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

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....

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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Velcro	Velcro	N/A	自粘式绑带和包裹带；用于固定智能设备。
瑜伽砖 2 件装 – 2 块高密度轻质健身砖，尺寸为 4 x 6 x 9 英寸，支持所有姿势 — 轻便多功能健身与平衡无味砖块（注：双任务屏幕需要 6 块）	Amazon	N/A	"这些砖块由回收的高密度 EVA 泡沫制成，可在多种不同的瑜伽姿势中提供稳固支撑。这将改善您的体态，并让您在挑战性姿势中保持更长时间。"（引自 Amazon.com）
*这些物品或类似物品可从多个其他来源获得