Waiting
Login-Verarbeitung ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Objektivt bedömning av idrottsskakning med hjälp av visuella framkallade potentialer

Published: April 27, 2021 doi: 10.3791/62082
Automatic Translation
1, 2, 2, 4, 3, 3, 3
1School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering, Faculty of Engineering and Information Technologies, University of Sydney, 2HeadsafeIP, 3Department of Rehabilitation Medicine, Icahn School of Medicine at Mount Sinai, 4St Vincent's Clinical School, Faculty of Medicine, University of New South Wales

Summary

Ett bärbart system som kan mäta steady-state visuella framkallade potentialer utvecklades och testades på 65 amatörrugbyspelare under 18 veckor för att undersöka SSVEP som en potentiell elektrofysiologisk biomarkör för hjärnskakning. Spelarnas baslinjer mättes inför säsongen, med omtester för tillförlitlighet, hjärnskakning och återhämtningsbedömning som genomfördes inom kontrollerade tidsperioder.

Abstract

Ett bärbart system som kan mäta steady-state visuella framkallade potentialer (SSVEP) utvecklades för att tillhandahålla en objektiv, kvantifierbar metod för elektroencefalogram (EEG) -testning efter en traumatisk händelse. I denna studie användes det bärbara systemet på 65 friska rugbyspelare under en säsong för att avgöra om SSVEP är en pålitlig elektrofysiologisk biomarkör för hjärnskakning. Inför tävlingssäsongen genomgick alla spelare en grundläggande SSVEP-bedömning. Under säsongen testades spelarna på nytt inom 72 timmar efter en match för antingen test-retest-tillförlitlighet eller bedömning efter skada. Vid en medicinskt diagnostiserad hjärnskakning omvärderades spelarna igen när de ansågs tillfrisknade av en läkare. SSVEP-systemet bestod av en smartphone inrymd i en VR-ram som levererade en 15 Hz flimmerstimulans, medan ett trådlöst EEG-headset registrerade occipital aktivitet. Spelarna instruerades att stirra på skärmens fixeringspunkt medan de satt kvar och tysta. Elektroderna var ordnade enligt 10-20 EEG-positioneringsnomenklaturen, där O1-O2 var inspelningskanalerna medan P1-P2 referenserna respektive biasen. Alla EEG-data bearbetades med hjälp av ett Butterworth-bandpassfilter, Fourier-transformation och normalisering för att konvertera data för frekvensanalys. Spelarnas SSVEP-svar kvantifierades till ett signal-brusförhållande (SNR), med 15 Hz som önskad signal, och sammanfattades i respektive studiegrupp för jämförelse. Concussed-spelare sågs ha en betydligt lägre SNR jämfört med deras baslinje; efter återhämtningen skilde sig dock deras SNR inte signifikant från baslinjen. Test-retest indikerade hög enhetstillförlitlighet för det bärbara systemet. Ett förbättrat bärbart SSVEP-system validerades också mot en etablerad EEG-förstärkare för att säkerställa att den undersökande designen kan erhålla EEG-mätningar av forskningskvalitet. Detta är den första studien som identifierar skillnader i SSVEP-svar hos amatöridrottare efter en hjärnskakning och indikerar potentialen för SSVEP som ett hjälpmedel vid bedömning och hantering av hjärnskakning.

Introduction

Människor nu för tiden är mycket medvetna om sjukligheten orsakad av hjärnskador i sport1. En sportrelaterad hjärnskakning (SRC) är en form av mild traumatisk hjärnskada (mTBI) som ofta rapporteras i kontaktsporter som fotboll, rugby och boxning 2,3,4. Den biomekaniska transduktionen av impulsiv kraft till hjärnan efter en påverkan på fältet resulterar i en störning av neuronal funktion, vilket leder till både omedelbara och övergående symtom som påverkar en idrottares fysiska, kognitiva och emotionella tillstånd 1,5. I de flesta fall dämpas dessa symtom inom en kort tidsperiod, förutsatt att idrottaren behandlas på lämpligt sätt och inte utsätts för ytterligare effekter6.

Eftersom SRC är skadligt för spelarnas neurologiska hälsa står idrottens styrande organ inför utmaningen att använda korrekt och snabb hjärnskakningsdiagnos för att möjliggöra ett säkert protokoll för återgång till spel 5,7,8,9. Hjärnskakningsdetektering kan dock uteslutas av idrottare som minimerar eller förnekar symtom för att undvika en hjärnskakningsdiagnos, vilket påskyndar deras återgång till spel. Dessa åtgärder kan potentiellt öka risken för Second Impact Syndrome, ett tillstånd där snabbt hjärnödem bildas efter en andra huvudskada under hjärnskakningsåterhämtningsfas10. Dessutom, på grund av bristen på utbildning kring hjärnskakningsdiagnos och den varierande karaktären av dess fysiologiska definition, är det inte ovanligt att SRC går orapporterat eller feldiagnostiserat11. Tyvärr kan långa perioder av upprepade och felaktigt hanterade hjärnskakningar leda till en rad kroniska neurologiska funktionsnedsättningar, såsom kronisk traumatisk encefalopati (CTE), som är starkt associerad med SRC 12,13,14.

I ett försök att bekämpa de utmaningar som är förknippade med SRC använder idrottsorganisationer en mängd olika verktyg för bedömning av hjärnskakning. Det vanligaste och mest tillgängliga verktyget, Sports Concussion Assessment Tool (SCAT), är ett standardiserat papperstest som innehåller fysiska och kognitiva bedömningar i kombination med skalad symptomrapportering15,16. Tidigare studier har dock visat att symtomrapportering är subjektiv och opålitlig genom att identifiera könsskillnader inom mTBI-grupper och extremvärden i kontrollgruppen17,18. Mer avancerade verktyg som används på professionell nivå, såsom Immediate Post-Concussion Assessment Tool (ImPACT), som fungerar som ett datoriserat neurokognitivt test (CNT), faller också offer för manipulation eftersom de kräver aktivt deltagande och ansträngning från idrottaren. Trots inbyggda kontroller för manipulation i CNT har forskning visat att de är benägna att takeffekter och lider av dålig tillförlitlighet19,20. Begränsningarna i dessa befintliga bedömningsverktyg i kombination med en mer allmän förståelse för de betydande hälsoeffekterna av SRC har resulterat i ett kritiskt behov av en objektiv biomarkör som korrekt och snabbt kan diagnostisera en hjärnskakning.

Ett område som har visat sig lovande när det gäller att identifiera en objektiv biomarkör för hjärnskakning är elektrofysiologi. Det finns nya bevis för att händelserelaterade potentialer, särskilt visuell framkallade potentialer (VEP) försämras efter en hjärnskakning21,22. En delmängd av VEP; steady-state visuella framkallade potentialer (SSVEP) är en objektiv, kvantifierbar fluktuation av elektrisk aktivitet som uppstår i hjärnan som svar på en specifik uppsättning visuella stimuli, mätt med elektroencefalogram (EEG) -teknik23,24. SSVEP erbjuder ett förbättrat motstånd mot bullerartefakter och variabel kontaktimpedans till konventionella VEP-mätningar. På grund av den kontrollerade frekvensen av den visuella stimulansen finns det också en minskning av synkroniciteten mellan EEG-inspelningar och stimulans, vilket resulterar i en mer förenklad elektrisk modell25,26. Detta tillvägagångssätt har validerats med frekvenser mellan 12-15 Hz-intervallet som ger ett optimalt svar av saliens för flimmer typ stimuli27. Sammantaget innebär dessa fördelar att SSVEP erbjuder en mer robust elektrofysiologisk mätning som kan användas i en icke-klinisk miljö som idrottsplatser och läkarmottagningar. Denna möjlighet till sidotillämpning i kombination med teknikens positiva resultat i tidigare litteratur gör den till en lovande kandidat för identifiering av en objektiv biomarkör för SRC.

Målet med denna studie var att undersöka potentiella skillnader i SSVEP som registrerades från idrottare som bedömdes av en erfaren idrottsläkare som friska, hjärnskakade eller återhämtade sig från en ny hjärnskakning. Metoden för studien innebar att 65 manliga amatörrugby union-spelare rutinmässigt bedömdes med ett bärbart SSVEP-system under en 18-veckors tävlingssäsong. Spelare ska bedömas för en baslinje innan fullkontaktsträning påbörjas och utvärderas på nytt inom 72 timmar efter tävlingsmatcher. Spelare som skadades under säsongen utvärderades för hjärnskakningar av lagets läkare och omvärderades med SSVEP-systemet för avläsningar efter skada och återhämtning. Dessutom utökar denna studie sitt protokoll för att validera bärbara SSVEP-systems förmåga att erhålla EEG-avläsningar av forskningskvalitet som potentiellt kan hjälpa till vid sidan av bedömningen av SRC.

Protocol

Godkännanden för den första delen av protokollet erhölls från South Eastern Sydney Local Health District (ESLHD) Human Research Ethics Committee (HREC). Alla spelare fick detaljerade deltagarinformationsblad och samtycke erhölls före deltagandet (SESLHD-HREC-referensnummer: 17/039 HREC/17/POWH/91).

