双任务屏幕的修订和神经成像兼容版本

每年，全世界有4200万人遭受轻度创伤性脑损伤^（mTBI）1.虽然一旦被认为是良性的，新的研究表明，mTBI，特别是重复的mTBI，可以引起持久的负面后果，如身体，认知和睡眠障碍^2，3，4。随后，研究人员和临床医生正在寻求更好的评估和治疗方法，以了解和解决mTBI。

迄今为止，mTBI评估的最佳实践包括自我报告的症状和神经认知和运动功能的客观测量^5。然而，一些个人，如竞技大学级别的运动员，已知低估了mTBI相关的症状^6，限制了症状报告的效用。客观的神经认知和运动功能测量也有局限性，包括测试重试可靠性差，依赖基线测试，或高性能运动员^7，8，9难度不足。然而，双重任务范式 - 同时评估运动和认知能力 - 可以检测细微的，残余的损伤，并可能特别有用的评价高性能运动员10，11，12，13，14。

过去使用双重任务范式的研究往往包括繁琐、昂贵的实验室设备，如运动捕捉系统^14，以评估高绩效运动员。虽然这些系统可以准确测量细微的运动损伤，但由于设备成本高、便携性有限和管理时间长（即每人≥ 45 分钟），因此在日常 mTBI 评估中使用它们是不切实际的。此外，许多过去的双重任务范式研究只侧重于下半身或下肢技能，如平衡或步态11，12，13，14。可以说，上肢功能和手眼协调对于许多运动中表现优美的运动员也很重要。因此，我们开发了双任务屏幕 （DTS），这是一个简短的措施，旨在用便携式低成本仪器在 10 分钟内管理和评分。这个原始的DTS包括下肢（LE）和上肢（UE）子任务，它评估步态速度（使用秒表）和手眼协调下单电机和双任务条件^15。

在第一次可行性研究中，32名健康、女性青少年参与者完成了最初的DTS。这项研究旨在确定 DTS 可能会导致双重任务电机成本，这在双重任务与单个电机条件下降低电机性能就表明了这一点。我们还试图确定 DTS 可以在 10 分钟内管理和得分。我们发现，所有参与者在至少一个子任务上双任务电机性能较差。此外，我们能够在平均5.63分钟内管理DTS，并在2-3分钟¹⁵分钟内完成测试。

虽然第一次可行性研究是成功的，但暴露出一些局限性。最值得注意的是，步态速度是用秒表测量的，秒表容易出现自然的人为错误。因此，在修订后的 DTS 中，我们使用智能设备，每个脚踝上都带有内置加速度计（材料表）。这一补充保持了便携式低成本仪器的使用，同时仍然提供步态速度、步数总数、平均步长、平均步长和步长变化的复杂测量。原始 DTS 的另一个局限性是缺乏单一的认知条件，这妨碍了对双重任务认知成本的评估。双重任务认知成本被定义为在双重任务与单一认知状态期间认知性能较差。随后，对于 LE 和 UE 子任务，我们添加了一个单一的认知条件（在协议中描述）。

除了为未来的临床应用制定衡量标准外，该团队的长期目标之一是评估健康运动员单项和双任务表现的神经基础，并将这些发现与运动诱发的 mTBI 运动员进行对比。因此，我们创建了一个神经成像兼容版本的 DTS。我们寻求确定 DTS 是否可以成功修改，用于同时功能近红外光谱 （fNIRS） 测量，我们使用的移动 fNIRS 设备专门设计用于通过减少运动伪影的影响来适应总电机运动。此外，据我们所知，对于目前可用于研究目的的移动设备，此设备的头部覆盖范围最大（材料表）。

总之，研究协议旨在执行以下工作:

1. 描述修订后的双任务屏幕 （DTS） 的管理协议，这是我们为解决原始 DTS¹⁵ 的局限性而重新设计的一项措施，也是供将来临床使用的措施。
2. 描述神经成像兼容双任务屏幕 （DTS） 的研究协议，我们设计用于评估单任务和双任务性能的神经基础。

所有研究程序均得到科罗拉多州立大学机构审查委员会（IRB）的批准，所有成年参与者在完成任何学习程序之前均表示书面知情同意。18岁以下参与者的父母提供了书面知情同意，未成年参与者在完成任何学习程序之前也提供了书面同意。

