肢（UE）子任务
   1. 开始单一运动任务。
      1. 测量距离墙壁1.5米的位置，用美纹纸标记，并指导参与者站在标记线后。
      2. 将一篮网球放置在参与者旁边。
      3. 使用三脚架上的摄像机开始视频录制。
      4. 指导参与者用交替双手进行墙壁投掷任务，持续30秒。告知参与者，如果未能接住球，则从网球篮中取一个新球。使用秒表测量经过的时间。
      5. 停止视频录制。
   2. 开始单一认知任务。
      1. 使用三脚架上的摄像机开始视频录制。
      2. 告知参与者，其将被要求从一个给定数字（100或150）开始连续减7，持续30秒。使用秒表测量经过的时间。
      3. 停止视频录制。
         注：字母在不同参与者之间以及在单一任务与双重任务条件之间进行平衡。数字在不同参与者之间以及在单一任务与双重任务条件之间也进行平衡。
   3. 开始双重任务条件。
      1. 要求参与者站在距离墙壁1.5米的位置。
      2. 将一篮网球放置在参与者旁边。
      3. 使用三脚架上的摄像机开始视频录制。
      4. 指导参与者用交替双手进行墙壁投掷任务，持续30秒。同时告知参与者，在投掷和接球的过程中，其将被要求从一个给定数字（100或150）开始连续减7，持续30秒。告知参与者，如果未能接住球，则从网球篮中取一个新球。使用秒表测量经过的时间。
      5. 停止视频录制。
         注：字母在不同参与者之间以及在单一任务与双重任务条件之间进行平衡。数字在不同参与者之间以及在单一任务与双重任务条件之间也进行平衡。