Godkännanden för användning av förbättrad bärbar systemstudie erhölls från Bellberry Human Research Ethics Committee (HREC). Alla kontrollpersoner försågs med detaljerade informationsblad för deltagare och samtycke erhölls före deltagandet (HREC-referensnummer: 1802VEPEEG-CER).

1. Deltagarnas screening och samtycke

  1. Rekrytera deltagare från en enda rugby union-klubb innan en tävlingssäsong inleds. Deltagarna måste vara friska, infödda engelsktalande, manliga vuxna (över 18 år) som är medlemmar i ett amatörrugby union-lag (figur 1).
    1. På grund av den flimrande karaktären hos de visuella stimuli, se till att deltagarna inte uppfyller något av följande strikta uteslutningskriterier: diagnos eller symtom på epilepsi, befintliga och / eller tidigare hjärnskador eller juridisk blindhet.
    2. Informera deltagarna om att rapportera eventuella symtom efter en skada på idrottsplatsen sanningsenligt till läkaren som vidarebefordrar informationen till den eller de associerade studieutredarna. Deltagarna måste förstå att studieinvolvering kräver minst två SSVEP-testsessioner under säsongen, med potential för ytterligare tester i händelse av hjärnskakningsskada.

2. Installation av SSVEP-utrustning för undersökande

  1. Montera en laddad LCD-smartphone (Liquid Crystal Display) i en VR-ram (Virtual Reality) (Figur 2A; se Materialtabell).
    1. Generera en .mp4 videofil bestående av en sekvens av svartvita skärmar som växlar med en frekvens av 15 Hz, totalt 30 s. Placera ett slumptal i mitten av videoramen (upptar mindre än 2% av skärmen med en visuell vinkel på 1,5 °) för deltagarna att fokusera centralt på under stimuleringen. Se till att numret ändras med 5 s intervall för att uppmuntra till långvarig uppmärksamhet (figur 2B).
    2. Ladda upp den konstruerade videofilen till smarttelefonen och visa den med full ljusstyrka (minst ~ 490 nits), som fungerar som den visuella stimulansen av SSVEP-systemet.
  2. Ladda det trådlösa 14-kanals EEG-headsetet, som kommer att användas som den primära EEG-inspelningsenheten (bild 3A).
    1. Para ihop headsetet med en dator i närheten via den medföljande universella USB-mottagaren (dongeln). Sätt i dongeln i datorns USB-port, slå på headsetet via strömbrytaren, öppna 14-kanals EEG-headsetprogramvara på en dator och välj knappen Anslut i programmet bredvid det headset-ID som visas (se materialtabell).
  3. Mätta helt de medföljande filtsensorerna med saltlösning.
    1. Installera de mättade sensorerna i headsetets svarta plastarmar genom att försiktigt vrida varje sensor medurs tills ett "klick" känns och sensorn känns säker.

3. Deltagarnas baslinjebedömning

  1. Få samtycke från alla deltagare som har klarat screeningfrågorna för att vara med i studien innan rugbysäsongen börjar.
  2. Be deltagarna att sitta i en stol i en tyst sluten miljö med naturligt omgivande ljus, till exempel ett kontorsrum. Medan deltagarna sitter, montera 14-kanals EEG-headsetet på deltagarnas huvuden genom att skjuta pannbandet ner från toppen av huvudet. Ordna elektroderna enligt det internationella 10-20-systemet (figur 3B)28,29. Placera headsetets två främre sensorer i linje med deltagarnas hårfäste eller ungefär tre fingerbredder ovanför deltagarnas ögonbryn.
    OBS: Om deltagarna har tjockt hår, arbeta sensorn under håret och lägg till ytterligare saltlösning. Om försökspersonen rör sig från den stationära sittpositionen eller om det sker en förändring i miljöinställningarna under bedömningen kan en artefakt (figur 4) inträffa och SSVEP-data ska inte samlas in för analysen (kasseras).
    1. Använd occipitalelektroderna (O1 och O2) som huvudinspelningselektroder och parietalelektroderna (P3 och P4) som jord- och common-mode (referens) elektroder (figur 3B).
  3. Se till att det finns en tillräcklig anslutning mellan headsetet och deltagarnas huvud genom att använda programvara för kontaktkvalitet innan du fortsätter med testningen. Gröna elektroder indikerar god kontaktkvalitet (<20 kOhms) enligt tillverkarens standarder.
    1. I händelse av att en god kontaktkvalitet inte uppnåddes för alla elektrodkanaler av intresse (O1, O2), mätta sensorerna igen med saltlösning och kontrollera positioneringen igen för att säkerställa att sensorerna är så jämna mot hårbotten som möjligt.
      OBS: God kontaktkvalitet måste erhållas för att säkerställa elektrisk anslutning mellan hårbotten och elektroderna, vilket minimerar potentiella artefakter (figur 4).
  4. Be deltagarna att hålla testsmartphonen i VR-ramen upp mot ögonen, spola mot ansikten och näsbryggan och se till att båda ögonen är helt täckta.
    1. Låt deltagarna bekräfta att fokusnumret är synligt i mitten av skärmen och att ramen blockerar miljöljus.
  5. Ta bort VR-ramen från deltagarnas ansikte och informera dem om att den visuella stimulansvideon nu kommer att initieras. Lämna sedan tillbaka VR-ramen för att applicera igen i samma position som steg 3.4.1.
    1. Påminn deltagarna om att de ska fokusera på fokusnumret och vara stilla och tysta under SSVEP-testningen.
  6. Starta den visuella stimulansvideon genom att trycka på Play-knappen på smartphone-skärmen och låt sedan deltagarna placera VR-ramen i ansiktet (enligt steg 3.4).
  7. Be deltagarna bekräfta att de har VR-ramen i rätt position enligt steg 3.4. Efter deltagarens bekräftelse startar du samtidigt ett nedräkningsstoppur i 30 sekunder och väljer sedan knappen Starta inspelning på 14-kanals EEG-headsetprogramvaran för att börja spela in på EEG-headsetet.
  8. När 30-s-perioden är över , stoppa EEG-inspelningen genom att välja Stopp-knappen på 14-kanals EEG-headsetprogramvaran.
    1. Ta bort VR-ramen från deltagarnas ögon och informera dem om att den första SSVEP-bedömningen är klar.
  9. Spara det inspelade SSVEP-svaret på det lokala kontot genom att klicka på knappen Sparade sessioner på 14-kanals EEG-headsetprogramvaran. Exportera den sparade filen som en EDF-fil (European Data Format) till en önskad lagringsenhet.
    OBS: EDF-filer ska märkas med deltagarens initialer, datum, tid och vilken typ av test som utförts (baslinje, efter skada eller återhämtning) för identifiering och lagringsändamål.
  10. Upprepa SSVEP-utvärderingsprotokollet (steg 3.2 till 3.9) i snabb följd efter steg 3.9.
    OBS: Detta genomförs som den andra behandlingen från de två bedömningarna och ger en genomgående tydligare EEG-avläsning.
  11. När paret av SSVEP-bedömningar har slutförts, låt deltagaren ta bort VR-ramen från ögonen och ta försiktigt bort headsetet från deltagarnas huvuden.
    1. Ta bort elektrodsensorerna från headsetet och förvara dem i ett lämpligt skyddsfodral tills de används nästa gång för att säkerställa att saltlösningen inte korroderar headsetets elektroder.
    2. Rengör både headsetet och smartphone + ramen med isopropylalkohol (70%) våtservetter innan du förvarar båda utrustningarna i sina respektive fodral tills de används nästa gång.
  12. Fråga deltagaren om de upplevde några onormala reaktioner på stimulansen, inklusive närvaron av huvudvärk eller yrsel. Registrera svaret i en studielogg.
  13. Informera deltagaren om att de har slutfört sin baslinjetestning och kommer att bedömas igen inom 72 timmar efter nästa tävlingsmatch för säsongen.

4. Bedömning efter skada

  1. Se till att eventuell påverkan på fältet som misstänks vara en hjärnskakning registreras och rapporteras tillbaka till studieutredaren av antingen lagläkaren eller spelaren.
  2. Få bedömningar efter skada av alla spelare som rapporterades i steg 4.1 inom 72 timmar efter händelsen med hjälp av SSVEP-protokollet som beskrivs i avsnitt 3.
  3. Se till att alla spelare genomgår en SSVEP-bedömning efter skada, som utvärderas av lagläkaren (se avsnitt 5) för att avgöra när spelaren har återhämtat sig från skadan och kan återgå till fullkontaktsträning och spel. Se till att teamläkarens diagnos registreras i utredningssyfte.
    1. Informera spelaren om att de kommer att omprövas med SSVEP-systemet när de anses återhämtade av lagläkaren.