1. 修订后的双任务屏幕 （DTS）

1. 下肢 （LE） 子任务
   1. 启动单个电机条件。
      1. 沿着 18 米的人行道将三个瑜伽块放在相距 4.5 米的水平位置。
      2. 将智能设备牢固地连接到每个脚踝上，以检测脚跟撞击并获得步态特征。
      3. 开始用三脚架上的摄像机进行视频录制。
      4. 指示参与者在跨过障碍物时尽可能快地行走。在智能手机上开始数据收集，并同时大幅点击设备，以实现从左腿和右腿的两个独立数据流的后续时间对齐。
      5. 使用手工操作的秒表测量完成时间。
      6. 停止视频录制。
   2. 开始单一的认知状态。
      1. 告诉参与者他/她为此情况分配的时间，使用从他/她的单个运动条件（四舍五入到一个完整的秒）的时间完成。
      2. 开始用三脚架上的摄像机进行视频录制。
      3. 指示参与者以特定字母（A 或 F） 开头的尽可能多的单词。
         注:在参与者之间以及单一任务和双重任务条件之间，字母是反平衡的。数字在参与者之间以及单一任务和双重任务条件之间是反平衡的。
      4. 停止视频录制。
   3. 启动双重任务条件。
      1. 开始用三脚架上的摄像机进行视频录制。
      2. 指示参与者在跨过障碍时尽可能快地行走，同时以特定字母 （A 或 F） 开头说出尽可能多的单词。快速点击两个加速度计以启动该条件。
      3. 使用手工操作的秒表测量完成时间。
      4. 停止视频录制。
2. 上极端 （UE） 子任务
   1. 启动单个电机条件。
      1. 测量距离墙壁 1.5 米远的距离，用遮蔽胶带标记，并指示参与者站在磁带后面。
      2. 在参与者旁边放一篮子网球。
      3. 开始用三脚架上的摄像机进行视频录制。
      4. 指示参与者用交替的手完成 30 s 的墙托。告诉参与者，如果他/她不能接住一个球，从网球篮子里获得一个新球。用秒表测量过去的时间。
      5. 停止视频录制。
   2. 开始单一的认知状态。
      1. 开始用三脚架上的摄像机进行视频录制。
      2. 告诉参与者，他/她将被要求在 30 秒内按顺序从给定数字 （100 或 150） 中减去 7。用秒表测量过去的时间。
      3. 停止视频录制。
         注:在参与者之间以及单一任务和双重任务条件之间，字母是反平衡的。数字在参与者之间以及单一任务和双重任务条件之间是反平衡的。
   3. 启动双重任务条件。
      1. 要求参与者站在离墙1.5米远的地方。
      2. 在参与者旁边放一篮子网球。
      3. 开始用三脚架上的摄像机进行视频录制。
      4. 指示参与者用交替的手完成 30 秒的墙托。通知参与者，在投掷和接球时，将要求他/她按顺序从给定数字（100 或 150） 中减去 7 个 30 秒。告诉参与者，如果他/她不能接住一个球，从网球篮子里获得一个新球。用秒表测量过去的时间。
      5. 停止视频录制。
         注:在参与者之间以及单一任务和双重任务条件之间，字母是反平衡的。数字在参与者之间以及单一任务和双重任务条件之间是反平衡的。