2. 神经影像兼容的双任务屏幕（DTS）

1. 设置 DTS
   1. 将瑜伽砖垂直放置，标记出15米步行道的起点和终点。
   2. 在15米步行道上，将两个瑜伽砖水平放置，两者之间精确相距5米。
   3. 用美纹纸胶带在距离光滑墙面1.5米处测量并标记。
   4. 在15米步行道的起点处架设三脚架。
2. 将fNIRS设备放置在受试者头部。
   1. 测量受试者的头围，并选择合适尺寸的功能性近红外光谱（fNIRS）帽（材料表带有预置光学探头和短通道探测器。
   2. 打开专用的数据采集笔记本电脑，并连接到 fNIRS 设备的 WiFi 网络。
   3. 打开fNIRS采集软件并选择fNIRS设备。
   4. 进行校准以优化光强度并检查光学传感器信号水平。信号水平应为可接受或优良。
   5. 通过将探头从帽中取出，并分开受试者的头发，确保探头与受试者头皮直接接触，以修复所有信号水平低于可接受范围的探头。
3. 将加速度计放置在受试者的脚踝处。
   1. 将智能设备牢固地固定在每个脚踝上，以检测足跟触地并获取步态特征。
4. 开始LE子任务数据采集。
   1. 打开刺激呈现软件（材料表).
   2. 选择 LE 子任务文件。
   3. 请受试者坐在椅子上，准备进行60秒的安静休息。
   4. 返回 fNIRS 采集软件并点击 开始 单击按钮以开始采集 fNIRS 数据。在弹出窗口中输入受试者编号_LE、年龄和性别，然后单击 开始.
   5. 返回刺激呈现软件，告知参与者将开始安静休息，并按下 太空 开始60秒的休息期。
   6. 休息阶段结束时，确定已选择哪一个下肢亚任务条件（单运动任务、单认知任务或双重任务）用于第1个^st 试验。向参与者提供该试验的指导说明。
      1. 单个运动任务指导：指导参与者以尽可能快的速度行走，同时跨越障碍物，持续30秒。告知参与者，当主研人员说出“开始”时，即启动任务。此时紧随辅助研究人员轻敲加速度计之后。指导参与者在主研人员说出“停止”时立即停止行走。此外，当主研人员说“停止”时，参与者应将双脚并拢，尽可能保持静止。此时，辅助研究人员将再次轻敲加速度计，并在参与者停止位置的地板上放置一个标记（便利贴）。
      2. 单一认知指令：指导受试者在15米步行通道起点处站立。站立期间，要求其尽可能多地说出以特定字母开头的词语。
      3. 双任务指令：指导受试者在尽可能快地行走并跨越障碍物的同时，尽可能多地说出以特定字母开头的词语。告知受试者，此阶段同样持续30秒。告诉受试者，当主研人员说出“开始”时，即启动任务。此指令将在辅助研究人员轻敲加速度计后立即发出。指导受试者在主研人员说出“停止”时立即停止行走。此外，当主研人员说“停止”时，受试者应将双脚并拢，尽可能保持静止。此时，辅助研究人员将第二次轻敲加速度计，并在受试者停止位置的地板上放置一个标记（便利贴）。
   7. 使用三脚架上的摄像机开始录像。
   8. 按压 空间 开始 1 的 bar^st 试验。监测刺激呈现软件上的30秒计时器；当30秒时间到达时，告知参与者停止。
   9. 确定 2^nd 进行一次试验并向参与者提供指导。重复该过程，直至参与者完成15次随机化的下肢子任务试验。
   10. 停止视频录制。
   11. 告知受试者他/她将进行另一段60秒的坐位休息。当受试者就座后，按下 开始 开始休息期。
   12. 休息阶段结束后，退出刺激呈现软件中的 LE 子任务文件。在 fNIRS 数据采集软件中停止数据采集，但不要退出该软件。
       注意：字母在每次试验间由刺激呈现软件随机化，并在参与者之间以及单任务与双任务条件之间进行平衡。所用字母难度水平相似，包括：W、D、F、T、S、H、M、A、B 和 P。数字在每次试验间由刺激呈现软件随机化，并在参与者之间以及单任务与双任务条件之间进行平衡。所用数字包括：185、225、220、175、205、165、170、180、245 和 240。
5. 从受试者的脚踝处取下加速度计。前往走廊中指定的上肢子任务区域。
6. 开始 UE 子任务数据采集。
   1. 打开刺激呈现软件。
   2. 选择 UE 子任务文件。
   3. 让受试者坐在椅子上，准备进行60秒的安静休息期。
   4. 返回 fNIRS 采集软件并点击 开始 单击按钮以开始采集 fNIRS 数据。在弹出窗口中输入受试者 ID_UE、年龄和性别，然后点击开始。
   5. 返回刺激呈现软件，告知参与者安静休息期即将开始，然后按下 太空 开始60秒休息期。
   6. 休息期结束时，确定已选择的上肢亚任务条件（单运动任务、单认知任务或双任务）用于第1个^st 试验。向参与者提供该试验的指导说明。
      1. 单个运动指令：指导受试者站在距离墙壁1.5 m处，将一筐网球放置在受试者旁边。指导受试者用双手交替进行墙壁对墙击球练习，持续30秒。告知受试者，若未能接住球，应从网球筐中取用下一个球继续练习。
      2. 单一认知指令：指导受试者保持站立姿势，并告知其将被要求从一个给定数字开始连续减去7，持续30秒。
      3. 双任务指令：指导受试者用双手交替进行靠墙抛接球，持续30秒。告知受试者在抛接球的同时，需从指定数字开始连续减7进行心算。² 30秒。告知参与者，若未能接住球，应从网球筐中取一个新的球。
   7. 使用三脚架上的摄像机开始录像。
   8. 按压 太空 开始 1 的 bar^st 试验。监测刺激呈现软件上的30秒计时器；当30秒结束时，告知参与者停止。
   9. 确定 2^nd 进行一次试验并向参与者提供指导。重复该过程，直至参与者完成上肢子任务的15次随机化试验。
   10. 停止视频录制。
   11. 告知参与者，他/她将进行另一轮60秒的坐位休息。当参与者就座后，按下 开始 开始休息期。
   12. 休息阶段结束后，退出刺激呈现软件中的 UE 子任务文件。在 fNIRS 数据采集软件中停止数据采集，然后退出该软件。
7. 从受试者头部取下 fNIRS 帽子。
   注意：字母在每次试验间由刺激呈现软件随机化，并在参与者之间以及单任务与双任务条件之间进行平衡。所用字母难度水平相似，包括：W、D、F、T、S、H、M、A、B 和 P。数字在每次试验间由刺激呈现软件随机化，并在参与者之间以及单任务与双任务条件之间进行平衡。所用数字包括：185、225、220、175、205、165、170、180、245 和 240。