5. Kliniska hjärnskakningsutvärderingar

  1. Se till att alla spelare utvärderas av lagläkaren inom 72 timmar efter en potentiell hjärnskakningsgenererande effekt.
    OBS: Lagläkaren måste vara en legitimerad utövare med klinisk erfarenhet av att bedöma idrottsrelaterade skador och godkänd av en relevant idrotts styrande organ.
    1. Låt lagläkaren utföra en neurologisk undersökning förutom att använda delar av Sport Concussion Assessment Tool (SCAT) för att bestämma spelarens medvetandetillstånd och närvaron av något av de vanliga tecknen och symtomen i samband med hjärnskakning15.
      OBS: Bedömningar görs med spelarens typiska uppträdande och beteende som referens.
  2. Enligt Rugby Australias riktlinjer för graderad återgång till spel (GRTP)30, se till att spelaren omvärderas av samma lagläkare inom 48 timmar efter en hjärnskakningsdiagnos, och igen en gång per träningspass tills den rensas för att återvända till spel30.
  3. Se till att spelarna genomgår en slutlig utvärdering med lagets läkare för att avgöra om de har återhämtat sig kliniskt innan de kan återgå till fullkontaktsträning eller spel. Läkaren ska bestämma spelarens skadetillstånd baserat på förbättringen av SCAT-testning och minskning av associerade symtom och eventuellt atypiskt beteende, vilket tidigare noterats.
    OBS: Denna slutliga utvärdering ska ske efter minst 12 dagar efter skada enligt GRTP.
    1. Registrera klinikerns bestämning av spelarens skadetillstånd (hjärnskakning eller återhämtad) för undersökningsändamål.

6. Bedömning av återvinning

  1. Bedöm de spelare som ansågs ha återfunnits i steg 5.3 med hjälp av SSVEP-protokollet som beskrivs i avsnitt 3 för att få ett SSVEP-svar för återställning.

7. Bedömning av tillförlitligheten vid test och omtest

  1. Se till att alla icke-skadade deltagare testas igen inom 72 timmar efter varje tävlingsmatch för säsongen med det bärbara SSVEP-systemet i samma inställning som beskrivs i avsnitt 3 för att få data för systemets test-retest-tillförlitlighet.

8. SSVEP:s databehandling

  1. Generera ett numeriskt datorskript som kan importera och bearbeta alla inspelade EDF-datafiler från avsnitt 3-7 (se materialtabell).
    1. Applicera ett Butterworth-bandpassfilter med hörnfrekvenser vid 5 Hz och 40 Hz på de råa SSVEP-spänningarna som erhålls med 14-kanals EEG-headset för att minimera effekterna av lågfrekvent brus, likspänningsförskjutning och nätström31.
    2. Tillämpa en Fast Fourier Transformation (FFT) på de filtrerade SSVEP-värdena för att analysera data i frekvensdomänen32.
    3. Normalisera FFT-värden från elektrodkanalerna O1 och O2 för att generera en enda uppsättning värden för grafisk plottning som en effektspektrumdensitet (figur 5).
  2. När EEG-data har bearbetats beräknar du signal-brusförhållandet (SNR) för varje datafil genom att dividera storleken vid 15 Hz med den genomsnittliga storleken mellan 5-40 Hz. SNR-formeln är:
    Equation 1
    Där:
    Amplitud15Hz = Spänningen i frekvensbandet 15 Hz (μV)
    Amplitudmedelvärde = Medelspänningen för alla frekvensband mellan 5-40 Hz (μV)
  3. Se till att alla data (rå EDF, bearbetad EDF, SNR-värde, kommentarer och datum för spelarens skadetillstånd) sparas i lämpligt märkta mappar för utredningsändamål.

9. Statistisk analys

  1. Kombinera spelarnas datafiler i ett kommaseparerat värdeblad (CSV) kategoriskt (separata kolumner för baslinje, hjärnskakning och återställningsavläsning).
    1. Använd SNR för varje SSVEP-avläsning för att jämföra de olika grupperna. Uttryck alla sammanfattade data som medianer med 25: e till 75: e interkvartilintervallet (IQR), med en statistisk signifikansnivå för alfa (α) = 0,05 inställd, och alla variansnivåer visas i standardavvikelse (± S.D.). Använd programvara för statistisk analys (se materialtabell) för analys av gruppens SNR-värden.
    2. Utvärdera normaliteten hos alla spelares SNR-värden med hjälp av ett Shapiro-Wilk-test.
    3. Jämför den genomsnittliga SNR mellan alla tre bedömningsgrupperna med hjälp av parade t-tester (mellan baslinje-concussed-avläsningar, concussed-recovered-avläsningar och baslinjeåtervunna avläsningar) för spelare som upplevde alla tre typer av bedömningar. Se till att en korrigering med flera jämförelser tillämpas genom att använda en Bonferroni-korrigering.
    4. Beräkna effektstorleken på t-testjämförelserna genom att använda Cohens D32.
  2. Uppskatta test-retest-tillförlitligheten med hjälp av en modell 3, typ k intra-klass korrelationskoefficient (ICC); ICC(3,k) med ett 95% konfidensintervall (CI) för att undersöka överensstämmelse mellan baslinjen och upprepade tester under hela säsongen.
    Experimentet kan pausas här och startas om vid en senare tidpunkt.

10. Förbättrad bärbar SSVEP-systeminställning

OBS: Systemet som beskrivs i detta avsnitt är en allt-i-ett-uppsättning som har utformats för att möjliggöra en effektivare mätprocess, både snabbare och med förbättrad komfort för deltagaren. Observera att upplägget som beskrivs i avsnitten 2-6 är en förenklad prototyp bestående av många utrustningsdelar som slås samman för att generera ett proof-of-concept-system. Protokollschemat som använder detta system presenteras i figur 6.

  1. Skaffa ett bärbart SSVEP-system som innehåller en visuell stimulans- och elektrodkonfiguration som motsvarar det system som beskrivs i avsnitt 2 (se figur 7A).
    1. Ladda ner systemets SSVEP-applikation från iOS-appbutiken till en enhet som driver iOS (se materialtabell).
  2. Se till att utredningsteamet är bekant med bruksanvisningen (IFU) för det bärbara SSVEP-systemet och dess medföljande iOS-applikation, vilket möjliggör aktivering av SSVEP-enheten och lokal lagring av EEG-avläsningarna.
    1. Generera ämneskonton på iOS-applikationen genom att följa bruksanvisningen (IFU) för det bärbara SSVEP-systemet. Öppna appen, välj fliken Ämnen och tryck sedan på knappen Lägg till nytt ämne .

11. Inställning av referens-EEG-system

  1. Skaffa en validerad EEG-förstärkarenhet av klinisk kvalitet med en modulär elektrodkonfiguration som inte innehåller en visuell stimulanskomponent (figur 7C).
  2. Se till att prövningsteamet är bekant med bruksanvisningen (IFU) för det kliniska EEG-systemet och dess medföljande kliniska neurologiprogram (se materialtabell), vilket möjliggör aktivering av förstärkaren och lokal lagring av EEG-avläsningar.