2. 神经成像兼容双任务屏幕 （DTS）

1. 设置 DTS
   1. 将瑜伽块放置在垂直位置，以标记 15 米走道的起点和终点。
   2. 沿着15米的人行道，将两个瑜伽块放在一个水平位置，相距正好5米。
   3. 用遮蔽胶带测量和标记距离光滑的墙面 1.5 米远。
   4. 在 15 米走道的起点设置三脚架。
2. 将 fNIRS 设备放在参与者的头上。
   1. 测量参与者的头部周长，并选择适当大小的 fNIRS 盖（材料表），并预置优化器和短通道探测器。
   2. 打开专用收购笔记本电脑并连接到 fNIRS 设备的 WiFi 网络。
   3. 打开 fNIRS 收购软件并选择 fNIRS 设备。
   4. 执行校准以优化光强度并检查光电信号水平。信号级别应是可接受的或优秀的。
   5. 通过从帽子上取下光电极并分离参与者的头发，确保光电与参与者头皮的直接连接，以修复信号水平低于可接受的所有光电。
3. 在参与者的脚踝上放置加速度计。
   1. 将智能设备牢固地连接到每个脚踝上，以检测脚跟撞击并获得步态特征。
4. 开始 LE 子任务数据采集。
   1. 打开刺激演示软件（材料表）。
   2. 选择 LE 子任务文件。
   3. 要求参与者坐在椅子上，为60年代安静的休息时间做准备。
   4. 返回到 fNIRS 收购软件，然后单击 "开始" 按钮开始收集 fNIRS 数据。将主题ID_LE、年龄和性别输入弹出窗口，然后单击 "开始"。
   5. 返回到刺激演示软件，通知参与者将开始安静的休息，并按 空间 开始 60 年代休息期。
   6. 在休息期结束时，确定哪些 LE 子任务条件（单个电机、单个认知或双任务）已选定用于第 1^次 试验。为参与者提供该试验的说明。
      1. 单电机说明:指示参与者在跨过障碍物时尽可能快地行走 30 s。告诉参与者，当主要研究人员说"开始"时，他/她将开始。这将发生在二级研究人员点击加速度计后立即发生。指示参与者，当主要研究人员说"停止"时，他/她应该停止行走。此外，当主要研究人员说"停止"时，参与者应该把他/她的脚放在一起，尽可能保持静止。此时，次要研究人员将第二次点击加速度计，并在参与者停止的地板上放置一个标记（便笺）。
      2. 单一认知说明:指示参与者保持站在15米走道的起点。站立时，将要求他/她说出以特定字母开头的尽可能多的单词。
      3. 双重任务说明:指示参与者在跨过障碍时尽可能快地行走，同时以特定字母开头说明尽可能多的单词。通知他/她，他/她也将有30秒的这种情况。告诉参与者，当主要研究人员说"开始"时，他/她将开始。这将发生在二级研究人员点击加速度计后立即发生。指示参与者，当主要研究人员说"停止"时，他/她应该停止行走。此外，当主要研究人员说"停止"时，参与者应该把他/她的脚放在一起，尽可能保持静止。此时，次要研究人员将第二次点击加速度计，并在参与者停止的地板上放置一个标记（便笺）。
   7. 开始用三脚架上的摄像机进行视频录制。
   8. 按 下空间 栏以开始^{第1次试用} 。监视刺激演示软件上的 30 s 测时器;告诉参与者在30岁过去了的时候停下来。
   9. 确定第^二次 试验，并向参与者提供说明。重复该过程，直到参与者完成 LE 子任务的 15 项随机试验。
   10. 停止视频录制。
   11. 通知参与者，他/她将完成另一个60年代座位的休息时间。参与者就座后，按 "开始 "开始休息时间。
   12. 剩余时间后，退出刺激演示软件中的 LE 子任务文件。停止在 fNIRS 数据采集软件中获取数据，但不要退出软件。
       注:字母在试验之间随机（通过刺激演示软件），在参与者之间以及单一任务和双重任务条件之间进行反平衡。字母在难度水平上相似，包括:W、D、F、T、S、H、M、A、B 和 P。数字包括:185、225、220、175、205、165、170、180、245和240。
5. 从参与者的脚踝上取出加速度计。移动到为 UE 子任务指定的走廊中的部分。
6. 开始 UE 子任务数据采集。
   1. 打开刺激演示软件。
   2. 选择 UE 子任务文件。
   3. 要求参与者坐在椅子上，为60年代安静的休息时间做准备。
   4. 返回到 fNIRS 收购软件，然后单击 "开始" 按钮开始收集 fNIRS 数据。将主题ID_UE、年龄和性别输入弹出窗口，然后单击"开始"。
   5. 返回到刺激演示软件，通知参与者静息休息期即将开始，并按 空间 开始 60 的休息期。
   6. 在休息期结束时，确定哪些 UE 子任务条件（单个电机、单个认知或双重任务）已选定用于第 1^次 试验。向参与者提供该试验的说明。
      1. 单电机说明:指示参与者站在离墙壁 1.5 米远的地方。在参与者旁边放一篮子网球。指示参与者用交替的手完成 30 s 的墙托。告诉参与者，如果他/她不能接住一个球，从网球篮子里获得一个新球。
      2. 单一认知说明:指示参与者保持站立告诉参与者，他/她将被要求按顺序从给定数字中减去 7 个 30 s。
      3. 双重任务说明:指示参与者用交替的手完成 30 s 的墙托。通知参与者，在投掷和接球时，将要求他/她按顺序从给定的^{数字 2} 中减去 7 个，以达到 30 s。告诉参与者，如果他/她不能接住一个球，从网球篮子里获得一个新球。
   7. 开始用三脚架上的摄像机进行视频录制。
   8. 按 下空间 栏以开始^{第1次试用} 。监视刺激演示软件上的 30 s 测时器;告诉参与者在30岁过去的时候停下来。
   9. 确定第^二次 试验，并向参与者提供说明。重复这个过程，直到参与者完成15个UE子任务的随机试验。
   10. 停止视频录制。
   11. 通知参与者，他/她将完成另一个60年代座位的休息时间。参与者就座后，按 "开始 "开始休息时间。
   12. 剩余时间后，退出刺激演示软件中的 UE 子任务文件。停止 fNIRS 数据采集软件中的数据采集，然后退出软件。
7. 从参与者的头上取下 fNIRS 帽。
   注:字母在试验之间随机（通过刺激演示软件），在参与者之间以及单一任务和双重任务条件之间进行反平衡。字母在难度水平上相似，包括:W、D、F、T、S、H、M、A、B 和 P。数字包括:185、225、220、175、205、165、170、180、245和240。