结果

参与者
通过口口相传和宣传传单的方式，从当地高中运动队以及大学校际和俱乐部运动队中招募参与者。参与者年龄须在15至22岁之间，并定期参加有组织的对抗性运动。对抗性运动包括在常规比赛中需要与队友或对手发生身体接触的所有运动项目。此外，参与者需具有正常或矫正后正常的视力和听力，无神经系统或精神疾病史，且根据自我报告，无中度或重度创伤性脑损伤史。

我们纳入了三名健康的男性对抗性运动项目运动员的数据（平均年龄：18.0 ± 2.65 岁），以说明从修订版 DTS 中可获取的临床数据类型。健康女性对抗性运动项目运动员的数据将另文发表，该文不严格聚焦于方法学。

修订版双任务测试的数据分析
由于代表性结果中包含的受试者数量较少，未进行正式的统计分析。然而，对每位受试者在双任务条件下的表现与其在单一运动任务和止单一认知任务条件下的表现进行了比较；有关两个子任务各项绩效指标的描述，请见下文。

下肢子任务中的...

讨论

在本论文中，我们描述了新修订版双重任务测试（Dual Task Screen, DTS）的施测流程。此次修订旨在解决原始DTS中存在的局限性¹⁵，新增了单独的认知任务条件，以检测双重任务下的认知代价。此外，修订版还引入了基于智能设备的加速度测量技术，以更精确地评估步态特征。我们提供了代表性结果，用以展示使用DTS可获取的临床数据类型。同时，我们还介绍了适用于神经影像研究的双重任务测试（DTS）研究流程，该版本专为探究单任务与双重任务表现的神经机制而设计。我们选用的神经影像技术为便携式功能性近红外光谱成像（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）设备，该设备可通过降低运动伪影的影响，适应大幅度的运动行为^18,19。为实现与神经影像技术兼容，我们需要将DTS转换为区组设计（block design），该设计要求单运动任务、卢单一认知任务及双重任务条件各重复五次，即五个区组。为此，我们采用了难度相当的新型认知刺激材料（如数字和字母...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
硬件（按字母顺序）
NIRx NIRSport2 设备：NSP2-CORE1616	NIRx	参考编号：GC359	"NIRSport 2 是一种用户友好、模块化且坚固的无线功能近红外光谱（fNIRS）平台，可通过检测大脑皮层中氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和总血红蛋白的变化来测量神经激活引起的血流动力学反应。NIRSport 2 配备多种即插即用的升级组件和模块，可满足广泛认知神经科学研究应用的需求。"（引自 nirx.net/nirsport）
NIRx NIRSCap（提供 5 种不同尺寸）	NIRx	N/A	"NIRScap 包括测量帽和光学探头支架。光学探头支架可插入测量帽的狭缝中。"（引自 NIRx 的 NIRScap 快速入门指南）
NIRx 光源探头（x 2）	NIRx	参考编号：GC359	"8 通道主动式光源束，用于无光纤光学照明，双头设计，长度为 240 cm。"（引自 NIRx 包装清单说明）
NIRx 探测器探头（x 2）	NIRx	参考编号：GC359	"8 个主动式传感器组成的探头束，用于无光纤光学检测，双头设计，长度为 240 cm。"（引自 NIRx 包装清单说明）
NIRx 短距离探测器探针	NIRx	N/A	"探针以八通道探测器夹为一组，可将来自八个独立光源位点的短距离数据耦合至仪器上的一个公共探测通道。"（引自 NIRx 短距离探测器探针快速入门指南）
软件（按字母顺序）
Aurora	NIRx	N/A	"NIRSport 2 采集软件。Aurora fNIRS 可通过 Wi-Fi 或 USB 与 NIRSport 2 设备连接，仅需几次点击即可完成完整的实验配置。得益于自动信号优化算法，Aurora fNIRS 可在测量开始前确保最佳信号质量。原始数据、HbO 和 Hb 浓度变化可通过多种显示模式实时可视化。此外，高端全脑可视化功能可立即使用。记录的数据可通过集成的 Lab Streaming Layer (LSL) 协议导出，支持在脑机接口（BCI）和神经反馈范式中进行实时处理。"（引自 nirx.net/software）