12. EEG-validering av ett förbättrat bärbart SSVEP-system

  1. Rekrytera friska, engelsktalande vuxna deltagare med samma uteslutningskriterier som beskrivs i avsnitt 1. Samtycka till dessa deltagare för SSVEP-systemvalideringsstudien.
  2. Tilldela slumpmässigt deltagarna ett nummer från 01 till 20. Utvärdera deltagare med ett udda nummer som först tilldelats det bärbara SSVEP-systemet och sedan med det kliniska EEG-systemet (steg 12.3-12.16). Vice versa för deltagare som tilldelats jämna nummer (steg 12.10-12.14, sedan 12.3-12.9, sedan 12.15-12.16) (Figur 6).
    1. Ställ in SSVEP-headsetet enligt bruksanvisningen (IFU): ladda headsetet helt och Bluetooth-para ihop det med SSVEPiOS-applikationen. Sätt i de medföljande polyuretansensorcylindrarna i elektrodkanalerna och mätta med normal saltlösning.
  3. Placera SSVEP-headsetet på deltagarens huvud enligt systemets IFU, med den underlägsna av den bakre husenheten placerad direkt ovanför deltagarens inion, det främre visirhuset placerat säkert över ögonen och näsbryggan och headsetet åtdraget via de elastiska justeringsremmarna och fästspännen.
  4. Kontrollera SSVEP iOS-applikationens impedansindikator för att säkerställa en tillräcklig anslutning mellan headsetet och deltagarens huvud innan du testar. Gröna visuella indikatorer på tillhörande applikation (impedans <15 kOhms) indikerar god kontaktkvalitet enligt tillverkarens standarder.
    1. Om en god kontaktkvalitet inte uppnås för alla elektrodkanaler av intresse, mätta sensorerna igen med normal saltlösning och kontrollera positioneringen igen för att säkerställa att sensorerna är så jämna mot hårbotten som möjligt.
      OBS: God kontaktkvalitet måste erhållas för att säkerställa elektrisk anslutning mellan hårbotten och elektroderna, vilket minimerar potentiella artefakter (figur 4).
    2. Se till att deltagaren är bekväm. Be dem att vara stilla, lugna och tysta när de sitter och tittar framåt i lamporna och att bara blinka när det behövs. Om försökspersonen rör sig från stillastående sittande position eller om det sker en förändring i miljöinställningarna under bedömningen kan en artefakt (figur 4) inträffa och SSVEP-data ska inte samlas in för analysen (kasseras).
  5. Starta den visuella stimulansen genom att trycka på knappen Börja test på iOS-applikationen. När du uppmanas till det trycker du på knappen Fortsätt för att gå till nästa teststeg. Den visuella stimulansen körs två gånger enligt systemets IFU och erhåller en preliminär och primär SSVEP-avläsning.
  6. När SSVEP-utvärderingen har slutförts tar du bort SSVEP-headsetet från deltagarens huvuden. Låt försökspersonerna slappna av i minst 30 s.
  7. För att få ett tillförlitlighetsvärde för test-retest, upprepa SSVEP-bedömningsprotokollet med SSVEP-systemet (steg 12.3 till 12.7) efter viloperiodens slut.
  8. Låt deltagarna vila i 5 minuter innan du fortsätter med nästa EEG-system.
  9. Ställ in den kliniska EEG-förstärkaren enligt IFU: ström på förstärkaren genom att ansluta till en dator via USB-dongel och strömkabel, anslut fem elektrodledningar till respektive 10-20 EEG-positioner på 01, O2, OZ, P1 och P2, öppna eeg-programvara för klinisk neurologi på en dator och skapa en ny studie (via fliken Record ).
    1. Applicera hårbottenberedningsgelén på det occipitala området på deltagarens huvud, gnugga gelén medurs med fingrarna för att spridas i ett tunt lager.
    2. Montera elektrodlocket över deltagarens huvud enligt IFU för det kliniska EEG-systemet. Applicera den ledande gelén på de fem elektrodplåsterna försiktigt och med rena händer.
    3. Placera de fem elektrodplåsterna på deltagarens hårbotten i respektive O1-, O2-, O3-, P1- och P2-positioner enligt 10-20 EEG-positioneringsnomenklaturen.
  10. Kontrollera den kliniska EEG-förstärkarprogramvarans impedansindikator för att säkerställa en tillräcklig anslutning mellan headsetet och deltagarens huvud innan du testar. Impedansvärden på <15 kOhms anses vara acceptabla för EEG-tillämpning.
    1. I det fall en god kontaktkvalitet inte uppnås för alla elektrodkanaler av intresse, applicera beredningsgelerna igen och kontrollera positioneringen igen för att säkerställa att sensorerna är så jämna mot hårbotten som möjligt.
  11. Instruera deltagaren att hålla SSVEP-enhetens främre visir över ögonen enligt steg 12.4, medan en utredningsassistent håller den bakre bostadsenheten borta från hårbotten.
    1. Upprepa anvisningarna i avsnitt 12.5.2.
  12. Starta EEG-förstärkarens inspelning genom att trycka på den röda Record-symbolen i det övre vänstra hörnet av programvaran för klinisk neurologi. Omedelbart efter inspelningens initiering initierar du den visuella stimulansen genom att trycka på Knappen Börja test på iOS-applikationen.
    1. Tryck på den röda record-symbolen för att stoppa EEG-förstärkarinspelningen när du uppmanas att SSVEP-systemet har upphört med den första stimulansomgången och väntar på att kommandot ska fortsätta.
    2. Starta om EEG-förstärkarinspelningen genom att trycka på den röda Record-symbolen på programvaran för klinisk neurologi och fortsätt sedan den visuella stimulansen genom att välja Fortsätt-knappen i SSVEP iOS-appen.
    3. Tryck på den röda record-symbolen för att stoppa EEG-förstärkarinspelningen när du uppmanas att SSVEP-systemet har upphört med den visuella stimulansen.
  13. Låt motivet slappna av i minst 30 s. För att få ett test-retest-tillförlitlighetsvärde, upprepa SSVEP-bedömningsprotokollet med det kliniska EEG-systemet (steg 12.10 till 12.13) efter viloperiodens slut (två totala tester: Test 1 / Test 2).
  14. När paret av SSVEP-bedömningar har slutförts, låt deltagaren ta bort det främre visiret från ögonen och ta försiktigt bort elektrodplåsterna från hårbotten.
    1. Rengör både SSVEP-headsetet och elektrodkablarna med isopropylalkoholservetter (70%) innan du förvarar båda utrustningarna i sina respektive fodral tills de används nästa gång.
  15. Fråga deltagaren om de upplevde några onormala reaktioner på stimulansen, inklusive närvaron av huvudvärk eller yrsel. Registrera deras svar i en studielogg innan du informerar dem om att de har slutfört sitt deltagande i studien.

13. Test-retest tillförlitlighetsberäkning av det bärbara SSVEP-systemet

  1. Ladda ner de råa SSVEP-värdena för båda SSVEP-primära testuppsättningarna från iOS-enheten med hjälp av en mobilhanteringsverktygsprogramvara; resultaten matas ut som filer med kommaavgränsade värden (CSV). För identifierings- och lagringsändamål, spara filerna med deltagarens fullständiga namn, typ av test som utförts och datum.
  2. Ändra det numeriska beräkningsskriptet som genereras i avsnitt 8 för att bearbeta CSV-filerna med en ytterligare matris med SSVEP-värden från O z-inspelningskanalen.
  3. Samla de bearbetade datafilerna i en matris med CSV-ark, med värden sammanfattade enligt deras respektive kategori av test 1 eller test 2.
  4. Använd SNR för varje SSVEP-avläsning för att jämföra resultaten av de olika testerna. Uppskatta test-retest-tillförlitligheten med hjälp av en modell 2, typ 1 interklasskorrelationskoefficient ICC (2,1) med ett 95% konfidensintervall (CI) och α signifikansnivå inställd på 0,05.

14. Test-retest-beräkning av det kliniska EEG-systemet

  1. Ladda ner de råa SSVEP-värdena för båda EEG-förstärkarens primära testuppsättningar från programvaran för klinisk neurologi; resultaten matas ut som CSV-filer. För identifierings- och lagringsändamål, spara filerna med ämnesnamnet och typen av test som utförts.
  2. Upprepa avsnitt 13.2-13.4 med hjälp av de nedladdade CSV-filerna för EEG-förstärkaren för att uppskatta test-retest-tillförlitligheten hos det kliniska EEG-systemet.

15. Avtalsberäkning av de portabla SSVEP- och kliniska EEG-systemen

  1. Beskriv kriterierna för att avgöra om en SSVEP detekterades av EEG-systemet (rekommenderade kriterier: om huvudsignaltopparna mellan 5-35 Hz är 15 ± 0,1 Hz och om Z-poängen för huvudtoppen är över 5).
  2. Ändra det numeriska beräkningsskriptet som genereras i avsnitten 12 och 13 för att dessutom bestämma toppfrekvensen och Z-poängen för de SSVEP-filer som bearbetas. Formel för Z-poäng är.
    Equation 2
    Var:
    Amplitudtopp = Spänningen vid toppfrekvensen (μV)
    Amplitudmedelvärde = Medelspänningen för alla frekvensband mellan 5-35 Hz (μV)
  3. Genomföra en binomial analys av EEG-systemens förmåga att framgångsrikt detektera en SSVEP med hjälp av de beskrivna kriterierna, med binomial sannolikhet (%) som ska tas som överenskommelse mellan de två systemen. Preliminära och primära registreringar för varje system ska användas för att beräkna graden av överensstämmelse mellan två uppsättningar data.
  4. Använd Z-poängen för varje SSVEP-avläsning för att jämföra de olika EEG-systemen. Uttryck alla sammanfattade data som medianer med 25: e till 75: e interkvartilområdet (IQR). Använd statistisk analysprogramvara för statistisk analys av systemets bearbetade värden.
  5. Ändra det numeriska datorskriptet som genereras i avsnitten 12 och 13 för att dessutom bestämma den genomsnittliga SNR för varje frekvens som resulterade i en datapunkt som sträcker sig från 0-25 Hz, av ALLA (preliminära och primära) SSVEP-filer som genereras av SSVEP och Clinical EEG System.
    1. Skapa en effektspektrumdensitet (PSD) för båda systemens normaliserade genomsnittliga SNR-resultat mellan 0–25 Hz (se Representativa resultat).
      Skapa en separat dataserie för varje EEG-system och lägg över den på samma PSD.

Representative Results

Totalt 65 manliga rugbyspelare (20,9 ± 2,3 år) registrerades framgångsrikt i den första delen av denna studie, där alla spelare genomgick en grundläggande SSVEP-bedömning (figur 1). Under rugbysäsongen ådrog sig 12 deltagare en potentiell hjärnskakningsskada på spelplanen och omvärderades med SSVEP-systemet för en bedömning efter skada. Lagläkaren utvärderade dessa spelare med hjälp av ett kliniskt hjärnskakningsutvärderingsprotokoll och diagnostiserade dessa 12 deltagare som hjärnskakning. Alla tolv ansågs återhämtade av läkaren inom 12 dagars GRTP-tidsperiod30. Efter läkarens bedömning att spelarna var återställda var 8 spelare tillgängliga för ytterligare en SSVEP; kategoriseras som en återhämtningsbedömning. Tjugotvå spelare som inte var hjärnskakade testades på nytt för studiens tillförlitlighet under säsongen. De återstående deltagarna som inte testades på nytt förlorades för uppföljning. Inga biverkningar efter SSVEP-stimulering rapporterades under studiens varaktighet. Tillförlitligheten hos SSVEP-systemet som användes på rugbyspelarna bekräftades av en hög korrelationskoefficient inom klassen (ICC) med ett 95% konfidensintervall, lika med 0,91 (0,79-0,96) för de omtestade icke-skadade spelarna (n = 22) och 0,96 (0,74-0,99) för de omtestade återställda spelarna33. Dataset där en god kontaktkvalitet uppnåddes beaktades för denna beräkning. Detta är ett resultat av några tillfällen där deltagarnas hår- eller hudpotential påverkade EEG-systemens förmåga att få ren SSVEP (figur 4).