参与者
参赛者是从当地高中队和大学校际和俱乐部运动队中招募的，他们使用口碑和广告传单。参加者年龄在15-22岁之间，并定期参加有组织的接触运动。接触式运动包括所有运动，在常规比赛期间需要与队友或对手进行身体接触。根据自我报告，参与者还必须有正常或矫正的视力和听力，没有神经或精神病史，也没有中度或严重创伤性脑损伤史。

我们包括来自三个健康的男性接触运动运动员参与者的数据（平均年龄:18.0±2.65岁），以说明可以从修订后的DTS获得的临床数据类型。来自健康女性接触运动运动员的数据将包含在另一份不严格以方法为重点的出版物中。

修订后的 DTS 数据分析
鉴于代表结果中包括的参与者人数很少，正式统计分析尚未完成。然而，对于每个参与者来说，在双重任务条件下的表现与单个运动和单个认知条件下的表现进行比较:有关两个子任务的性能指标的描述，请参阅下文。

LE 子任务上的性能指标
单个电机条件性能按步态速度（m/s）、步数总数、平均步长（m）、平均步长（s）和步长变化（SD）进行量化。这些数据是通过我们贴在参与者脚踝上的智能设备上的内置加速度计获得的。单一认知状态性能由不重复产生的单词总数来衡量，以单词/s 表示，以考虑为本次试验分配的不同时间。两名训练有素的研究助理观看了一盘单一认知状况的录像带，并被要求就产生的单词总数达成共识。最后，通过步态速度（m/s）、步数总数、平均步长（m）、平均步长（s）和平均步长变化（SD）以及不重复生成的单词总数（以单词/秒表示）来衡量双重任务条件性能。两名训练有素的研究助理还观看了双重任务状况的录像带，要求就所制作的单词总数达成共识。

LE 子任务的双重任务成本
对于每个参与者，与单个电机条件相比，在双任务条件下步态特征的以下变化将代表双重任务电机成本:步态速度较慢、总步数较多、平均步长较小、平均步长较长以及步长变化较大。我们观察到，所有三名男性参与者在LE子任务上都有双重任务电机成本。具体来说，与单个条件任务相比，我们看到步态速度较慢，平均步长较长，步长变化较大:见图1A。相比之下，三个参与者中有两个在单个电机和双重任务条件之间的总步数或平均步长没有变化:见图1A。

对于每个参与者来说，与单个 认知 任务条件下生成的单词数相比，在双重任务条件下生成的单词更少，从而表示双重任务认知成本。我们观察到三个参与者中的两个的双重任务认知成本。具体来说，与单个任务条件相比，这些参与者在双重任务条件下生成的单词更少:请参阅 图 1B。

UE 子任务上的性能指标
单个运动条件性能是根据成功渔获量的总数来衡量的。两名训练有素的研究助理观看了单个运动状态的录像带，并被要求就成功捕获的总数达成共识。单一认知状况表现由正确减法的总数来衡量。两名训练有素的研究助理观看了单一认知状况的录像带，并被要求就正确减法的总数达成共识。减法错误不是累积的（即"100、92、85.。"将被记录为一个错误和一个正确的减法）。最后，通过成功捕获总数和正确减法总数来衡量双重任务条件性能。同样，两名训练有素的研究助理观看了单一认知状况的录像带，并被要求就成功捕获的总数和正确的减法达成共识。

UE 子任务的双重任务成本
对于每个参与者来说，与单个电机条件下成功捕获的数量相比，双任务电机成本在双重任务条件下的成功捕获次数更少。我们发现，所有三个男性参与者都有双重任务电机成本。具体来说，与单一运动条件相比，它们在双重任务条件下的成功渔获量较少:见图2A。

与单个任务条件下的正确减法数量相比，双重任务认知成本的表示是较少的正确减去双任务条件。我们观察到三个参与者中的两个的双重任务认知成本。具体来说，与单一任务条件相比，他们在双重任务条件下的正确减法较少:参见图2B。