Matlab	Math Works	N/A	"MATLAB® 将专为迭代分析和设计流程优化的桌面环境与直接表达矩阵和数组数学的编程语言相结合。它包含 Live Editor，可用于创建将代码、输出和格式化文本结合在可执行笔记本中的脚本。"（引自 mathworks.com）
NIRS Toolbox	由 Huppert 脑成像实验室开发	N/A	"NIRS Toolbox 是一个基于 Matlab 的分析程序。"（引自 huppertlab.net/nirs-toolbox-2/）
PsychoPy	Python	N/A	"PsychoPy 是一个使用 Python 编程语言编写的开源软件包，主要用于神经科学和实验心理学研究。"（引自 psychopy.org）
低成本/低技术研究耗材*（按字母顺序）
AmazonBasics 60 英寸轻量三脚架，带收纳包	Amazon	商品型号：WT3540	这款轻量三脚架适用于重量不超过 6.6 磅的大多数相机。安装快速简便。附带的收纳包使存储和运输更加轻松。三脚架’的支腿可从 20” 延伸至 48”。支腿锁扣释放顺畅，可轻松调节至所需高度。升起中心立柱后，三脚架高度可达 60”。（引自 Amazon.com）
iPod Touch x 2	Apple	N/A	内置加速度计的智能设备。
松下全高清视频摄像机 HC-V180K，50 倍光学变焦，1/5.8 英寸背照式传感器，支持触控的 2.7 英寸 LCD 显示屏（黑色）	Amazon	商品型号：HC-V180K	松下全高清摄像机 HC-V180K 体积小巧、重量轻、易于使用，为高分辨率视频拍摄带来轻松愉快的体验。该 1080p 摄像机’配备 5 轴图像稳定器，可实现最大程度的手持稳定性，超长 50 倍光学变焦和最高 90 倍智能变焦可快速聚焦远处物体。便捷的 28mm 广角镜头可将更多人物和风景纳入画面，适用于婚礼、聚会和度假等场景。先进的背照式传感器确保在弱光环境下仍能获得高质量视频图像，而松下’的水平拍摄功能可自动检测并校正令人分心的相机倾斜。为增加趣味性，相机还配备了创意滤镜效果，如 8mm 电影、静音电影、微缩景观效果和延时录制，均可通过 2.7 英寸 LCD 触摸屏轻松访问。双通道变焦麦克风与变焦功能协同工作，确保在近距离或远距离都能获得清晰、清晰的音频。"（引自 Amazon.com）
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Scotch 232 美纹纸胶带，1" x 60 码	Office Depot/Office Max	商品编号：910588	"高性能纸质美纹胶带可在中温喷漆烘烤作业中产生清晰的漆线。Scotch 胶带每次均可干净剥离，即使在传统上难以去除的表面也能实现。"（引自 officedepot.com）
Stanley Tools Leverlock 卷尺，标准型，25 英尺 x 1" 刀片	Office Depot/Office Max	商品编号：389512	"卷尺配备动力回卷和自动底部锁定功能，操作简便。高可见度外壳颜色便于查找。特殊的 Tru-Zero 钩头可将钉子作为支点用于绘制圆和弧线。卷尺采用多铆钉钩头和聚合物涂层刀片，使用寿命更长，配备刀片磨损保护装置和舒适的橡胶握把。受保护的刀片耐磨损、耐油、耐污和大多数溶剂。卷尺采用英制刻度，第一英尺之后顶部为连续英尺刻度，底部为连续英寸刻度。其皮带夹便于携带。"（引自 officedepot.com）
秒表	Office Depot/Office Max	商品编号：357698	"支持分段计时，精确至 1/100 秒。包含 6 种功能：— 小时、分钟、秒、日、月和年。"（引自 officedepot.com）
Tourna Ballport Deluxe 带轮网球收集桶 — 可容纳 80 个球	Amazon	商品型号：BPD-80W	"Balloon port 80 Deluxe 可容纳 80 个球，配备轮子便于移动。手柄长达 33 英寸，取放球更加方便。重量极轻但坚固耐用，是市场上最优质的收集桶之一。配备多项专利功能：支腿可锁定在上下位置。顶部的横杆可滑动闭合，运输过程中防止球掉落。底部的横杆可滚动，使球轻松滑入收集桶内。"（引自 Amazon.com）
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Velcro	Velcro	N/A	自粘式绑带和包裹带；用于固定智能设备。
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