För att avgöra om SSVEP som produceras via detta utredningssystem kan användas som en biomarkör för hjärnskakning, grupperades SNR-värdena för de bearbetade resultaten i baslinje (kontroll), hjärnskakning och återhämtningsbedömningar för jämförelse (figur 1). Sammantaget var medianvärdet för SNR för alla kontrollspelare (n = 65) 4,80 [IQR: 4,07-5,68], med det genomsnittliga bearbetade EEG för kontrollgruppen som visade en tydlig 15 Hz toppsignal i respektive frekvensspektrum33. Ett liknande svar sågs när de genomsnittliga SSVEP-värdena för en separat kontrollgrupp (n = 20; frisk allmän befolkning) som producerades av samma visuella stimulans men registrerades med ett annat EEG-system, graferades som en effektspektrumdensitet (figur 5). Denna medianfördelning och effektspektrumtäthet gjorde det möjligt att ställa in en tydlig kontroll för ett SSVEP-svar från en icke-skadad (icke-konkusserad) spelare till utredningsinställningen (figur 2, figur 3). Medianvärdet för SNR för alla hjärnskakade spelare (n = 12) och de återställda spelarna med tillgängliga SSVEP-bedömningar (n = 8) var 2,00 [IQR: 1,40-2,32] respektive 4,82 [IQR: 4,13-5,18]33. Pilotstudien observerade signifikanta skillnader i median SNR-värden (+4,03; p < 0,0001) mellan kontroll(baslinje) och hjärnskakningsspelare. En hjärnskakning hade stor effekt på en SSVEP-signal (Cohens, d = 4,03). Intressant nog sågs den återhämtade gruppen av spelare ha en minuts SNR-varians (+0,02; p = 0,0495) precis vid betydelse (α < 0,05), med trivial effekt jämfört med kontrollgruppen (Cohens, d = 0,17)33. Detta indikerar att efter en fullständig återhämtning, enligt GRTP-riktlinjerna30, är SSVEP-värden likvärdiga för en hjärnskakning och icke-skadad spelare. Vidare sågs medianvärdet SNR vara signifikant olika (+2,80; p = 0,0002) mellan den konkusserade och återhämtade gruppen av spelare, vilket visar att återhämtningsperioden har haft stor effekt på den konkusserade spelarens SSVEP-signal (Cohens, d = 3,60)33.

Ett liknande svar i median SNR-varians sågs när man jämförde endast de spelare som genomgick alla tre formerna av testning (n = 8; baslinjer, hjärnskakning och återhämtning). En signifikant förändring mellan baslinjer vs concussed (-2,34; p = 0,0001) och concussed vs återhämtning (-2,72; p = 0,0002) observerades, medan mindre varians sågs mellan baslinjer vs återhämtning (+ 0,28; p = 0,0495), med en trivial effekt mellan dessa grupper (Cohens d = 0,17). Dessa resultat förstärktes när man tog de genomsnittliga SNR-värdena för de spelare som genomgick alla tre formerna av testning. Den genomsnittliga SNR för dessa spelares baslinje-, hjärnskaknings- och återhämtningsavläsningar var 4.45, 2.20 respektive 4.33. En signifikant skillnad sågs mellan baslinje vs concussed (p = 0,0001) och concussed vs återhämtningsgrupper (p = 0,0002). Variationen i genomsnittliga SNR-värden mellan återhämtnings- och baslinjegruppen var liten, men bara vid signifikans (p = 0,0495). Sammantaget var svaret på stimulansen lägre hos hjärnskakade spelare jämfört med deras baslinjebedömning. Efter en övervakad återhämtningsperiod kunde dessa aktörer så småningom generera ett svar som motsvarade deras ursprungliga (baslinje)bedömning33. Detta visar att en idrottsrelaterad hjärnskakning har en inverkan på individens förmåga att generera SSVEP under en period av minst 12 dagar. Om en individs SSVEP-svar rutinmässigt mättes på ett liknande sätt som detta protokoll (figur 1): baslinje, efter skada, återhämtning, kan en läkare potentiellt använda SSVEP: erna som en biomarkör för hjärnskakning.

Det allt-i-ett-bärbara SSVEP-systemet (figur 7A) användes på (n = 20) friska kontrollpersoner från den allmänna befolkningen, ospecificerade för rugbysporten. Eftersom detta är en prövningsanordning med ett annat elektrodsystem (figur 7B) och något varierande stimuli från den ursprungliga SSVEP-inställningen, var median- och genomsnittliga SNR-värden inte giltiga för jämförelse (tabell 1). På samma sätt, eftersom deltagarna inte deltog i sport med hög förekomst av hjärnskakning, bedömdes inte SSVEP-systemet som en SSVEP-markör för hjärnskakning. Istället genomfördes en test-retest-tillförlitlighetsstudie för att validera systemet för framtida användning i storskaliga prövningar (figur 6). SSVEP-systemet returnerade en hög korrelation på 0,81 (CI: 0,59-0,92), vilket indikerar att enheten är tillförlitlig för att erhålla SSVEP (tabell 2). Dessutom validerades noggrannheten i systemens EEG-teknik genom en avtalsstudie mot ett traditionellt EEG-system av klinisk kvalitet (figur 7C), som returnerade ett liknande ICC-värde på 0,83 (CI: 0,63-0,93) (tabell 2). Den första upprepningen av testningen (preliminär) resulterade i att 18/20 deltagare visade en överenskommelse mellan båda systemen för en binomial sannolikhet på 95%. För en deltagare var enheterna inte överens på grund av att SSVEP-systemet detekterade en mer framträdande alfarytm än det önskade 15 Hz signalsvaret (figur 8). För den andra deltagaren identifierades ingen SSVEP med det kliniska EEG-systemet (figur 9). Men i den andra repetitionen (primär) hade alla 20 deltagare en överenskommelse över båda systemen för en binomial sannolikhet på 100%. Den totala noggrannheten hos de två systemen för att producera en SSVEP illustreras i figur 10, som visar att båda systemen har en framträdande SNR enbart vid den stimulerade frekvensen: 15 Hz. Detta validerar det bärbara systemet som funktionellt likvärdigt med enheter av klinisk kvalitet som används för att registrera EEG-signaler. När det tas i kombination med SSVEP-systemets bärbarhet och användarvänlighet öppnar det upp en mängd olika applikationer för att fånga forskningskvalitet SSVEP utanför den kliniska miljön, till exempel i en storskalig SRC-fallstudie.