神经成像兼容DTS的数据分析
fNIRS 设备规格
我们使用了移动功能近红外光谱（fNIRS）系统（材料表）。该系统拥有32个总光电、16个LED源和16个探测器，以及一个无线采集设备，参与者背上佩戴。该设备装备独特，可适应总电机运动，并且（据我们所知）拥有移动系统的最大头部覆盖。使用 fNIRS，我们使用氧血红蛋白 （HbO） 指数在神经成像兼容的 DTS 期间通过血动力学反应评估大脑活动。

菲尼尔斯头探头
头部探针包括30个光子（15个LED源和15个探测器），这些光子被放置在参与者的头上，使用带有内置光电支架的fNIRS盖。我们通过在左、右运动皮层放置 LED 源和探测器以及右侧前食网络16的两个主要区域（右 PFC 和 PPC）来测量 HbO，我们已确定 10-20 系统17:见图3。LED源将近红外光照射到表面皮质区域，探测器捕获折射光，使我们能够计算每个通道的 HbO 值，或源和探测器的交叉点。此外，我们包括8个短分离探测器，测量头皮注入，一个滋扰变量，将回归原始fNIRS数据18，19。

用于 fNIRS 收购的块设计
LE 和 UE 子任务都转换为块设计。两个子任务开始和结束与60年代坐休息期，以获得基线血动力学活动。休息之后是15个随机块（5个单运动条件块，5个单一认知条件块，5个双任务条件块），持续时间为30秒，每个子任务总共7.5分钟的数据收集。在15个条件区块之间，有大约6-8s的可变静息间隔，使参与者的血动力学反应回到基线:见图4。

FNIRS 数据减少和一级（单一主题）分析:原始 fNIRS 数据被上传到专有的编程语言和数值计算环境（材料表）。用短分离探测器创建的通道被标记为以后的回归。由刺激演示软件生成的默认刺激值重命名为识别 DTS 块（例如单个电机、单个认知、双电机）。接下来，所有 DTS 块的刺激持续时间参数设置为 30 秒，休息时间设置为 60 秒。然后，使用与数值计算环境兼容的非专有工具箱的步骤完成基本处理。这些步骤包括计算光密度，然后重新计算光密度值，从短的分离通道20的数据。接下来，光学密度被转换为血红蛋白值（脱氧血红蛋白，氧血红蛋白和总血红蛋白）使用修改后的啤酒兰伯特法21。转换后，运行自动回归模型算法，其中包括短分离通道数据的回归。自动回归算法的参数设置为遵循规范模型22。最后，单个数据可以使用条件对比（例如双对单） 进行可视化;见图5。

图1:单任务与双任务条件下的LE子任务性能。（A） 与单个任务条件相比，这三位参与者在双任务条件下的步态速度较慢，平均步长较长，步长变化较大，这表示 UE 子任务的双重任务电机成本。三个参与者中有两个在双重任务条件和单个任务条件之间没有显示总步骤数或平均步长的变化。（B） 与单个任务条件相比，三个参与者中有两个在双重任务条件下生成的单词较少，这表示 LE 子任务的双重任务认知成本。请点击这里查看此数字的较大版本。

图2:单任务与双任务条件下的 UE 子任务性能。（A） 与单一任务条件相比，这三名参与者在双重任务条件下的成功捕获次数较少，这相当于 UE 子任务的双重任务电机成本。（B） 与单一任务条件相比，三分之二的参与者在双重任务条件下的正确减法较少，这表示 UE 子任务的双重任务认知成本。请点击这里查看此数字的较大版本。

图3:FNIRS头探头。fNIRS 头部探针包括 15 个 LED 源（红圈）和 15 个探测器（白圆），分别放置在左右运动皮层和右前额皮层 （PFC） 和右后腹皮层 （PPC）。这使我们能够计算每个通道的含氧血红蛋白 （HbO） 值，或源和探测器的交叉点。 请点击这里查看此数字的较大版本。

图4:用于fNIRS收购的块设计。对于 DTS 的神经成像兼容版本，LE 和 UE 子任务被转换为块设计。两个子任务开始和结束与60秒的休息期，以获得基线血动力学活动。休息之后是15个随机块（5个单运动条件块，5个单一认知条件块和5个双任务条件块），持续时间为30秒。 请点击这里查看此数字的较大版本。

图5:单一主题fNIRS数据。这是使用条件对比对比对单个主题 fNIRS 数据的描述。此图像对比了来自 LE 子任务的双重任务与单个电机任务期间的氧血红蛋白 （HbO）。 请点击这里查看此数字的较大版本。

作者没有利益冲突可以披露。