Figure 1
Figur 1: Flödesschemametod för idrottares deltagande i SRC-SSVEP-studien. Flödesschemat beskriver screening för deltagarnas behörighet och gruppfördelning under hela SRC-SSVEP-studietiden för amatörrugby union-spelare. SRC; sportrelaterad hjärnskakning. SSVEP; steady state visuella framkallade potentialer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Bild 2: Visuell stimulanskomponent i bärbart SSVEP-system. Deltagaren måste hålla VR-ramen i jämnhöjd mot ansiktet och näsbryggan så att båda ögonen är helt inneslutna av ramen. (B) Illustration av den visuella stimulansen; videoslinga skapad av alternerande vita (övre raden) och svarta skärmar (nedre raden) med en frekvens av 15 Hz. Varje skärm innehöll två ramar åtskilda av en vertikal skiljelinje i linje med VR-ramens synfält på vänster och höger öga. Varje ram innehöll en brännpunkt i form av ett tal i mitten som växlade inom ett intervall av 1-9 med 5 s intervall. SSVEP; steady state visuella framkallade potentialer. LCD-skärm; flytande kristallskärm. VR; virtuell verklighet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Bild 3: Trådlös EEG-komponent i bärbart SSVEP-system. (A) Ett 14-kanals EEG-headset som kan överföra data trådlöst till en mottagare i närheten som är ansluten till en dator. (B) En visuell karta över de 14 elektrodpositionerna med avseende på det internationella 10-20 EEG-systemet för elektrodplacering i humana EEG-studier. Två occipitala elektroder (O1 och O2) användes som inspelningselektroder, medan två parietalelektroder användes som subtraktion och jord (P3 respektive P4) i SRC-SSVEP-studien. EEG; elektroencefalografi. SSVEP; steady state visuella framkallade potentialer. SRC; sportrelaterad hjärnskakning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: Illustration av vikten av kontaktkvalitet i SSVEP-mätningar. SSVEP-svar från en enda kontrollperson (frisk allmän befolkning) uppmätt med SSVEP-systemet, med en inställd stimulansfrekvens på 15 Hz och en samplingsfrekvens på 250 Hz, när: (A) atypisk saltlösning används på elektroder, (B) elektroder inte bearbetas tillräckligt genom ämneshår för att komma i kontakt med hårbotten, (C) elektroder är mättade med saltlösning och arbetas genom håret. Saltlösning är avgörande för att säkerställa elektrisk anslutning mellan patienternas huvud och elektroder; utan det observeras artefakter med stor amplitudhudpotential på ett harmoniskt sätt. Hår fungerar som ett motstånd som minimerar elektrisk anslutning mellan patientens hårbotten och elektroderna och resulterar därmed i ökat brus. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: Genomsnittligt SSVEP-svar för 20 kontrollpersoner i EEG-valideringsstudie. SSVEP-svar från kontrollpersoner (frisk allmän befolkning) (n = 20) mätt med SSVEP-systemet, med en inställd stimulansfrekvens på 15 Hz och en samplingsfrekvens på 250 Hz. Individuella SSVEP-värden filtrerades mellan 5-40 Hz innan de snabbt Fouriertransformerades och normaliserades. Genomsnittlig SSVEP för befolkningen illustreras som en effektspektrumdensitet, där y-axeln representerar signalamplituden i mikrovolt (uV). SSVEP; steady state visuella framkallade potentialer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: Flödesschemametod för EEG-valideringsstudie mellan två system. Flödesschemat beskriver metoden för att validera ett bärbart EEG-system mot ett etablerat EEG-referenssystem: SSVEP respektive kliniska EEG-system. Kontrolldeltagare (frisk allmän befolkning) screenas och tilldelas slumpmässigt en testorder och två tester utförs på varje system på ett test-retest-sätt. EEG; elektroencefalografi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7: Elektrodöversikt för EEG-valideringsstudie mellan två system. B) Den internationella standarden 10-20 EEG modifierade kombinatoriska nomenklatursystemet. C) Det etablerade kliniska EEG-referenssystemet. SSVEP-systemet mäter EEG-signaler genom sina tre occipitalelektrodkanaler (O1, O2 och Oz) samtidigt som de två partiella elektrodkanalerna (P1 och P2) används som referens respektive bias. Det kliniska EEG-systemet möjliggör mätning av EEG-signaler genom sin 40-kanals förstärkare, som manuellt kan placeras i samma O1, O2, Oz, P1, P2-arrangemang som SSVEP-systemet för jämförelse. EEG; elektroencefalografi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 8
Figur 8: Effektspektrumtäthet för en enda kontrolldeltagares (deltagare 09) SSVEP-svar mätt med två EEG-system. B) Det kliniska EEG-systemet. Båda mätningarna erhölls med samma visuella stimulans (från SSVEP-systemet): en 15 Hz flicking stimulus av vita lysdioder i ett slutet fodral. Observera hur trots det framträdande 15 Hz-svaret som ses i båda systemen var den absolut högsta toppen för SSVEP-systemet vid 10,5 Hz snarare än vid de stimulerade 15 Hz. Enligt kriterierna i avtalsstudien, där systemen måste detektera den stimulerade frekvensen som topp (primär) amplitud, utgör detta som ett misslyckande. SSVEP; steady state visuella framkallade potentialer. LYSDIOD; lysdioder. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 9
Figur 9: Effektspektrumtäthet för en enda kontroll (frisk allmän befolkning) deltagares (deltagare 19) SSVEP-svar mätt med två EEG-system. B) Det kliniska EEG-systemet. Båda mätningarna erhölls med användning av samma visuella stimulans (från SSVEP-systemet); en 15 Hz snärtande stimulans av vita lysdioder i ett slutet fodral. Observera bristen på ett framträdande 15 Hz-svar för det kliniska EEG-systemet eftersom det är omgivet av brus av liknande storlek. Enligt kriterierna i avtalsstudien, där systemen måste producera ett svar med en Z-poäng större än 5, utgör detta som underkänt. SSVEP; steady state visuella framkallade potentialer. LYSDIOD; lysdioder. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 10
Figur 10: En visuell illustration av överenskommelsen mellan två EEG-system som mäter SSVEP för kontrolldeltagare. Det genomsnittliga SSVEP-svaret hos (n = 20) kontrollpersoner (frisk allmän befolkning) plottades som SNR mot frekvensområdet av intresse; 5-25 Hz för mätningar med SSVEP (grön) och klinisk EEG (röd). Varje kontrollperson producerade två dataset för varje system i EEG-valideringsstudien som genererade totalt 40 SSVEP-dataset för varje system. De två systemens illustrerade svar lades över för att visualisera hur nära de kommer överens i SSVEP-mätning när de stimuleras av samma visuella stimulans: vita lysdioder som flimrar vid 15 Hz i 30 s. Frekvensområdet filtreras till under den förutsagda 30 Hz-övertonen för att enbart fokusera på det primära stimulanssvaret. EEG; elektroencefalografi. SSVEP; steady state visuella framkallade potentialer. SNR; signal-brusförhållande. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

EEG-systemet Minimum Oberoende kvalitetsgranskning 25 Median Oberoende kvalitetsgranskning 75 Maximal Betyda Std. Dev.
Nc 1 4.402 8.187 9.829 13.667 20.703 11.148 4.577
Nc 2 4.509 9.123 11.055 12.586 23.225 11.615 4.213
Grael 1 4.335 7.99 10.171 13.238 21.758 11.36 4.897
Grael 2 4.979 9.002 10.619 12.667 20.177 11.22 3.865

Tabell 1: Statistisk sammanfattning av kontrolldeltagarna i SSVEP mätt med två EEG-system. Två SSVEP-mätningar utfördes på (n = 20) kontrollpersoner (frisk allmän befolkning) med hjälp av ett bärbart EEG-system och ett etablerat kliniskt EEG-system; SNR-värden beräknades från SSVEP (med 15 Hz som primär signal). Statistik beräknades för varje mätdatamängd, inklusive minsta, maximala, 25: e och 75: e interkvartilintervall (IQR), median, medelvärde och standardavvikelse (std dev). EEG; elektroencefalografi. SSVEP; steady state visuella framkallade potentialer.

EEG-systemet Grupp N ICC (95 % KI) Genomsnittlig tid mellan testet (min)
Nurochek Kontroll 20 0.81 (0.59-0.92) 0.5
Grael Kontroll 20 0.83 (0.63-0.93) 0.5

Tabell 2: Test-retest-tillförlitligheten hos det bärbara SSVEP-systemet och kliniska EEG-system. Tillförlitligheten hos det integrerade SSVEP- och kliniska EEG-systemet beräknades baserat på korrelationskoefficient mellan klasser (ICC) med ett 95% konfidensintervall (CI) från två tester utförda med 30 s mellanrum, med samma uppsättning kontroll (frisk allmän befolkning) individer (n = 20); ICC (2,1). SNR-värden (med 15 Hz som primär signal) för SSVEP-testerna användes som den intressanta parametern för ICC-beräkningen. EEG; elektroencefalografi. SSVEP; steady state visuella framkallade potentialer.

Discussion

Detta är den första studien som utvecklar ett protokoll som identifierar skillnader i SSVEP-svar hos friska manliga amatör rubinfackspelare i de tre stadierna av en hjärnskakning; före skada (baslinje), hjärnskakning och återhämtad (figur 1). Metoden inkluderade rekrytering och screening av 65 deltagare som rutinmässigt bedömdes med ett undersökande SSVEP-upplägg under en tävlingssäsong. Eftersom SSVEP-installationen var relativt enkel och bärbar genomfördes alla bedömningar i en icke-klinisk miljö, vilket visade den potentiella användningen som en hjärnskakningsbedömning. Studien visade framgångsrikt att en individs förmåga att generera SSVEPs dämpas efter en diagnostiserad hjärnskakning. Den depressiva effekten av en hjärnskakning sågs minska efter en definierad återhämtningsperiod, vilket ses när SSVEP-värdena återvände till en pre-concussed nivå för varje individ. Statistisk analys mellan deltagargrupperna visade en signifikans för SSVEP-dämpningseffekterna. Den höga test-retest-tillförlitligheten hos icke-konkusserade deltagare belyste stabiliteten hos den elektrofysiologiska biomarkören i enkla och mer raffinerade bärbara SSVEP-system (tabell 2). Dessutom validerar det absoluta avtalet mellan ett SSVEP-system och en traditionell EEG-förstärkare tekniken för användning som ett medicinskt hjälpmedel som kan erhålla EEG-signaler av forskningskvalitet (figur 10).

Eftersom denna studie var beroende av att deltagarna frivilligt arbetade för efterskada samt upprepade bedömningar under rugbysäsongen, måste vissa logistiska modifieringar göras i metoden. De beräknade tidsperioderna mellan baslinjen och omtesterna måste vara flexibla för att tillgodose deltagarens scheman. Trots dessa åtgärder förlorades vissa spelare fortfarande för att följa upp av en mängd olika skäl, inklusive icke-relaterade skador eller brist på intresse. Detta resulterade i användningen av en mer omfattande statistisk beräkning, ICC, för enhetens tillförlitlighet över veckor. Inga biverkningar av SSVEP-installationen observerades. Vissa logistiska problem uppstod som krävde mindre ändringar av protokollet: särskilt långt eller tjockt hår visade sig vara besvärligt att få god kontakt mellan headsetet och deltagarens hårbotten. Eftersom dålig kontakt skulle minska kvaliteten på EEG-avläsningarna (figur 4), var deltagare med långt eller tjockt hår tvungna att borsta och hålla håret upp och ut till sidan av huvudet medan sensorerna placerades. Ett ytterligare uteslutningskriterium genererades på grund av detta problem, där individer med komplexa frisyrer (t.ex. dreadlocks) uteslöts från denna studie.

Som tidigare beskrivits i detta dokument är nuvarande verktyg för hjärnskakningsbedömning mycket subjektiva och riskerar manipulation av en idrottare som i slutändan kan hindra en klinikers förmåga att ställa en avgörande viktig diagnos34. Vissa idrottsspårningsstudier har försökt undersöka en mer objektiv biomarkör för hjärnskakning genom användning av radiologiska modaliteter som magnetisk resonanstomografi (MRI) och datortomografi (CT). Dessa metoder ger dock endast information om makroskopiska strukturella skador såsom blödningar som skiljer sig från definitionen av hjärnskakning som en funktionell hjärnskada 6,35. Resultaten av denna studie stöds av tidigare studier som visat att VEP är en funktionell biomarkör36, som dämpas eller fördröjs i närvaro av hjärnskakning 21,37,38. Även om det finns likheter i dessa tidigare VEP-studiemetoder med avseende på vår fysiska inställning och hypotes, utökar vår studie litteraturen via användningen av SSVEP över VEP. Dessutom varierar protokollet genom att undersöka realtidsbedömningar av spelare i de tre stadierna av en hjärnskakning jämfört med traditionella fallstudier om kontroll vs hjärnskakning. Dessutom utökar metoden sin undersökande kraft genom att jämföra innovativa och traditionella EEG-system för att skilja potentiella skillnader som kan begränsa deras noggrannhet för att erhålla objektiva elektrofysiologiska mätningar. Således ger protokollet som används i denna studie ett unikt och värdefullt tillägg till befintlig litteratur om objektiva hjärnskakningsbiomarkörer.

Trots den övergripande framgången med detta protokoll finns det flera begränsningar att notera. Till exempel noterades en liten grad av variation inom deltagaren i bakgrunds-EEG-brus för bedömning utförd i omedelbar följd. Två protokolldesignbegränsningar kan visa sig vara skyldiga för denna första variation: den första är 14-kanals EEG-systemets brist på högkvalitativ impedansåterkoppling och lösa begränsningar för effekterna av trötthet och miljöpåverkan på ämnets uppmärksamhet. Även om denna variation inom deltagaren inte sågs med de andra EEG-systemen som används i detta protokoll, är det värt att utforska dessa effekter mer detaljerat för att bekräfta att deras orsak är ett resultat av headsetets design och inte en oidentifierad naturlig förekomst. För det andra hade de flesta deltagarna större SSVEP-signaler efter den andra bedömningen jämfört med den första (tabell 1). Detta kan vara resultatet av att deltagarna blir mer bekanta med bedömningsprocessen och därmed beteendeanpassningar av utrustningsinställningen, inklusive minskad blinkning och rastlöshet under upprepad stimulanspresentation. Ytterligare studier behövs för att avgöra om det verkligen finns en förtrogenhetseffekt för SSVEP-protokollet och i så fall vilka potentiella modifieringar som behöver göras för att minska dess förekomst i framtida studier. Slutligen är det viktigt att notera att på grund av det omfattande beroendet av volontärer från en relativt liten population av individer (de med hög risk för hjärnskakning med viljan att bli repeterbart undersökt) var denna studie begränsad till en liten urvalsstorlek på 65 deltagare, varav 12 drabbades av hjärnskakning. Studier med en större kohortstorlek kommer att behövas för att utvärdera robustheten i detta protokolls bedömning av hjärnskakning, särskilt dess känslighet och specificitet. Det skulle också vara intressant att se detta protokoll replikeras i en rad åldersgrupper vars hjärnutvecklingstillstånd varierar, från de som fortfarande utvecklas (ungdomar) till de med potentiell kognitiv nedgång (äldre) och avgränsar huruvida responsivitet skiljer sig avsevärt eller inte. När det gäller det förbättrade SSVEP-systemet belyste dess jämförande studie enhetens inbyggda begränsningar jämfört med traditionella EEG-system. Traditionella EEG-system antar i allmänhet hela 10-20-systemet med montage, som omfattar 21 elektrodställen (figur 7B). SSVEP-systemet å andra sidan använder endast tre elektrodkanaler (O1, O2 och Oz) som motsvarar den visuella cortexen (figur 7A). Denna minskning av förmågan innebär att systemet har ett smalare tillämpningsområde för EEG-applikationer och begränsar den potentiella analysen som kan utföras på de elektrofysiologiska data som erhållits inom detta protokoll.

Som tidigare nämnts krävs ytterligare forskning för att övervinna begränsningarna i detta protokoll och testa dess styrka på en större kohort för att bedöma om dess resultat kan generaliseras. Ännu viktigare är att ytterligare studier krävs för att bättre förstå de mekanismer som ligger till grund för vårt resultat i SSVEP-dämpning. Till exempel är förändringarna i SSVEP-svaret som finns hos våra konkusserade deltagare sannolikt representationer av störningar i neuronal funktion, men det är ännu inte fastställt om dessa är primära (t.ex. skadad vit substans) eller sekundära (t.ex. neuroinflammatoriska) fenomen. En potentiell framtida tillämpning av denna metod är undersökningen av återhämtningsperioden i samband med neuronal depression och hjärnskakning individualiserad till ämnet. En djupare inblick i denna återhämtningsperiod kan se ändringar i regler och föreskrifter för sportåtergång till spel (RTP) som bättre skyddar en skadad idrottare. Denna metod introducerar också det praktiska med ett bärbart SSVEP-system som tillämpas i icke-kliniska miljöer, såsom en hjärnskakningsbedömning som levereras lämpligt vid sidan av en idrottsplats. Detta har potential att ge betydande fördelar för inte bara läkare, utan tränare, idrottare och deras respektive familjer för att ta itu med de negativa fysiologiska effekterna av hjärnskakning och Second Impact Syndrome10,11. Genereringen av förbättrade SSVEP-system, såsom det bärbara SSVEP-systemet som används i denna studie, kan se mer avancerad utrustning och tekniska applikationer uppstå inom neurofysiologi och SRC som kommer att visa sig vara till nytta för framgången för framtida studier.

Sammanfattningsvis visade sig detta protokoll framgångsrikt i sitt syfte att identifiera SSVEP som en objektiv biomarkör för hjärnskakning hos kontaktsportidrottare. Studien som helhet ger bevis för att SSVEP dämpas signifikant i närvaro av hjärnskakning och kan produceras på ett tillförlitligt sätt på en forskningskvalitetsnivå genom ett förenklat bärbart EEG-system. Vi föreslår därför att SSVEP får användas som ett kompletterande hjälpmedel vid bedömning av hjärnskakningsskador, särskilt SRC:s bedömning vid sidlinjen. Ytterligare studier med mer förfinade protokoll, avancerade tekniker och förbättrad utrustning kan bygga vidare på denna studie och ge kritisk information för att bekämpa de skadliga effekterna av hjärnskakningar på idrottares liv.

Disclosures

Författarna förklarar potentiella intressekonflikter och anger dem nedan:

Adrian Cohen är direktör för HeadsafeIP Pty Ltd och är känd för patentansökningar relaterade till teknik inom detta område.

Dylan Mahony är anställd på HeadsafeIP. HeadsafeIP bedriver forskning, utveckling och kommersialisering av hjärnskakningsrelaterad teknik. HeadsafeIP Pty. Ltd kan gynnas ekonomiskt om produkter relaterade till denna forskning framgångsrikt marknadsförs.

Daryl Fong är anställd hos Cryptych Pty Ltd. Cryptych Pty Ltd tillhandahåller konsulttjänster till HeadsafeIP om kompatibel tillverkning av sin enhet med avseende på lagstadgade krav.

David Putrino, Joseph Herrera och Rebecca Baron är anställda vid Icahn School of Medicine vid Mount Sinai och deltar i sponsrad forskning som undersöker användningsfallen för den förbättrade SSVEP-enheten.

Acknowledgments

Utrustningen som användes i det första experimentet (undersökande SSVEP) tillhandahölls av School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering vid University of Sydney. Utrustning som användes i den senare halvan av studien, de integrerade SSVEP- och EEG-systemen, tillhandahölls av HeadsafeIP.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ag-AgCl Electrodes Compumedics 97000153 Disposable EEG electrode Wires
Cardboard VR Google 87002823-01 VR Frame
CaviWipes Metrex 13-1100 Disinfectant Wipes
Emotiv Xavier Emotiv EMO-BCI-ONET-MAC-01 EEG Headset Software / Contact Quality
EPOC Felt Sensors Emotiv EMO-EPO-FELT-00 EEG soft electrode contacts
USB Reciever Universal Model Emotiv EMO-EPO-USB-04 Signal Reciever for 14 channel EEG Headset
EPOC+ Emotiv EPOC+ V1.1A 14 Channel EEG headset
Excel 2016 Microsoft KB4484437 Spreadsheet Software
Grael 4K EEG Amplifier Compumedics 928-0002-02 Clinical EEG / 40 Channel EEG Amplifier Unit
iPad 5th Generation Apple A1822 iOS Device
iPhone 6s Apple A1633 iOS Device
iTunes Apple V12.5.5.5 Mobile Device Management Utility
MATLAB MathWorks  R2015b Numerical Computing Software
Nurochek iOS App HeadsafeIP HS02 SSVEP iOS App Software
Nurochek System HeadsafeIP HS01 Portable SSVEP System
Polyurethane Sensor Cylinders Headsafe HSIP01-213 EEG soft electrode contacts
Profusion EEG 5 Compumedics AH744-00 Clinical Neurology Software for EEG Amplifier
Quik-Gel Electrolyte Compumedics 92000016 EEG Conductive Gel
Renu Fresh Solution Bausch+Lomb 435720 Saline Solution
SPSS 24 IBM CRZ0WML Statistical Analytics Software
Ten20 Paste Weaver 92100031 EEG Skin Prep Gel/Paste
Vaio Pro 11 Sony SVP1132A1CL Computer / Laptop
Xperia Z1 Sony C6906 LCD Smartphone

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. McCrory, P., et al. Consensus statement on concussion in sport-the 5(th) international conference on concussion in sport held in Berlin, October 2016. British Journal of Sports Medicine. 51 (11), 838-847 (2017).
  2. Kilcoyne, K. G., et al. Reported concussion rates for three division I football programs: an evaluation of the new NCAA concussion Policy. Sports Health. 6 (5), 402-405 (2014).
  3. Fuller, C. W., Taylor, A., Raftery, M. Epidemiology of concussion in men's elite Rugby-7s (Sevens World Series) and Rugby-15s (Rugby World Cup, Junior World Championship and Rugby Trophy, Pacific Nations Cup and English Premiership. British Journal of Sports Medicine. 49 (7), 478-483 (2015).
  4. Gardner, A. J., Iverson, G. L., Williams, W. H., Baker, S., Stanwell, P. A systematic review and meta-analysis of concussion in rugby union. Sports Medicine. 44 (12), 1717-1731 (2014).
  5. Rice, S. M., et al. Sport-related concussion and mental health outcomes in elite athletes: a systematic review. Sports Medicine. 48 (2), Auckland, N.Z. 447-465 (2018).
  6. Graham, R., Rivara, F. P., Ford, M. A., Spicer, C. M. Institute of Medicine (US) and National Research Council (U.S.). Committee on Sports-Related Concussions in Youth Board onChildren Youth and Families. Sports-Related Concussions in Youth: Improving the Science, Changing the Culture. , National Academies Press. USA. (2014).
  7. Partridge, B., Hall, W. Repeated head injuries in Australia's collision sports highlight ethical and evidential gaps in concussion management policies. Neuroethics. 8 (1), 39-45 (2015).
  8. Murray, I. R., Murray, A. D., Robson, J. Sports concussion: time for a culture change. Clinical Journal of Sport Medicine: Official Journal of the Canadian Academy of Sport Medicine. 25 (2), 75-77 (2015).
  9. Levin, H. S., Diaz-Arrastia, R. R. Diagnosis, prognosis, and clinical management of mild traumatic brain injury. The Lancet, Neurology. 14 (5), 506-517 (2015).
  10. Bey, T., Ostick, B. Second impact syndrome. The Journal of Emergency Medicine. 10 (1), 6-10 (2009).
  11. Meehan, W. P., Mannix, R. C., O'Brien, M. J., Collins, M. W. The prevalence of undiagnosed concussions in athletes. Clinical Journal of Sport Medicine: Official Journal of the Canadian Academy of Sport Medicine. 23 (5), 339-342 (2013).
  12. Weinstein, E., Turner, M., Kuzma, B. B., Feuer, H. Second impact syndrome in football: new imaging and insights into a rare and devastating condition. Journal of Neurosurgery, Pediatrics. 11 (3), 331-334 (2013).
  13. Stern, R. A., et al. Long-term consequences of repetitive brain trauma: chronic traumatic encephalopathy. PM & R. 3 (10), Suppl 2 460-467 (2011).
  14. Arciniegas, D. B. Clinical electrophysiologic assessments and mild traumatic brain injury: state-of-the-science and implications for clinical practice. International Journal of Psychophysiology. 82 (1), 41-52 (2011).
  15. Echemendia, R. J., et al. The Sport Concussion Assessment Tool 5th Edition (SCAT5): Background and rationale. British Journal of Sports Medicine. 51 (11), 848-850 (2017).
  16. Giza, C. C., et al. Summary of evidence-based guideline update: evaluation and management of concussion in sports: report of the Guideline Development Subcommittee of the American Academy of Neurology. Neurology. 80 (24), 2250-2257 (2013).
  17. Vander Werff, K. R., Rieger, B. Auditory and cognitive behavioral performance deficits and symptom reporting in postconcussion syndrome following mild traumatic brain injury. Journal of Speech, Language, and Hearing Research: JSLHR. 62 (7), 1-18 (2019).
  18. Asken, B. M., et al. Concussion-like symptom reporting in non-concussed collegiate athletes. Archives of Clinical Neuropsychology. 32 (8), 963-971 (2017).
  19. Echemendia, R. J., et al. What tests and measures should be added to the SCAT3 and related tests to improve their reliability, sensitivity and/or specificity in sideline concussion diagnosis? A systematic review. British Journal of Sports Medicine. 51 (11), 895-901 (2017).
  20. Ragan, B., Herrmann, S., Kang, M., Mack, M. Psychometric evaluation of the standardized assessment of concussion: evaluation of baseline score validity using item analysis. Athletic Training & Sports Health Care. 1, 180-187 (2009).
  21. Freed, S., Hellerstein, L. F. Visual electrodiagnostic findings in mild traumatic brain injury. Brain Injury. 11 (1), 25-36 (1997).
  22. Boutin, D., Lassonde, M., Robert, M., Vanassing, P., Ellemberg, D. Neurophysiological assessment prior to and following sports-related concussion during childhood: A case study. Neurocase. 14 (3), 239-248 (2008).
  23. Phurailatpam, J. Evoked potentials: Visual evoked potentials (VEPs): Clinical uses, origin, and confounding parameters. Journal of Medical Society. 28 (3), 140-144 (2014).
  24. Kothari, R., Bokariya, P., Singh, S., Singh, R. A Comprehensive review on methodologies employed for visual evoked potentials. Scientifica. 2016, 1-9 (2016).
  25. Dreyer, A. M., Herrmann, C. S. Frequency-modulated steady-state visual evoked potentials: a new stimulation method for brain-computer interfaces. Journal of Neuroscience Methods. 241, 1-9 (2015).
  26. Norcia, A. M., Appelbaum, L. G., Ales, J. M., Cottereau, B. R., Rossion, B. The steady-state visual evoked potential in vision research: A review. Journal of Vision. 15 (6), 4 (2015).
  27. Herbst, S., Javadi, A. -H., Busch, N. How long depends on how fast - perceived flicker frequencies dilate subjective duration. Journal of Vision. 12, 141 (2012).
  28. Handy, T. C. Event-related Potentials: A Methods Handbook. , A Bradford Book. (2005).
  29. Kappenman, E. S., Luck, S. J. The Oxford Handbook of Event-Related Potential Components. , Oxford library of Psychology. (2012).
  30. Rugby Australia. Rugby AU Codes and Policies, Safety and Welfare. Concussion Management. , Available from: https://australia.rugby/about/codes-and-policies/safety-and-welfare/concussion-management (2021).
  31. Moyer, J. T., et al. Standards for data acquisition and software-based analysis of in vivo electroencephalography recordings from animals. A TASK1-WG5 report of the AES/ILAE Translational Task Force of the ILAE. Epilepsia. 58, Suppl 4 53-67 (2017).
  32. Liu, Y., et al. IEEE International Conference on Virtual Environments Human-Computer Interfaces and Measurement Systems (VECIMS) Proceedings. , 34-37 (2012).
  33. Fong, D. H. C., et al. Steady-state visual-evoked potentials as a biomarker for concussion: a pilot study. Frontiers in Neuroscience. 14, 171 (2020).
  34. Alsalaheen, B., Stockdale, K., Pechumer, D., Broglio, S. P. Validity of the Immediate Post Concussion Assessment and Cognitive Testing (ImPACT). Sports Medicine. 46 (10), 1487-1501 (2016).
  35. Slobounov, S. M., Sebastianelli, W. J. Concussions in Athletics: from Brain to Behaviour. , Springer. (2014).
  36. Drislane, F. W. The Clincal Neurophysiology Primer. , Humana Press. 461-473 (2007).
  37. Moore, R. D., Broglio, S. P., Hillman, C. H. Sport-related concussion and sensory function in young adults. Journal of Athletic Training. 49 (1), 36-41 (2014).
  38. Yadav, N. K., Ciuffreda, K. J. Objective assessment of visual attention in mild traumatic brain injury (mTBI) using visual-evoked potentials (VEP). Brain Injury. 29 (3), 352-365 (2015).

Tags

Neurovetenskap Nummer 170 encefalografi elektroencefalografi EEG VEP SSVEP hjärnskakning mTBI sport biomedicinsk biomarkör neurofysiologi steady state visuell framkallad potential
Objektivt bedömning av idrottsskakning med hjälp av visuella framkallade potentialer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Fong, D. H., Cohen, A. J., Mahony,… More

Fong, D. H., Cohen, A. J., Mahony, D. E., Simon, N. G., Herrera, J. E., Baron, R. B., Putrino, D. Objectively Assessing Sports Concussion Utilizing Visual Evoked Potentials. J. Vis. Exp. (170), e62082, doi:10.3791/62082 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter